驱动器的新趋势

曾经有一段时间，驱动器有一个单一的角色——根据运动控制器的指示向电机发送电流。其他功能，如状态监测、质量控制和计划，必须由其他组件执行。今天的驱动器有板载内存和处理能力，使它们能够提供更多的功能。它们可以在部件出现故障之前检测到轴承缺陷，使操作员能够在不调用锁定标记的情况下清除堵塞，甚至可以作为雏菊链式驱动器网络的主控制器。最新一代的驱动器包括改进设计，以提高性能，生产力和可用性。让我们仔细看看。

性能
更小的尺寸
如今的硬盘越来越小。这在一定程度上是由于移动应用程序的增长。智能仓库和工厂的广泛实施导致了自动引导车辆(agv)的广泛部署。远程呈现机器人在医院走廊上漫游，无人机在天空中漫游，娱乐车辆在偏僻的乡村漫游。几乎所有的都是电池供电，空间有限。根据应用的不同，它们可能需要高扭矩或高速运行。

为了服务于这个不断增长的全球市场，出现了一类超紧凑型驱动器。因为它们是靠电池供电的，所以它们的设计效率很高。电池提供的电压明显低于墙插电源。驱动器的电压限制了它能产生的电流，这反过来又限制了电机能产生的速度和扭矩。例如，全地形车和休闲车经常需要大扭矩，这就需要提供高功率密度的驱动器。“有些驱动器可以在80伏特直流电压下提供160安培的电流，封装在一个手掌大小的包装中，”约翰•麦克劳克林(John McLaughlin)表示Elmo运动控制(纳舒厄，新罕布什尔州)。“这是一个巨大的移动优势。为什么?重量更轻，能够在低电压下运行并提供高功率。”

在其他情况下，速度，而不是扭矩，是问题。AB Dynamics公司的制导软目标(GST)是一种泡沫和乙烯基汽车模型，用于测试先进的驾驶辅助系统(见图1)。它由一个低调的机器人平台推进。GST旨在产生与汽车相同的视觉和雷达信号。如果被测试车辆撞上GST，外壳就会脱落，测试车辆就会在平台上滚动而不会受损。

该应用空间有限，但电机需要快速运行，以推动平台在高速公路上行驶。该驱动器应用了一种称为磁场削弱或相位推进的技术，使电机能够以额定速度的数倍运行。在正常情况下，当驱动器给定子绕组通电时，它们会在转子磁体中产生反电动势。这种电动势在电流的扭矩产生能力中引入了滞后，降低了电机速度。相位先进技术纠正了这张幻灯片，使电机运行在显著更高的转速。

全局系统并不是唯一有大小限制的机器。工厂里的房产总是供不应求。特别是在机器人技术中，驱动器需要尽可能的小而轻。一些机器人应用需要高扭矩来移动重大负载，重点是高功率密度。其他需要低惯性和动态响应的高速运行。考虑一个用于电子组装的取放delta机器人。Technosoft公司北美销售副总裁约翰•钱德勒表示:“如果要移动表面贴装组件，就需要非常快速和动态的设备。“你不一定需要2马力的机器。”

振动控制
每一件设备都具有由运动激发的频率构成的自然共振谱。这些住所随着载荷和运动特征(如速度、任务轮廓等)的变化而变化。在这里，驱动器也可以充当智能传感器。机器练习轴，捕捉和分析频谱，驱动器修正任务轨迹，以避免刺激的共振。该过程有多种用例，从防止液体容器中的晃动到最小化起重机中的晃动(见图2)。

生产力
如今，制造商将重点放在运营效率(OEE)上，这是可用性、性能和质量的产物。驱动器具有越来越多的功能，使它们能够提高OEE，从而提高生产力。

可用性
它从提高可用性的功能开始。多年来，驱动器有能力监测来自电机的当前需求。如果分析得当，这些数据可以为即将发生的设备故障提供预先警告。可以通过这种方式标记的问题包括堵塞、磨损或损坏的轴承以及润滑剂故障。

具有集成数据记录器和连接性的智能驱动器可以将数据导出到边缘设备，以便进行进一步处理和警报。这支持了向预测性维护的过渡，这使公司不仅可以避免灾难性故障的成本，还可以更有效地利用维护人员和资源。

质量
如果你看过纳斯卡赛车比赛，你就会看到进站时模糊的活动。维修站工作人员簇拥在车旁，给油箱加油，换轮胎。后一项任务是一门艺术。如果从一个耳钉螺母到下一个耳钉螺母的扭矩不匹配，就会造成不平衡，这种不平衡只会在汽车高速行驶时表现出来，影响性能和操控性，并可能导致碰撞。最初，赛车队依靠技术(希望如此)来预防问题。最近，他们通过将气枪扭矩剖面与预先设定的剖面进行比较，保持了稳定的性能。当两者匹配时，车轮就平衡了。

