什麼是工業伺服控制？

伺服馬達和驅動器利用反饋來提供精確的位置、速度和加速度控制，使它們非常適合用於要求高的機械和機器人應用。

作者：Chip McDaniel，AutomationDirect

伺服馬達系統是一種高效能的運動控制技術，能夠執行複雜的運動曲線，同時提供高扭矩輸出，超過一般直流 (DC) 和交流 (AC) 馬達的能力。因此，伺服系統廣泛應用於各種工業機械、機器人和消費品。然而，由於需要驅動器、馬達和反饋元件，並且配置和控制要求較為複雜，伺服系統通常比其他技術更為複雜和昂貴。

AutomationDirect 提供的伺服驅動器、馬達和配件的功率範圍從 100W 到 15kW。伺服馬達的評級是以瓦特 (watts) 而非馬力 (horsepower) 來計算，因為它們的大小是根據扭矩需求來決定的。本文將介紹設計師在指定和配置伺服馬達控制系統時應了解的關鍵特性。

伺服基礎

交流伺服系統的主要目的是精確控制負載的運動。正如我們所見，適合工業使用的系統將具有多種特定功能，使其與非工業產品區別開來。

伺服馬達可以直接安裝以操作負載，但通常它們會與齒輪箱或其他機構一起使用，以改變有效的輸出速度和扭矩，通常是為了增加可用的扭矩。

與其他類型的馬達不同，伺服馬達不能僅通過施加電壓來運行。相反，驅動器（也稱為放大器或有時稱為控制器）為馬達提供電力並監控編碼器，該編碼器用於識別馬達的位置。根據這些信息，驅動器會根據需要運行馬達，以正確實現所需的運動或保持目標位置。工業伺服馬達總是內建反饋裝置，通常是編碼器。通過這個編碼器，伺服驅動器能夠在幾個弧秒內知道軸的位置。

愛好者型和消費級伺服馬達以低直流電壓運行，並以一體化的形式提供。這些驅動/馬達/編碼器/齒輪箱的緊湊配置由脈寬調變 (PWM) 信號驅動，是操作輕型產品的方便方式。

然而，對於要求高的工業應用，系統通常由驅動器（供電於 110VAC、230VAC 或 460VAC – 單相或三相）組成，這驅動著配備內建編碼器的交流無刷伺服馬達，以提供反饋。

基本的伺服驅動器接受來自外部邏輯控制器（例如可編程邏輯控制器 (PLC)）的外部命令，通過脈衝信號、離散 I/O、模擬信號，或更高級的方式，如 RS-485 Modbus 串行通信，或使用 EtherNet/IP、Modbus TCP 或 EtherCAT 等協議的以太網。數字通信方法使得完整的配置、監控和各種控制選項成為可能。

更先進的伺服驅動器包括內建的運動控制邏輯功能，顯著簡化和增強功能，具有以下有用的特性：

• 註冊：使驅動器與產品/材料同步。
• 電子凸輪：使驅動器與設備上其他相關驅動器同步。
• 飛剪：一種常見功能，用於將移動的切割機構與要切割的移動產品同步。
• 邏輯/順序控制：能執行一些外部控制器可能執行的功能。
• 即時控制模式切換：某些張力應用在速度和扭矩模式之間切換，以改變負載的方向（例如，靈活的鋸片）。
• 整合：某些控制器可能提供更容易與驅動器整合的功能。

現代伺服系統提供了最高水平的性能，以精確控制複雜和變化的運動曲線中的位置、速度和扭矩。早期的伺服系統對最終用戶來說可能難以指定和配置。

隨著 AutomationDirect 的高端 SureServo2 伺服系列的推出，強調提供比以往更高的功率和豐富的功能（且成本更低）。提供免費的配置軟體和有用的診斷功能，使用者可以更輕鬆和快速地將伺服系統應用於更多的應用中。

AutomationDirect 還提供 LS Electric 品牌的伺服系統，型號範圍從 100W 到 7.5kW。LS Electric 伺服馬達提供許多最受歡迎的功能，價格更低。

