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一文帶你了解伺服選型全過程，再也不怕買錯啦
伺服系統(tǒng)的設(shè)計選型所涉及到的產(chǎn)品主要包括：用于對系統(tǒng)中各軸運動姿態(tài)進行控制的自動化控制器；將電壓、頻率固定的交流或
直流電轉(zhuǎn)換為伺服電機所需的受控動力電源的伺服驅(qū)動器；把驅(qū)動器輸出的交變電源轉(zhuǎn)換為機械能的伺服電機；將機械動能傳遞到最終
負載的機械傳動機構(gòu)……
考慮到市面上工業(yè)類伺服產(chǎn)品的門派系列有很多，在進入到具體的產(chǎn)品選型之前，我們首先還是有必要根據(jù)已經(jīng)了解到的設(shè)備運動
控制應(yīng)用的基本需求，對包括控制器、驅(qū)動器、電機和減速機…等在內(nèi)的伺服產(chǎn)品進行比較初步的篩選。
這種篩選，一方面是基于設(shè)備的行業(yè)屬性、應(yīng)用習(xí)慣和功能特點從眾多品牌中找出一些潛在可用的產(chǎn)品系列及方案組合。比如：風(fēng)
電變槳應(yīng)用中的伺服主要是槳葉角度的位置控制，但其所使用的產(chǎn)品卻需能適應(yīng)嚴(yán)苛惡劣的工作環(huán)境；印刷設(shè)備中的伺服應(yīng)用以多軸之
間的相位同步控制為主，同時會比較傾向于使用具備高精度套準(zhǔn)功能的運動控制系統(tǒng)；輪胎設(shè)備更注重多種混合運動控制與通用自動化
系統(tǒng)的綜合應(yīng)用；塑機設(shè)備則會要求系統(tǒng)為產(chǎn)品加工過程中的扭矩和位置控制提供專門的功能選項和參數(shù)算法…。
另一方面，則是從設(shè)備定位的角度出發(fā)，根據(jù)設(shè)備的性能級別與經(jīng)濟性要求，在各品牌中選擇相應(yīng)檔位的產(chǎn)品系列。比如：如果對
設(shè)備性能沒有太高的要求，同時又希望能節(jié)省預(yù)算，則可選用經(jīng)濟款產(chǎn)品；反之，如果對設(shè)備運行在精度、速度、動態(tài)響應(yīng)…等方面的
性能要求較高，那么自然是有必要為之增加預(yù)算投入的。
此外，還需要兼顧包括溫濕度、粉塵、防護等級、散熱條件、用電標(biāo)準(zhǔn)、安全級別以及與現(xiàn)有產(chǎn)線/系統(tǒng)的兼容性…等方面的應(yīng)用環(huán)
境因素。
可見，對運動控制產(chǎn)品的初選很大程度還是以各品牌系列在行業(yè)內(nèi)的業(yè)績表現(xiàn)為基礎(chǔ)的，同時，應(yīng)用需求的迭代升級、新品牌、新
產(chǎn)品的入局，也會對其產(chǎn)生一定影響。因此，要做好運動控制系統(tǒng)的設(shè)計選型，日常的行業(yè)技術(shù)信息儲備還是十分有必要的。
在對可用的品牌系列進行初步篩選后，我們就可以針對它們進一步展開運動控制系統(tǒng)的設(shè)計選型工作了。
此時，需要根據(jù)設(shè)備中的運動軸數(shù)和功能動作的復(fù)雜程度，確定系統(tǒng)的控制平臺和整體架構(gòu)。一般來說，軸數(shù)決定了系統(tǒng)規(guī)模的大
小，軸數(shù)越多，對于控制器容量的要求也就是越高，同時也越是有必要在系統(tǒng)中使用總線技術(shù)，以簡化和減少控制器與驅(qū)動器之間線路
連接的數(shù)量。而運動功能的復(fù)雜程度，則會影響控制器性能等級和總線類型的選擇。簡單的實時性要求不高的速度和位置控制只需要使
用普通的自動化控制器和現(xiàn)場總線；多軸之間的高性能實時同步(如電子齒輪和電子凸輪)，則要求控制器和現(xiàn)場總線都具備高精度的
時鐘同步功能，也就是需要使用能夠進行實時運動控制的控制器和工業(yè)總線；而如果設(shè)備需要完成多軸之間的平面或空間插補甚至集成
機器人控制，那么對于控制器性能等級的要求就更高了。
基于上述原則，我們基本上已經(jīng)能夠從前面初選出來產(chǎn)品中選出可用的控制器，并將它們落實到比較具體的型號了；再依據(jù)現(xiàn)場總
線的兼容性，便可從中挑選出可與之匹配的驅(qū)動器及對應(yīng)的伺服電機的選項，但這還只是停留在產(chǎn)品系列的階段。接下來，我們就需要
根據(jù)系統(tǒng)的動力需求來進一步確定驅(qū)動器和電機的具體型號了。
按照應(yīng)用需求中各軸的負載慣量和運動曲線，通過簡單的物理學(xué)公式F=m·a或者T=J·α，不難計算出它們在運動周期中各時間點的