制造业已经开始应用类似的技术来通过驱动器执行质量监控。以机床为例。在生产开始时，操作团队捕获一个好部件的制造数据，记录停留时间、速度等。在生产过程中，驱动器在加工过程中收集每个后续部件的数据。驱动器导出数据供边缘设备处理，边缘设备将其与标准值进行比较。如果他们通过了，这张卡就被认为是好的。如果不是，就需要采取进一步行动。

“他们有反馈的所有信息，电流，扭矩，所以他们基本上可以告诉产品是否在规格范围内，”克雷格尼尔森说，高级产品营销经理西门子工业(格鲁吉亚诺)。“这是一种更有效的监控生产的方式。马上，你可以很容易地判断出产品是否生产不当。如果没有，我们可以进行修正，或者将该产品从生产线上撤下。”

用例各不相同-该技术可以应用于过程控制，基于样品的批检验，甚至验收测试。它节省了时间和金钱，否则将投入到百分之百的检查。它减少了废品和返工。有了智能驱动器和基于边缘的分析，实现起来很简单。

安全
曾经有一段时间，机器安全意味着连接在继电器上的物理传感器，当违反某些条件时，会切断设备的电源。今天的安全最常通过运动控制来实现。它不再是一个响应(切断电源)，而是一个过程(只在这个范围内移动，不要超过这个速度)。这种方法可以保护工人、设备和工艺本身。

最初的实现涉及控制“哑”驱动器的安全plc。最初的功能是安全扭矩关闭，它可以防止轴产生扭矩，但不拉动电源。这导致了更快的重启和减少停机时间。

最近，与安全相关的驱动器已经开始接管安全功能。它们超越了STO，调用了更复杂的函数，例如:

• 安全限速(SLS):设置最大速度。
• 安全方向(SDI):限制运动方向。
• 安全有限增量(SLI):限制运动增量以支持慢跑操作。

这些类型的功能可以通过减少停机时间直接提高生产率。以SLI为例，操作员可以利用机器的动力来清除堵塞。SDI和SLS能够在保持严格安全条件的同时快速进行涉及人员的操作。一个轴向操作员的手移动可能是危险的，但一个轴远离操作员的手可能会快几倍。能够在驱动器中设置速度和方向的阈值，使这些类型的安全方案易于实施。

安全级驱动器通常具有内置连接，便于实现。这种方法减少了布线，加快了组装速度，并消除了故障点。几乎所有主要的工业现场总线协议都有安全版本，旨在检测任何通信问题，以免它们危及系统的反应。

为本文采访的所有消息人士都认为，这项技术正在走出早期采用者阶段。尼尔森说:“现在接受度确实在扩大，因为它提高了生产率。”“终端用户可以从过去需要锁定标记的事件中快速恢复。”他还指出，连接和易于安装是主要优势。“以前，原始设备制造商必须为他们生产的每台机器订购和安装安全继电器。他们必须完成所有的布线，这可能会非常昂贵，而且他们制造的每台机器都需要这笔费用。通过控制驱动器的同一通信网络上的安全集成技术，连接已经存在。软件只需要编写一次。在那之后，它只是在未来的每台机器上下载。对于OEM来说，这是一个竞争优势，也是一个很大的区别。”

可用性
除了提高性能和生产力外，今天的驱动器还旨在使OEM的生活更轻松。进步包括自动调优快速调试。

曾几何时，调整伺服轴既是科学也是艺术。这是一个在调试过程中必须发生的过程，涉及到实际的机器和负载。自动调优涉及PID循环调优，在某些情况下需要数小时，即使是经验丰富的技术人员。驱动器行业以自动调优作为回应。钱德勒说:“我们的客户每天都在为不同的应用程序调试新机器。”“自动调优已经成为常态。我认为，这给设备制造商带来了好处，因为它们需要快速调试机器，而不必从工厂聘请专家。”

早期版本的自动调优驱动器所承诺的远比实际提供的要多。他们让你得到了一个初步的近似，但仍然需要大量的手工工作和技能。目前的自动调优驱动器已经有了很大的改进(见图3)。“机器制造商需要这些工具工作，他们需要它们是强大的，”钱德勒补充道。“你按下一个按钮，在大约30秒内，你就达到了完美的95%。如果你真的想优化它的稳定性，或者优化它的平滑度或低噪音，你可以手动调整它。”

自动调优不仅有助于调试。更复杂的驱动器可以动态适应保持性能，即使面对不断变化的条件，例如，如果皮带松动，轴承或滚珠丝杠螺母失去其预紧力等。这些类型的自动调优驱动器可以检测问题，修改调优以减轻问题，并向维护人员发送警报，以便在情况允许的情况下解决根本原因。

