合景注册合景平台【合景注册登录】随着工业4.0、智能制造、工业物联网等概念的深入推广与逐步落地，信息时代的高新技术流向传统产业, 引起后者的深刻变革。极大地推动了运动控制产品在工业以太网、模块化及分布式伺服驱动器、深度软件开发等领域的发展。在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变, 微电子技术、 微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备相结合, 促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。在机电一体化技术迅速发展的同时, 运动控制技术作为其关键组成部分, 也得到前所未有的大发展。

　　在大多数制造业的生产流程中,运动控制占有非常重要的地位,很多的机器、设备,包含半导体或是光电产业设备,或者是传统机械产业的车床、铣床、CNC 整合加工机具等,都包含运动控制的模块。未来，运动控制系统将跟随全球智能化潮流，走上一条高精尖的发展道路。运动控制系统主要体现出以下几个发展趋势:

　　从目前技术的发展来看，交流伺服系统的应用越来越广泛，伺服控制技术正在向数字化、智能化的方向发展，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单, 因而备受青睐。不仅如此，随着目前智能化的大幅度推广以及网络化模块化的盛行，而现代交流伺服驱动设备也同时具备着参数记忆的功能，以及自身故障的诊断和分析的功能，有的伺服电机甚至还具备了识别参数的性能，还能在发现振动的时候自动对其进行抑制，自动将编码器进行测定并归零，这些都是伺服驱动器在智能化的发展趋势。

　　这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)，可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP 的高速运算能力了，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换(FFT)的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。而网络化的重点发展方向就是如何适应高性能运动控制对数据传输的实时性、同步性以及可靠性的要求。

　　基于以太网现场总线的伺服运动控制系统以其高可靠性、快速性和稳定性成为伺服控制系统的发展趋势。随着计算机技术和网络技术的发展，以太网已经在局域网和Internet上取得了巨大成功。目前，以太网已非常成功的应用于企业信息系统的市场经营管理层、生产管理层及过程监控层。假如将以太网引入底层设备网络，不仅可以实现现场设备层、过程管理层和控制层在垂直层面的集成，更能降低不同厂商设备在水平层面上的集成成本。与传统的控制网络相比，工业以太网具有结构简单、应用广泛、软硬件资源丰富、支持所有的编程语言、易于与 Internet 连接等诸多优点。工业以太网技术已经成为工业控制领域中的一个研究热点，目前，多家自动化公司先后推出了自己的工业以太网解决方案，目前主要的5大工业以太网有：PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、EthernetPowerlink、SERCOS III。

　　随着网络通信技术的日新月异，网络通信技术的不断提高，特别是以太网技术的发展与应用的成功，运用网络通信的方式来实现传统运动控制的架构成为必然的趋势。网络伺服系统成为目前伺服系统的发展方向。把网络引入伺服控制系统，在控制器和伺服驱动器之间通过网络进行数据通信，使控制器和驱动器之间数据传输在速度和可靠性方面大大的提高，通过网络传输运动控制指令和同步信息，因此对网络的带宽和实时性的要求很高，但使得控制系统灵活性增强，同时也提供了精确的多轴同步功能。

　　采用工业以太网总线作为运动控制的网路总线，目前市面上由BECKHOFF推出的EtherCAT通讯在运动控制行业中比较火热，支持EtherCAT通讯的伺服驱动器也比较多， ETG协会负责EtherCAT通讯的推广。

　　伺服产品应具备更小的体积和安装尺寸，帮助用户在有限的时间和空间范围内进一步提升其运动控制的自动化水平并降低总的应用成本。看下最近企业发布的新产品就不难发现，各家都把小体积尺寸作为一大重点。而这一点体现在产品的技术实现上，单台驱动器轻薄的尺寸和多台驱动器可并排、等高、无缝安装的外形设计，让伺服驱动组件在电气柜内的布局更加整齐、紧凑。这个不难理解，更小的体积，意味着可以在单位空间内放置更多运动控制部件，这是提升设备自动化，完成更多精细动作的基础。但企业其实并不仅仅是在单台设备的体积的优化，为了使多轴系统的硬件空间进一步优化，其他技术也不断被应用。