以下表格列出 AutomationDirect 伺服產品線的一些顯著差異：

應用伺服系統

伺服驅動和馬達操作有很多詳細的理論，但設計師通常只需要確定必要的整體物理和性能特性來指定伺服系統。AutomationDirect 提供免費的伺服尺寸計算軟體，幫助使用者確定適合特定應用的正確馬達和驅動器。關鍵考量包括：

• 反射負載慣性。
• 扭矩和速度要求。
• 物理和環境限制。

反射負載慣性

伺服馬達有低慣性型號，提供高達 6,000 rpm 的速度，還有中或高慣性型號，速度高達 3,000 rpm。伺服調整也會影響驅動器尋求命令馬達反應的積極程度。

任何旋轉系統都會經歷與驅動負載和任何中介傳輸元件相關的慣性。所有負載慣性必須被確定並轉換為等效慣性，就好像它直接連接到馬達軸（驅動負載）。機械傳輸會顯著影響反映到馬達軸的驅動負載慣性。然後，必須選擇合適的馬達來適應反射負載慣性。

為了獲得最佳的系統響應，設計師應該努力保持反射慣性低，因為高慣性系統的響應性或帶寬會較低。對於需要最佳響應的系統，應用將受益於保持負載與馬達慣性比率儘可能低，理想情況下低於 10:1。比率高達 200:1 的系統也可以實施，但響應性會相應降低。

有幾種良好的方法可以確定給定系統的反射慣性。許多 CAD 軟體可以相當準確地確定慣性——前提是機械模型準確，並且每個組件的材料密度已正確指定。可以根據負載的粗略幾何形狀創建估算，並且有簡單的方程式可以確定典型幾何形狀（如圓柱或球體）的單個或多個組合的慣性。一個在線資源是 https://calcresource.com/moments-of-inertia-table.html，還有許多其他資源。

請注意，估算是可以接受的，因為只需對慣性有一個粗略的了解，就可以確定不匹配是否低於 50:1、10:1 等等。AutomationDirect 的 VisualSizer 在線工具可以幫助準確建模負載，以便確定慣性，從而選擇馬達。

扭矩和速度

伺服馬達系統具有連續和間歇的運行扭矩評級。了解所需的運動曲線、機械傳輸和負載後，可以確定所需的連續扭矩、峰值扭矩和馬達速度。所需的扭矩值必須在系統的適當評級範圍內。

機械傳輸裝置——如螺桿、齒條和齒輪機構、齒輪箱、滑輪和同步帶——用於改變傳遞給負載的馬達速度和扭矩，並且它們也可以將旋轉運動轉換為線性運動。作為速度減速器的傳輸提供了機械優勢，因此馬達可以以較低的速度但更高的扭矩運行負載，同時能夠抵抗負載擾動。齒輪減速還有降低一部分反射慣性的好處（附加在齒輪箱輸出軸上的負載慣性部分）。該部分負載的慣性是通過齒輪比的平方來減少的！只需確保將齒輪箱本身（或其他齒輪減速系統）的慣性計入。

SureServo2 和 LS Electric 伺服馬達具有可與鍵式聯軸器或“伺服級”夾緊式聯軸器一起使用的鍵槽軸。前者慣性較低，但後者提供更好的剛性。AutomationDirect 建議聯軸器的安全係數至少選擇為 1.25，超過應用的峰值扭矩要求。

物理和環境

伺服馬達可以以幾乎任何方向安裝，傳輸裝置也可以使用較小的馬達。傳輸裝置還提供將馬達重新定位到更有利方向的選項，無論是直線、直角還是平行安裝。

AutomationDirect 提供的大多數伺服馬達的防護等級為 IP65，適合抵抗低壓水噴射，但少數型號的防護等級為 IP67，能夠承受短暫浸入。軸密封不應浸入油中。AutomationDirect 的伺服馬達使用對流冷卻，可能需要散熱片（機器的框架通常已經足夠），但設計師應確保馬達環境能夠使冷卻功能正常運作。

其他配置考量

雖然前面提到的項目代表了主要的伺服系統考量，但設計師還應該處理幾個其他功能和技術規格。AutomationDirect 的所有交流伺服系統幾乎可以滿足任何用戶需求，具體如下：

