提供卓越伺服电机控制功能的简化版机器设计方法
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工业机器制造商或集成商经常提出这样一个问题，如何利用伺服技术实现简洁的机器设计和高效的功率转换，来满足预期的性能要求。这是一项复杂而专业的任务，即便在充分了解机器工艺流程的基础上仍具有相当大的难度。
现有的各类技术带来了机器设计方面的多种可能性，以及独一无二的操作工艺。因此，如果对需要执行的工艺过程存在误解或知识缺口，不确定性就会成倍增加，从而大大提高复杂性和风险性。本文的目的是介绍伺服电机应用的简化版设计方法，来克服许多最初的挑战。该方法以几个不同但典型的机器轴配置和要求为基础，强调了风险管理、性能优化和开发时间的缩短。
机器设计的规划阶段无疑存在很多需要解决的问题。我们要尽可能地评估所有可能会出现的情况，以减少失败风险，同时，反复思考不同的组合方案，考虑所有的“ 以及”、“ 如果” 、“ 但是” 等情况，这是一系列极其严苛的任务。因此，相对于总体操作过程和需要执行的任务，构筑机器功能和每个轴的基础知识至关重要。首先要充分了解实现机器功能的特定过程，全面考虑各个细节，辨别不确定因素，权衡利弊，同时认识到可能会有一些考虑不到的地方, 这可以延伸到可用运动控制技术的优势和劣势，而这些控制技术被考虑和应用在机器的每个轴。
前期尽可能深入地了解情况无疑会减少后续潜在的问题，并大幅提高成功率。此外，设计的核心是对具体可用技术及其接口的风险管理，涉及对机器功能的利弊权衡和决策优先权。
进一步评估技术及其带来的不同性能
对某个生产过程来说是高性能的技术，对其它生产过程不一定如此。所以，机器制造商对他们熟悉的技术进行调配是非常正常的。但是，新问题通常需要新技术来解决。当机器改造或者新机器的设计需要应用闭环（伺服）运动控制技术时，经常会出现一些误解。例如，在“利用先进技术进行机器优化需要什么”，以及“现在对于优化机器性能需要什么”的理解上会有误解。正确使用闭环运动控制技术需要权衡该技术的功能、利弊，以及其他可以提高新机器性能的因素。
以前的技术包括但不仅限于液压执行器、变速电机、气动或者任何典型的开环开关控制，以及某些情况下的半闭环或者伪闭环技术。即使是更为前沿的闭环控制概念，也必须与旧概念一起综合考虑和权衡，才能最大限度地降低风险。例如，通过一个虚拟主轴运行机器并控制所有轴，可能会在很大程度上提高性能。但是，如果一个轴主要是由两个或者两个以上的电机驱动（ 通过机构 / 负载刚性耦合或者通过负载间接耦合），那么电机驱动器需要通过虚拟主轴的控制才能与其它驱动器联系，并不能直接联系，由此造成的额外延迟可能影响机器运行速度。
一般来说，任何工艺如果要提高运行速度，它需要机器有加快响应的性能，才能保证运行质量。换言之，机器必须要能在提速后继续正常运行，并在产品和过程本身的限制内对所有的命令和干扰进行响应。
通常，一个实际工艺过程的时间是固定的，在现有技术条件下无法提速，只能加快产品传送时间。这进一步要求提高特定轴在加速/ 减速时间内的峰值马力（hp）要求，其计算方法是基线马力要求乘以速度和转矩的增加比率（速度和转矩每增加15%，马力峰值要求增加32.25%）。当把一个加工机床从某种开环，开关（继电器控制）控制或者伪闭环控制方式转换为闭环伺服电机控制时，涉及许多问题，这些问题对一个新伺服机器设计师来说并不那么直观。
可以确认以下问题：
