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多合一:一根电缆实现所有应用

伺服驱动产品中的单电缆技术——十年以上的实践经验


本文探讨了在业内普遍认可的相关话题以及关联行业的一些问题,比如:在何种情况下值得考虑采用分布式驱动器技术?在什么情况下最好在控制机柜内保留变频器?与采用高防护等级的可靠“室外技术”设备的高投入相比,集中解决方案中屏蔽电机电缆的额外成本有多高?关于伺服电机的单电缆技术,机器和厂房工程人员现在也再次面临上述同样的问题。在这个领域,科尔摩根公司早在十年前就向市场推出了相关方案,现在,科尔摩根提供的是作为标准同步伺服电机的AKM系列产品。

科尔摩根在开发第一台采用单电缆技术的AKM同步伺服电机时,其创新理念主要根植于客户解决方案。如今,在开发过程中的这种密切关联的合作关系被称为“联合研发”。此后所积累的单连接电缆技术经验都表明了这种技术的明显优势 - 目前很多其他制造商都在重新开发这种技术 - 不过只有在合适的应用背景下,这种技术才能得到全面的发展。
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可靠的信号传输:得益于高性价比反馈系统,单电缆解决方案在任何不需要高分辨率编码器的应用中都是非常受欢迎的备选方案。因此,科尔摩根也为新的AKMH不锈钢防水系列电机配备了这一系统。
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“食品级”或“可冲洗”的AKM同步伺服电机设计已成功应用于包装和食品行业
  快速路由

在机械工程行业整个增值链内的各个环节中,都能充分体会到使用单电缆连接伺服电机与驱动器的优势。因为来自同步机器的编码器信号通过电机动力电缆传输,所以不再需要编码器接口。通过节省一根电缆和两个插头,节约了成本。对布线空间要求的减少缩短了安装时间。当然,为了实现这种优势,对电缆本身也提出了较高的要求。在知名电缆制造商的标准产品方案中,都包含电机、编码器电缆、和接头等内容。通过量产以及稳定的技术,可以降低成本。但是,如果需要将反馈和电机电缆插入到一个外壳结构中,就需要采用特殊的连接件、阻抗、尤其是特殊的屏蔽。因此,这种解决方案不再被称为“市场标准”,并且会延长调试时间,不过从总体来看,这种方案更加便利,更能减少工程故障,而传统的旋转编码器则达不到这种效果。另外一个优势在于:通过数字位置反馈功能,将电机内的监控温度传感器集成在SFD中,这同样不需要额外的连线。

如果在一个应用系统中需要更高的反馈系统分辨率,那么可以使用一个带Hiperface DSL接口的伺服电机 - 同时无需更换电缆。科尔摩根设计了非常出色的单电缆伺服解决方案。在这种方案中,可以从数字旋转编码器SFD以及数字编码器通过一根通用型电缆来发送信号。这种多功能系统的优势在于:由于使用一根电缆来实现所有功能,从而降低了仓储成本,减少了规划和文件记录过程中存在的变数,同时因为增加产量而降低了价格,进而增加了采购机会。在基本配置中,AKM同步伺服电机带有一个双极空心轴旋转编码器,并带有支持SFD反馈的AKD伺服驱动器。相关选件包括Hiperface/DSL、BISS、或EnDat编码器和一个Comcoder(带换向功能的增量编码器)。这些产品的价格各不相同。在不考虑价格成本的情况下,50米长度被视为电缆的临界长度,如果超过这个长度,就容易出现故障。另外,对于不断增加整体集成度的方案,电缆制造商也持有怀疑态度。这些方案存在一些不足之处,比如,如果一根电缆折断,那么就必须更换整个电缆(即使其它电缆功能完好)。
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科尔摩根也为AKD PDMM可编程多轴控制驱动器提供了单电缆技术。
 
SFD:数字旋转变压器接口

基于总体拥有成本和全周期成本原则,科尔摩根为其产品精心设计了解决方案,可以帮助客户从一开始就在伺服电机和伺服驱动器之间的环节实现节约。与其它行业解决方案相比,其连接距离更短,因为在科尔摩根开发的方案中,可以从一开始就不断利用旋转变压器,而不是采用成本更高的反馈系统。在这个领域,可以采用大约十年前开发的智能反馈设备,利用这种成本较低,性能可靠的技术实现电机和调节器上所用的24位分辨率数字反馈系统。数字旋转变压器(SFD接口)的主要任务是在内部将模拟编码器信息转换为抗干扰的纯数字RS-485信号。科尔摩根通过出色的模拟-数字转换技术,为满足自动化系统等领域的电机自动识别奠定了基础。公司自己的SFD产品也被配备了一个EEPROM,以电子ID铭牌的形式保存了所有相关电机数据。通过这种配置,可以在驱动器上自动设置,并通过驱动器内的所有具体电机参数来识别该ID。在实际应用中,能够帮助用户缩短反馈系统的接线,设计具有合理功能的驱动器解决方案,从而达到具有竞争力的产品价格,即使采用单电缆连接技术,也可以从一个标准电机和伺服驱动器套件进行产品扩展。在机器和厂房工程领域,通过标准化,可以减少部件种类,从而降低与库存和保存备件相关的成本。在性能方面,AKM系列有28种外壳和长度组合形式,可以满足多种应用需求,其固定转矩范围从0.16到180 Nm。高达8,000rpm的速度还能满足高速应用需求。因为功率密度更大,所以这些电机可以达到与小型动力包产品类似的性能。

业务底线

在通过一根分布式且具有较长电缆的轴进行空间扩展的机器中,可以最大限度发挥单电缆技术的优势。对于分布式驱动技术来说,长路径也是一个关键问题,其差别在于:伺服驱动器是安装在电机旁边还是直接集成在电机内。使用单电缆连接技术传输对系统功能非常重要的反馈信号已经成为新的发展趋势,这就使得这种安装技术的屏蔽和补偿问题变得更加重要。因此,在相关产品方案中,迄今为止所开发的电源电缆都不在考虑范围内,而是采用具有改良阻抗的专用屏蔽电缆。
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长期以来,科尔摩根一直借助其智能反馈设备(SFD),为客户提供数字反馈系统,这种系统综合了众多常见应用功能,并统一命名为“数字旋转变压器SFD”。

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单电缆技术可以为机器和设备制造者从一开始就提供可观的节省效果。
 
 

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作者:

工程学硕士 Jorg Peters,

科尔摩根欧洲产品市场部经理,拉廷根

图片:科尔摩根

 

 

 

 

 

关于科尔摩根

 

科尔摩根(Kollmorgen)是全球领先的运动控制系统和配件供应商。凭借七十多年的运动控制设计与开发专业经验,科尔摩根公司提供的突破性解决方案便捷可靠,性能无与伦比。科尔摩根拥有世界顶尖的运动控制理念、业内领先的产品质量、以及集成和定制产品的专业能力,致力于为设备制造商创造毋庸置疑的市场竞争优势。

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