其他可用性趋势包括整个产品线的统一管理软件，以简化配置。在某些情况下，公司正在构建可以通过Web服务器从任何连接的设备上编程的组件，或者使用传统的高级语言(如c++)。“我们试图在这里推广的是易于安装，易于维护，易于诊断，易于与工业4.0集成，”Joaquin Ocampo说博世力士乐(霍夫曼地产，伊利诺伊州)。原始设备制造商应该寻找易于安装和立即运行的产品。”有了能同时携带电力和数据的单张表，连布线都变得更容易了。

驱动架构
如果没有对分布式与集中式架构的进展进行快速的状态检查，关于驱动器趋势的讨论就不完整。这可以从两个层面考虑:

• 分布式硬件:将驱动器放置在电机旁边的机器上，而不是将它们放置在带有运动控制器的气候控制柜中。
• 分布式智能:通过驱动器控制轴，而不是使用单一的集中式PLC/运动控制器来形成路径规划并传输到驱动器执行。

分布式硬件
集中式架构一直是传统的解决方案。将驱动器和控制器放在气候控制柜中，可以保护它们免受热波动、污染、冲击和振动的影响。集中控制有助于高性能运动或同步运动。缺点是，集中式硬件需要更多的布线，这增加了成本、安装时间、出错的机会和故障点。机柜占用了大量的建筑面积，同时也消耗了大量的气候控制能量，以散热大量的电子器件。

分布式硬件架构只需要一个机柜即可安装控制器。驱动器位于电机附近，这最大限度地减少了电缆和随之而来的成本、时间和复杂性。

分布式智能
集中控制是默认的方法。它特别适合于高度复杂的同步或协调运动。也就是说，它给控制器带来了巨大的处理负担，无论是PLC还是运动控制器。这增加了成本和规模。分布式控制体系结构提供了一种替代方案。

十年前，人们普遍认为分布式控制只适用于低轴数和简单运动。其他任何东西都需要集中控制。然而，多年来，配备以太网连接的智能驱动器已经提供了足够的性能来处理广泛的应用程序。

将性能级别添加到上面的列表中，经过这么长时间之后，分布式体系结构应该进入广泛部署。然而，不断重复的是?明年。

一些人认为，解决方案背后的原因与其说是技术的作用，不如说是市场周期的驱动。尼尔森说:“它提供了很多优势，但实现起来真的很慢。”“我们确实看到很多客户只是保持他们的传统方式。”他认为，在某些方面，这可以被视为阻力最小的路径。“他们没有足够的人力或资源来利用这项技术。他们说;这很好，但我实在太忙了。”

在某些情况下，这只是实用主义。在当前的平台中可能没有空间来在机器上安装驱动器。这在集成电机驱动和其他看似有前途却迟迟未能找到市场份额的技术中尤其大胆。

西门子SIMOTICS运动控制电机产品经理兰迪•萨默维尔(Randy Summerville)表示:“许多机器在电机轴上没有足够的空间来集成电机和驱动器，所以这肯定是某些行业采用集成驱动器和电机缓慢的部分原因。”他指出，该技术的增长领域包括大型输送系统和航空航天制造业。

在许多情况下，问题不是技术性能和成本效益，而只是时间问题。机器制造商通常每10到15年就会更新他们的平台。在这一点上，他们更有可能接受需要改变设计的新组件。奥坎波说:“你必须在正确的时间获得它们。“转换确实需要重新设计机器。因此，一旦OEM决定是时候升级或重新设计了，这就成为了一个关于好处的良好对话。”

在我们结束之前，最后一个驱动趋势，这不是一个好的趋势。在全球经济蓬勃发展的推动下，再加上物联网等新兴技术的需求飙升，全球范围内的电子元器件出现了短缺。甚至像电容器和电阻这样的普通设备的交货期都是20周和40周。这似乎不是泡沫。许多电子产品制造商在经济衰退期间缩减了规模，并为了库存而改变了商业模式。因此，他们无法满足出乎意料的高需求。

这种短缺严重影响了驱动器市场。预期有限的可用性，较长的交货时间和较高的价格。尽早拿到订单是很重要的，因为驱动器的交货时间可能和电子产品的交货时间一样令人毛骨悚然。

除了这一特殊故障之外，硬盘市场正在强劲增长。机器制造商和最终用户可以利用各种技术来提高性能、生产力和可用性。特别是在转向下一代平台时，原始设备制造商和机器制造商应该利用这个机会集成新技术。随着技术的增加，他们可以大幅提升其设备的价值主张。