惯量。以往在设计机器的某些特定轴时，惯量并不被关注，甚至不在考虑范围内。但是对于其他一些轴，一台卓越的机器需要应用高系统惯量（负载和执行机构），来防止任何干扰影响产品质量。我们希望通过高性能伺服提高速度，进而提高生产效率，同时保证同样或者更高的质量水平。这就要求和大部分旧设计相比，机器的轴要有更高的带宽能力，来感知指令、产品的变化和任何干扰。只有这样我们才能迅速响应错误（命令和实际执行值之间的差Δ）并采取正确的纠正措施。因此，我们通常需要使用低惯量系统。对于需要点到点运动或者实时纠正的持续或者假持续过程来说更是如此。同时，由于生产效率提高，能耗成本也会降低。
齿轮传动的机械优点。过去的机器设计经常遇到另一个问题是轴机构的齿隙。这类轴运动通常只被认为是很细微的潜在工艺问题。因为在单方向负载驱动中，驱动力通常停留在齿轮啮合面的一侧，不存在背隙。但是，由于伺服电机需要进行恒速调整，所以经常出现+/- 移动。
同步皮带的机械优势。对于很多过去设计的机器（特别是单方向驱动设计），皮带产生的柔性在尺寸够大确保不会产生断裂的情况下，对工艺而言通常不是主要问题。但是，由于伺服电机进行恒速调整，皮带经常出现+/- 移动导致皮带柔性的增加。通常我们会将皮带加宽一倍（根据单方向驱动设计计算）来减少柔度，但是这可能导致皮带过宽。在这种情况下，设计师需要尽可能利用空间允许的宽度，在条件允许的情况下，通过选择更结实或者更厚的皮带来减少皮带柔性（增加刚性）。{ 注释： 请注意， 皮带厚度增加可以减少柔性（预期效果），但是也会降低自然谐振频率（非预期效果），这取决于频率是否在控制系统的频谱范围之内。除此之外，还有一个问题必须考虑到，即皮带增宽增厚会导致更大的侧负载（轴承、皮带张紧器、皮带轮和/ 或电机都可能受到影响）。}
对于很多设计师来说 ，这些新问题一开始可能难以攻克。因为过去应用的各类开环开关控制和伪闭环控制技术的功能现在已经完全或者部分成为新机器设计的潜在障碍，影响生产效率和产品质量的提高。因此，为了简化设计，实现风险管理、性能优化并减少开发时间，机电设计师需要了解机器、电气、电子、控制、过程和编程领域的知识，为新设计付出更多的努力。
尽可能消除新设计中的潜在工艺问题：
一般来讲，如果通过伺服系统技术来实现这个总体目标，设计师需要提高新机器每个轴的带宽响应能力。为了完成这个任务，我们必须考虑很多变量。具体包括摩擦负载、任何外部负载（重力或者其它作用力）、负载折合至电机轴端的惯量、可容许误差范围内的稳定性以及每个轴的齿隙和柔性。对于典型的伺服机构来讲，通过刚性（压缩等）耦合等方式来减少柔性是可取的。
对于很多直驱轴而言，钢在电机和负载间的柔性是一个限制因素。钢柔性可以影响伺服控制环的最终带宽。机器的框架柔性甚至也会对轴带宽响应能力、运动稳定性和可控性产生巨大影响，但是老技术可能根本不会考虑这个问题。例如，为了实现卓越轴带宽响应能力，增加可控性和降低使用模块化直驱电机的风险，驱动轴（如果适用）的外部尺寸需要尽可能大，同时整体轴长度需要尽可能短。（此处尽可能使用较大内部尺寸的轴承来支持系统带宽。）
模块化直驱电机技术利用机器轴承支持全框电机转子，便于安装，且通常可以减少对机器机构（减速机、皮带轮和皮带等）的需求。科尔摩根是发展直驱电机技术的先驱。
优先考虑风险管理和利弊权衡
风险管理的控制因素是机器功能连同选定工艺去完成每个轴的特定任务，这点如何强调也不为过，因为它适用于新产品的生产要求，而不是新机器或者原始机器的设计。但要牢记的是，对于所有新设计，特别是概念验证设计，对尚未实现生产的机器进行成本控制是不合理的。通过现有伺服系统技术，在保证机器功能和特定过程的情况下，对每个轴进行决策和权衡利弊来改变机器的运动控制技术和控制功能，将大幅度降低风险，并提高机器设计的成功率。
