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【技术进展】集成式电机 :更少的组件和更大的灵活性

来源:控制工程网2020.04.27阅读 3228

  许多工业应用在其制造、生产或机器人系统中,都依赖基于伺服或步进电机的运动控制器。传统上,它们由电机、驱动器和连接它们所需的电缆组成。为了满足不断减少自动化系统尺寸的需求,机器制造商通常会花费大量时间安装电机和驱动器www.cechina.cn,并在配置中布线以减小所需的空间。
  与单独的电机和驱动器组件相比,集成式电机通过将伺服或步进电机与板载驱动器和控制器相结合,可以节省大量空间。 集成电机的设计,旨在减少系统中的组件数量、简化布线,相较于传统设计,可以降低成本。通过改用集成电机,机器制造商可以释放宝贵的空间,以更好地容纳其它关键组件,例如传感器、物料传输机构和操作员界面等,同时减少机器的总体占地面积。图1显示了集成电机如何为运动控制应用提供更整洁的设计。

图1:左边是200W的伺服电机和伺服驱动器,带有连接电机和驱动器所需的电源和反馈电缆。 右边是一个200W的集成伺服电机,它整合了电机和驱动组件,并提供相同的速度和转矩性能。 在机器设计中使用集成电机可降低复杂性并节省空间。本文图片来源:Applied Motion

  集成式步进电机(参见图2)将驱动电子设备安装在电机的背面,靠近反馈设备或沿着电机的一侧。电源、通信和输入/输出(I/O)等电气连接,也位于电机的背面或侧面附近控制工程网版权所有,通常在某个表面组合在一起。 无需其它外部电子组件即可驱动或控制电机。

图2:将电机和驱动组件组合在一起的集成式步进电机的分解图。

  集成式伺服电机的结构与之类似,伺服驱动器安装在电机的后部,所有电子连接都组合在一起以便于操作。 磁编码器可以为伺服控制提供高分辨率的反馈信息。 磁编码器具有高分辨率、体积小而坚固的特性。
  集成式电机的优势
  一般来说,集成式电机具有以下4个优点:
  1.更少的组件和简化的接线:驱动和控制用电子设备与电机安装在同一外壳中,因此集成电机不需要额外的电子设备用于控制。用于电源、通信和I/O的连接器易于访问。机器制造商可以将命令信号从中央处理器发送到集成电机。许多集成电机包括对工业网络协议(包括EtherNet/IP,Modbus和CANopen)以及诸如离散I/O接口等控制模式的板载支持。
  2.更小的控制面板:通过消除单独的驱动器组件,大大减少了容纳它们的控制面板的尺寸和数量。在某些情况下,系统根本不需要控制面板。
  3.简化产品选择:将电机和驱动器集成到一个单元中,有助于消除有关驱动器/电机兼容性、电缆长度和其它系统选择问题。
  4.节省成本:由于简化了组件的选择和安装,可以节省时间成本;由于减少了系统组件的数量,可以节省材料清单费用。
  接线更简单
  在例如控制工程网版权所有,在传统的4轴运动控制设计中,使用了独立的电机和驱动组件(如图3所示)。安装在控制面板内的4个伺服驱动器,以及直流电源和可编程逻辑控制器(PLC),必须连接到安装在机器周围的4个伺服电机。每个轴上的就地开关/传感器需要额外的电缆才能连接回伺服驱动器,总计需要12根电缆实现从控制面板到机器的连接。切换到集成式电机的运动控控制系统后,控制面板和轴之间的电缆减少到5根。

图3:传统的4轴运动控制设计,具有独立的电机和驱动组件。

  更小的控制面板
  相同的4轴运动控制解决方案,但是用集成式电机取代单独的伺服电机和驱动组件(如图4所示)后,对组件、布线和控制面板的空间需求都减少了。控制面板内部仅安装了直流电源和PLC,从而减小了尺寸。在控制面板和轴之间不需要电机电源或反馈电缆。开关/传感器连接到集成电机,从而减少了返回控制面板的电缆数量。

图4:等效的4轴系统具有集成的电机,而不是单独的电机和驱动器。

  仅需的电缆是从控制面板到轴的一根直流电源电缆和一根网络电缆。 集成电机上的双端口通信连接可以使用菊花链网络连接。此外,由于不需要使用单独的伺服驱动器,因此控制面板的尺寸减小了50%。
  简化产品选择
  集成电机还简化了产品规格匹配和选择。在选择单独的电机和驱动器组件时,用户会遇到以下问题:
  ●哪种驱动器最适合该电机?
  ●必须使用哪些电缆连接电机和驱动器?
  ●驱动器是否支持我的编码器类型?
  集成式电机消除了这些以及其它类似的问题,因为驱动器已经针对电机优化了规格和配置,而且驱动器和电机之间也不需要电缆连接。尽管这些细节看似琐碎,但它们对用户有切实的影响,可以简化产品选择的过程。在大多数情况下,集成电机和驱动器比使用单独的电机和驱动器便宜。
  使用同等功率的集成式电机时CONTROL ENGINEERING China版权所有,扭矩和速度与单独的电机和驱动组件基本相同。 图5比较了集成和非集成电机和驱动器的转矩-速度曲线。在大多数应用中,两者的差异都几乎可以忽略不计。

图5:200W伺服电机和驱动器与200W集成伺服电机的转矩速度比较。 两者之间的峰值转矩、连续转矩和额定速度的差异几乎可以忽略不计。

  集成电机的限制
  集成式电机的好处是实实在在的www.cechina.cn,但并不是对每种应用都是最佳选择。目前可用的集成式电机可以使用现成的工业电源。在伺服系统中,其连续功率最高可达600W,步进电机等级最高可达NEMA 34。
  连续提供超过600W(最高6kW)功率的集成式电机,需要直接为集成电机提供交流电压,或者需要配置以安全方式生产高直流电压的直流电源系统。
  集成式电机中增加了转换组件,使封装的整体尺寸大得多,可能在一定程度上抵消了所节省的空间。复杂的高压直流电源系统,也会增加成本,使产品选择不再简便。由于这些原因,机器制造商在低于600W的应用中采用集成式电机通常受益最大,在此类应用中最常采用的是现成的工业电源(一般为48V直流电压)来为集成式电机供电。对于要求连续运行功率超过600W的应用,在大多数情况下,使用单独的电机和驱动器组件仍然是最佳选择。
  选择集成电机时,要根据不同应用的需求权衡其优势和不足。是否能够节省空间和成本,简化产品选择和实现应用中的便利性,是在用集成式电机替换标准电机时需要仔细考虑的问题。 (作者:Eric Rice)

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