　　模块化意味着操作性更强。用户可以根据实际的应用情况，将需要使用的伺服功能予以强化，使之专而精，将不需要使用的一些功能予以精简，从而降低了伺服系统的成本，创造更多的收益。而随着节约机柜空间的需求以及更加模块化的机器设计的总体趋势日益凸显，一些运控厂商都开始力推这些概念。毕竟，在工厂内，空间就是金钱，而这些模块化系统可实现更分散的设备布局，同时可以最大程度上缩小已经存在的驱动器的机箱尺寸。

　　所谓多轴一体化就是一个伺服驱动器可以带多个伺服电机。多轴一体化设计，结构更紧凑，安装更方便。从运动控制的角度出发，多轴伺服是当前的重要趋势，即单个驱动器可以处理多个轴上的运动。

　　当在大型多轴运控设备系统中使用分立式伺服驱动器与电机产品的硬件系统布局时，显然，由于伺服轴较多，设备产线上必须要有内部空间体积足够大的电气柜来承载与伺服电机数量相对应的伺服驱动器，因此，大量伺服驱动器在柜内集中安装带来的首要问题就是设备的空间占用。因此采用多轴一体化伺服驱动器，由于减少了系统器件的数量，电气柜尺寸大大减小，从而能够节约安装空间，降低系统成本。与市场同类产品相比，整机尺寸大大减小，节能低耗，更省电。采用多轴一体化伺服驱动器控制柜的布局前后对比，如下图所示。

　　驱控一体机是一款集工业PC、运动控制和伺服驱动为一体的产品，近两年，驱控一体技术在工业机器人领域盛行，驱控一体成为工业机器人领域备受热议的话题。将驱动器和控制器合二为一，不仅带来了更小的体积，也带来了更加可控的成本，因此许多工业机器人都选用“驱控一体”产品。

　　驱控一体集成运动控制系统、伺服驱动装置、及多外部扩展接口为一体，整体尺寸小，较传统运动控制电控柜可靠性更高，客户应用和布线更简单，具有集成便携、互联、低成本、高集成、模块化等特点。

　　驱控一体技术的好处在于缩小了工业机器人的体积，同时带来更加可控的成本。驱控一体基于硬件电路集成度的提高，为工控产品的小型化发展提供了必要的条件，以成本、安装尺寸和系统性方案上的优势备受市场青睐。同时，功能模块化的开发方式可以帮助用户缩减产品设计时间，提高工作效率，成为企业降本增效的不二选择。

　　但驱控一体不是简单将运动控制和伺服驱动放在一个盒子里，这只是简单的产品硬件整合，更重要的是软件的揉和，只有同时实现了硬件一体化设计以及软件一体化设计的，才能称为真正的“驱控一体”。同时这也是目前国产驱控一体产品备受争议的关键技术点。

　　现有机器人的硬件控制系统大多由 PC+运动控制卡+伺服驱动器或者PC+总线伺服驱动器组成，在典型的运动控制系统中，通常采用一个运动控制器加多个伺服驱动器的结构，传统的运动控制策略逐渐显示出高能耗、高成本、低可靠性、线缆比较复杂，安装部署比较耗时等缺点。

　　随着微电子技术的发展，工业控制器可以逐渐实现复杂紧凑高性能的要求。将控制与驱动部分进行集成，可以完成对多个伺服电机的闭环控制和驱动，节约空间，避免硬件重复浪费且降低成本，具有很高的研究价值和实用价值。

　　驱控一体技术即这种将运动控制与驱动紧密结合的架构技术，可以避免传统多轴控制结构中的许多缺点，如配线过多，对系统调试维修困难；采用基于模拟信号的数据传输，抗干扰能力差；模块繁多，相互制约等。如下图所示为驱控一体化控制系统结构，计算机作为系统控制的上位机，完成人机交互，指令解析等功能，驱控一体化控制器完成对多个伺服电机的闭环控制和驱动。计算机与控制器间通过实时以太网交互数据。

　　驱动一体化伺服电机即集成驱动伺服电机，就是一台集成了伺服驱动器的伺服电机。也就是将伺服驱动器和伺服电机整合在一起的集成一体化产品。电机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机，有时我们把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。