在理解了特定工艺和机器功能之后（包括各个细节和基本安全要求），我们现在可以开始通过问问题去决定每个轴的工作方向和可能的解决方案。下面一组问题并不全面，但为简化伺服电机系统每个轴的设计方法提供了良好的范例。
轴相关问题：
1. 讨论中的轴是否需要点到点运动（典型的位置模式运行）？
a. 尽可能减少负载惯量和其他机器结构惯量。例如，尽可能使用铝来代替钢，和/或去除部件上的金属部分，尤其是部件外径较大且无需使用金属时。记住，旋转部件的中心惯性矩与其直径的四次方成正比。
b. 尽可能减少摩擦力：尽量使用轴承而非衬套，使用滚珠丝杠而非T型丝杠等等。
c. 尽可能减少机构柔性（必要时，可以使用成本与功能曲线拐点）。
d. 尽可能减少、最小化或者消除机构背隙：皮带相对于减速机，减速机相对于直接驱动，等等。
e. 尽可能减少负载和电机之间的可移动部件，尽可能确保机构传动的刚性。例如，齿条和齿轮机构必须咬合，在高速加速或者减速过程中，齿条/齿轮不可脱落。
f. 实际应用中，尽量使用刚性连接（压缩方式等）或者等效耦合的方式，尽可能减少潜在的机器绕卷和相对大惯量的耦合方式。
g. 对于分度应用（特别是高速），尽最大可能地提高反馈分辨率（成本与功能曲线拐点）。
h. 确保控制方法符合安全法规和其它具体规定。
i. 预先考虑适用于过程和安全法规的基本维护要求。
2. 讨论中的轴是否需要恒定运行速度（典型速度模式运行）？
a. 实际应用中，必须考虑长期和短期的速度容许误差：
如果短期误差起主导作用（某个时间单位内规定的短期误差更小），那么高于正常值的预期负载惯量可能更合适。（需要理解过程，对某一个具体的过程可以使用任一方法：最小化的负载惯量（配以最大反馈分辨率）或者特意设计的更大的负载惯量（以减少短期反应），没有具体的过程信息很难判断。）
如果长期误差起主导作用（某个时间单位内规定的严格的长期误差），那么最好尽量增加反馈分辨率，减少负载和机构惯量，使伺服维持卓越控制功能和最高带宽。
如果过程需要在两方面都达到卓越效果：减少负载惯量与机构惯量，以及尽可能提高反馈分辨率（利用成本与功能曲线拐点）。
b. 实际应用中：
尽可能减少负载惯量与机构惯量，从而提高带宽响应。
尽可能减少摩擦。
尽可能减少静摩擦，特别是在低速过程应用中。
消除机构齿隙。
尽可能减少机构柔性，应用时，使用刚性（压缩等）或者等效耦合，尽可能减少负载和电机之间移动部件。
c. 尽可能提高反馈分辨率（成本与功能曲线拐点）。
d. 控制：如果可能，在恰当的时间和位移范围内，使驱动在位置模式下运行（在位置环中运行时，通常可以实现更有利的恒速误差）。
e. 确保拟议的控制方法符合安全协议和其它具体规定。
f. 预先考虑适用于过程和安全法规的基本维护程序要求。
3. 讨论中的轴是否需要连续出力以驱动恒定的负载（典型转矩模式）?
a. 因为静摩擦很容易引起问题，所以尽可能减少摩擦。
b. 如果在堵转状态下施加外力，电机必须选型合适。这并不是一项典型的伺服应用（许多伺服电机（如果不是绝大部分的话）都是额定低转速（失速转子状态），这一速度足以保证均衡散热。）。在需要时联系电机制造商。
c. 确保拟议的控制方法符合安全法规和其它具体规定。
d. 预先考虑适用于过程和安全法规的基本维护程要求。
4. 讨论中的轴是否需要运行在极低速度状态?（<=1_rpm）?