扭矩需求。我們可以將各運動軸在負載端的扭矩和速度需求按照預(yù)設(shè)的傳動比折算到電機側(cè)，并在此基礎(chǔ)上加以適當(dāng)?shù)脑Ａ?，逐一推?br />
出驅(qū)動器和電機的型號，快速擬定系統(tǒng)草案，以便在之后進入大量細致繁瑣的選型工作前預(yù)先對備選產(chǎn)品系列進行性價比的評估，從而
縮減備選方案的數(shù)量。
不過，我們并不能將這個由負載扭矩、轉(zhuǎn)速需求和預(yù)設(shè)傳動比預(yù)估出來的配置作為動力系統(tǒng)的最終方案。因為，電機的扭矩和速度
需求是會受到動力系統(tǒng)的機械傳動方式及其速比關(guān)系的影響的；同時，電機自身慣量對于傳動系統(tǒng)來說也是負載的一部分，電機在設(shè)備
運行過程中所驅(qū)動的是包括負載、傳動機構(gòu)和自身慣量在內(nèi)的整個傳動系統(tǒng)。
從這個意義上說，伺服動力系統(tǒng)的選型，并非僅僅是根據(jù)各運動軸的扭矩和轉(zhuǎn)速…等傳動參數(shù)的計算去選取電機和驅(qū)動器(充其量
可稱作估算吧)，而是要為系統(tǒng)中的每個運動軸匹配合適的動力裝置。原則上它其實是基于負載的質(zhì)量/慣量、運行曲線、以及可能的機
械傳動模型，將各款備選電機的慣量值與驅(qū)動參數(shù)(矩頻特性)代入其中，比較其扭矩(或力)與速度在特性曲線中的占用情況，找到
組合的過程。大體來說，需要經(jīng)歷以下幾個步驟階段：
基于各種傳動方式選項，將負載與各機械傳動組件的速度曲線和慣量映射到電機側(cè)；
將各備選電機的慣量與映射到電機側(cè)的負載與傳動機構(gòu)的慣量疊加，結(jié)合電機側(cè)速度曲線得出扭矩需求曲線；
比較各種情況下的電機速度扭矩曲線的占比和慣量匹配情況，找到驅(qū)動器、電機、傳動方式和速比的組合。
早前“選型的姿勢”一文所描述的其實就是這樣一個動力系統(tǒng)匹配的流程。
由于上面這幾個階段的工作是需要針對系統(tǒng)中的每個軸展開的，因此，伺服產(chǎn)品的動力選型工作量其實是非常巨大的，運動控制系
統(tǒng)設(shè)計的絕大部分時間通常都會消耗在此處。前面提到要通過扭矩需求預(yù)估型號，以減少備選方案數(shù)量，其意義也就在于此。
而在完成這部分工作之后，我們還應(yīng)根據(jù)需要確定驅(qū)動器和電機的一些重要的輔助選項才能最終確定它們的型號，這些輔助選項包
括：
如果選用了共直流母線型驅(qū)動，需根據(jù)柜體分布情況確定整流單元、濾波器、電抗器和直流母線連接組件(如：母線背板)的型號
；
根據(jù)需要為某個(些)軸或整個驅(qū)動系統(tǒng)配備制動電阻或再生制動單元；
旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸是鍵槽還是光軸，是否帶抱閘；
直線電機需根據(jù)行程長度確定定子模塊的數(shù)量；
伺服反饋協(xié)議及分辨率，增量還是，單圈還是多圈；
…
至此，我們就已經(jīng)將各備選品牌系列在運動控制系統(tǒng)中從控制器到各運動軸伺服驅(qū)動器、電機的型號乃至相關(guān)機械傳動機構(gòu)的關(guān)鍵
參數(shù)都確定下來了。
最后，我們還需要為運動控制系統(tǒng)選定一些必要的功能組件，例如：
幫助某個(些)軸或整個系統(tǒng)與其他非伺服運動組件進行同步的輔助(主軸)編碼器；
用于實現(xiàn)高速凸輪輸入或輸出的高速I/O模塊；
各類電氣連接線纜，包括：伺服電機動力電纜、反饋和抱閘電纜、驅(qū)動器與控制器之間的總線通訊電纜...；
…
這樣，整個設(shè)備伺服運動控制系統(tǒng)的選型工作就基本完成了。
總的來說，設(shè)備自動化系統(tǒng)中的伺服產(chǎn)品的選型還是一個比較繁瑣復(fù)雜的過程。尤其是隨著目前制造業(yè)自動化程度的不斷提升，運
動控制技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用日趨普及，產(chǎn)線設(shè)備中的伺服產(chǎn)品越來愈多，且各項要求也越來越高，這些都讓設(shè)備運動控制系統(tǒng)的選型變
得更具挑戰(zhàn)。在這種情況下，引入相應(yīng)的伺服選型工具就顯得十分必要了。當(dāng)然，這就是另外一個話題了。
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ARCE2025亞洲機器人大會暨展覽會
展會城市：廣州市展會時間：2025-12-19