• 電纜：帶連接器的電纜用於電源、編碼器和制動器連接，使伺服馬達的安裝和維護更容易。AutomationDirect 提供各種現成的長度，並提供連續柔性版本（如有需要）以支持任何應用。
• 命令選項：伺服驅動器包括光隔離的離散輸入和輸出，並可能提供模擬輸入和輸出，以便與外部控制器、設備和傳感器接口。驅動器與內建的馬達編碼器一起工作，或者可以與驅動設備上的第二/輔助編碼器整合，以實現真正的閉環控制。
• 自動調整：伺服驅動器必須進行調整以實現最佳運行。AutomationDirect 的伺服提供幾種調整方法：完全手動調整、輔助調整（驅動器可以在馬達運行時進行調整）、正常自動調整（用於點對點移動）和一鍵自動調整（無需任何運動的靜態分析）。SureServo2 具有高達 3.1 kHz 的完全數字速度迴路響應，以確保精確控制和簡單調整。LS Electric 也包括自動調整功能，但帶寬僅為 1.0 kHz。
• 設置/診斷：SureServo2 和 LS Electric 驅動器可以使用內建的鍵盤/顯示器或基於 PC 的軟體進行配置、監控和診斷。固件可現場升級，確保驅動器始終可以升級到最新的操作系統。
• STO：安全扭矩關閉（STO）內建於 SureServo2 和某些 LS Electric 驅動系列中，因此在緊急停止情況下無需安裝笨重的外部接觸器來斷開電源。
• 示波器：免費的配置軟體提供內建的示波器功能，讓使用者監控命令信號和運行值，以便優化系統運行，並診斷時序問題。SureServo2 提供 8 通道示波器；LS Electric 提供 4 通道。
• 保持制動器：伺服馬達可以訂購選配的 24VDC 彈簧設置保持制動器，作為安全功能，即使在斷電時也能保持馬達在原位。請注意，此制動器僅用於保持位置（通常在系統電源關閉時），而不是用於減速馬達。
• 內建運動控制器：伺服驅動器接受來自外部主控的傳統命令，但某些驅動器內建真正的運動控制器。SureServo2 允許預先定義和存儲多達 99 個索引移動以便在觸發時執行，內部運動可以是增量或絕對移動，根據需要進行排序並添加延遲。LS Electric 可以做到 64 個索引位置。
• 外部運動控制器：需要外部控制器來提供多軸操作，協調多個伺服驅動器。ProductivityMotion 控制器是操作多達 4 軸協調運動的絕佳選擇。Do-more 具有非常強大的運動控制選項。CLICK PLUS PLC 可以進行最多 3 軸的簡單運動控制。LS Electric PLC 具有許多高級運動特定功能，並支持基於 IEC 標準的語言。
• 齒輪箱：SureGear 精密齒輪箱可輕鬆與 SureServo2 馬達配合，並根據馬達提供多達 7 種齒輪比。它們使用行業標準安裝尺寸，包含必要的硬體，並具有最佳的回彈僅為 5 弧分。LS Electric 也提供定制匹配的齒輪箱，每個馬達最多可有 3 種齒輪比。所有齒輪箱都經過設計以接受來自配對伺服馬達的全額定扭矩和速度，因此設計師無需施加扭矩限制（或冒著損壞齒輪箱的風險）。AutomationDirect 提供了一個很好的選擇工具，用於選擇齒輪箱/伺服馬達配對。

選擇合適的伺服控制系統

伺服系統的高效能特性可能會讓尋求指定和配置的用戶感到畏懼。AutomationDirect 努力使伺服產品靈活且易於使用，讓所有類型的最終用戶和應用都能輕鬆接觸。AutomationDirect 提供許多資源，包括 SureServo2 伺服系統選擇工具和 LS 伺服系統選擇工具，以及完整的規格、文件/圖紙和視頻，所有資源都可以通過網站訪問，並且支持人員隨時準備幫助設計師找到適合其應用的解決方案。

所有圖片均由 AutomationDirect 提供，除非另有說明