a. 尽可能减少机器结构的摩擦与粘滞。机器机构的摩擦与粘滞特性很容易引起问题。
b. 消除机构齿隙（背隙）。
c. 尽可能减少机器结构柔度，进行机器设计时，尽量使用刚性体（压缩等）或者等效耦合部件，并尽可能减少负载和电机之间的移动部件。
d. 尽可能提高或者降低反馈分辨率，使用较高分辨率成本曲线拐点。
e. 控制：如控制涉及速度应用与位置之间的权衡，如果可能，让驱动在恰当的时间和位移范围内在位置模式下运行（伺服电机在进入位置环时，通常可以实现更有利的恒速误差）。
f. 确保拟议的控制方法符合安全法规和其它具体规定。
g. 预先考虑适用于过程和安全法规的基本维护程序要求。
5. 讨论中的特定轴是否：垂直？
a. 使用安全抱闸（电机内部或者外部负载抱闸）和/或增加配重。
b. 使用安全抱闸时，确保设备的启动与停止与抱闸开闭之间的延迟时间设定得当。
c. 如果增加配重，务必考虑额外增加的负载惯量及其对加速和减速转矩要求的影响。
d. 如果增加配重，由于实际过程循环次数的原因，通常需要做出一些取舍，因此仅可以平衡部分负载。
e. 对于部分未平衡负载，在应用中使用电流补偿抵消未平衡负载，尽量减少控制环集成要求（通常可以减少相移和风险）。
f. 确保拟议的控制方法符合安全法规和其它具体规定。
g. 预先考虑适用于过程和安全法规的基本维护程序要求。
h. 参考上述典型位置模式和速度模式运行建议。
各个轴的设计方法总结
为了提高伺服电机控制轴的带宽响应能力和可控性，必须综合考虑与机器功能、特定处理过程以及各轴具体功能等相关的诸多因素。具体包括动摩擦和静摩擦，外部负载，齿隙和柔性，电机负载和机构惯量，反馈装置的分辨率，以及电机驱动、PWM/SVM和更新率（应用情况下单独的控制器刷新率）。另外，负载和电机之间移动部件的总数量（应尽量减少）、自然谐振频率可能也需要纳入机电设计考虑范围。
对尚未实现生产的机器谈削减成本是不合理的。因此，与机器的初始性能以及成本削减相比，特定操作工艺的需求具有更高的决策优先性。对于样机制造来讲，以最低的成本实现最高的性能是一种理想状态。即使根据部件成本曲线拐点，新机器满足了生产要求，仍然可能存在降低成本的空间。另一方面，如果特定机器部件需要实现其它功能，则非常可能需要增加成本。
补充问题和注意事项：
1. 机器是否能够生产一种以上的产品？
a. 物理外壳必须根据产品的范围值定义。
b. 最高的速度（最小的产品）通常有较差的运动控制特点，不利于实现最高生产率。
c. 预期生产率/目标是：英尺/分钟，每分钟件数等？
设定最大运行速度/速率：恒速或者以特定的运动轨迹。
d. 生产过程中特定轴误差范围是什么？
通过机构到产品对第二反馈装置设定最小反馈分辨率和精度要求（从成本功能曲线拐点开始）。
2.如果齿隙和/或柔性的减小超出成本功能曲线拐点，是否存在其他生产优势？
必要时，为新增功能和/或可靠性提供成本/价格依据。
3.是否存在启动或停止、维护和/或安全方面的具体必要条件？
关键/主要需求/技术规格可以决定最终的电机和/或驱动型号，和/或控制架构。例如，如果机器控制器和伺服驱动之间的通信电缆被切断，轴是否需要保持目前的位置？
总结
机器制造商在开发新设计、进行重新设计或者实施机器改造的过程中会不断面临技术难题和知识瓶颈。通过应用最新的、采用简化轴设计方法的伺服系统技术，以及了解多种典型机器配置下的操作项目，机器制造商可以有效管理设计风险、优化机器性能，同时缩短研发时间。
关于科尔摩根
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