　　驱动一体化伺服电机，其优势包括：体积小、重量轻、部署灵活、低成本，高可靠性，集成驱动伺服电机的主要价值和意义应该在于：

　　单电缆技术是伺服驱动器和电机之间的数字高速通信接口，使得编码器仅需2芯线，从此伺服电机只需一根电缆。单电缆伺服系统最显而易见的特点是省线：只需一根电缆。

　　传统的伺服电机需要一根动力电缆和一根编码器电缆。现在，两根电缆合二为一，更少的电缆和插头意味着可以节省一半的成本，并减少故障来源和资源的消耗。由于只需一个连接器，电机的体积可以做到更小，对于中小功率的多轴伺服系统来说，这种优势尤为明显。

　　单电缆伺服技术的核心价值在于为编码器和电机反馈提供了一种数字化的通讯接口，方便用户以更少的元件和线缆承载更多数据信息，从而实现更多现场级的信息化应用场景，例如：电机故障诊断、状态监测、设备预防性维护...等等。因此，基于数字化通讯协议的单电缆伺服反馈技术，其实是工业企业实现智能制造在设备数字化层面的一个重要元素。

　　采用单电缆反馈技术，编码器电缆与电机动力电缆合二为一，更加简化的线路连接，如减少端口的类型和数量，帮助系统节省电柜内接线和配电元件的总体数量。节省布线空间，简化系统设计，降低总线成本，采用纯数字信号传输，增强抗干扰能力，提高系统的可靠性。目前市面上同时存在有四种的单电缆伺服解决方案，HIPERFACE DSL、BiSS LINE、和 SCS open link、Endat2.2。

　　其中，德国西克SICK于2011年，推出了HIPERFACE DSL®接口，开创了单电缆伺服系统，可以说是单电缆技术当之无愧的鼻祖。采用单电缆技术的伺服驱动系统逐渐进入人们的视野。最早一代的单电缆伺服电机，例如：BECKHOFF的AM8000系列和ROCKWELL的VPL系列，经过多年的发展和市场考验，已经得到了广泛的用户认可。

　　HIPERFACE DSL®协议的物理层符合RS485协议标准，传输速率达9.375 MBd。数据的传输与驱动周期同步，最短为12.1μs，并且驱动器和编码器之间的电缆最长可达100米。

　　HIPERFACE DSL® 数字伺服反馈技术引领了机器人发展的方向，为单电缆机器人的发展打下了坚实的基础，由于整体机器人的布局减少了将近一半的电缆数量，使得整个机器人的布线更加简洁紧凑，并且重量也更轻盈，机械运动的惯量也达到更小，最终达到更少的能耗。更低的成本，更少的空间需求，更高的性能以及更高的安全性和可靠性，机器人的最终使用者将从中获得最大的收益。

　　•传统的编码器使用多芯电源和通信电缆，并且很容易受到外界的电磁干扰。这就要求必须使用多重屏蔽的编码器电缆和动力电缆，才能保证良好的通讯质量。动力电缆与编码器电缆分别独立布线，由各自的插座引出电缆连接到驱动器。

　　• 与传统不同，采用HIPERFACE DSL协议将编码器的电源与通信耦合在一起（类似固定电线芯线进行数字通信。由于采用了超强抗干扰的数字通信技术，这2芯线还可以被集成进电机的动力电缆中，取代原先电机温度传感器的2芯。这样一来，伺服电机不再需要额外的编码器电缆。相应的，电机上的编码器插座和插头也不再需要。

　　SIEMENS 最新发布的 SINAMICS S210 驱动器和 SIMOTICS-1FK2电机也采用了单电缆技术。但与前述三种开放（开源）单电缆方案不同的是，SIEMENS采用的是其独有的传动系统接口：DRIVE-CLiQ。

　　单电缆反馈技术在高集成度的伺服系统中起到了非常重要的作用。越来越多的证据表明该接口技术是电气驱动技术的未来。只要关注到机器制造商和最终用户，我们不难发现已经有越来越多的用户开始在设备中使用单电缆反馈技术的伺服产品了，尤其是部件供应商，正在迎合这一市场发展方向开发更多合适的产品。

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　　本文为剑指工控原创技术类文章，2020年7月17日首次发表于《剑指工控》公众号。

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