用运动控制将您的应用程序提高到一个新的水平

闭环运动促进了非传统应用，如材料处理和过程控制。

大约十年前，一位创新的思想家想出了一个聪明的主意，把一个变频驱动器放在风扇上。他们不需要不停地运行风扇马达，而是可以根据需要调整速度，或者完全不运行。结果呢?更低的功耗，更少的故障，更少的停机时间，更少的维护，所有这些加起来节省的成本使最初的资本支出相形见绌。今天，这是一种常见的策略，但在当时，它给最初的创新者带来了巨大的竞争优势。随着运动控制变得越来越用户友好和负担得起，这种情况正在悄悄地开始在许多应用程序中重复。继续往下读，看看你是否可以将其应用到你自己的行业中。

今天的运动
如果你不是一个机器制造商，你可能会专注于你的核心价值主张，而不是运动本身。幸运的是，最新一代的运动组件的设计简化了入口点的一些功能:

• 连接性:许多运动总线和网络协议促进组件之间的通信。这简化了布线和更新，同时提高了安装和维护的效率。通常，供应商和系统集成商可以登录到机器上进行远程诊断和故障排除。组件不仅在网络内部通信，而且从网络发送数据从车间到顶楼．弹性环架构还可以防止单个设备的故障导致整个系统崩溃。
• 智能:添加板载内存和处理能力的组件，从驱动器电机的功能和可用性大大增加。电子铭牌允许系统识别驱动器，例如，一旦驱动器连接，并下载正确的参数。当一个组件发生故障时，不再是盯着闪烁的红灯并试图确定问题所在的问题。设备不仅可以确定和显示准确的问题，他们经常指导用户解决它。更好的是，它们可以提前警告问题，例如发送消息标记过流状态。维护是在您的日程安排中进行的，而不是在应对危机时进行的。
• 易于使用:这些智能组件使运动系统更容易集成。例如，一个只需要几个简单运动轴的应用程序可以由集成电机驱动器或带有智能驱动器的电机提供服务，而不是标准的运动控制器、驱动器、电机架构。更少的组件意味着更快的集成、更低的成本和更少的故障点，自调优驱动器消除了繁琐的PID环整定过程，加快了集成和调试。其他的创新使得增加系统的安全性变得容易。
• 更高的功率:曾经有一段时间，伺服电机被降级为只需要几分瓦电机的精密仪器。今天，千瓦级伺服电机是一毛钱一打，并用于重工业的应用，如码头边起重机。

除此之外，还有不断提高的价格效率。在许多情况下，从开环运动到闭环运动的转变是渐进的，部分原因是机电解决方案与现有技术存在很大差异。然而，就像风扇的例子一样，应用程序和企业越来越多地通过违背惯例和研究运动控制来获得优势。

保健和生物技术
长期以来，运动控制一直是胰岛素泵等精密医疗设备和DNA测序仪等生物技术系统的支柱。现在，这项技术正在向简单的应用领域发展，比如病人体位表。乍一看，这似乎是一个过度工程的案例——毕竟，把病人从一个地方送到另一个地方并不是一个高精度的手术。为什么选择运动控制?

“是什么让工程师决定这将为他们工作?”通常是因为它解决了他们的问题，或者使任务变得更容易，”at的驱动和控制产品经理里德·亨特说Kollmorgen(弗吉尼亚州Radford)。“在这种情况下，它可能会更容易。”传统的方法利用开环运动与限位开关和近距离传感器。然而，开关失败了，当你和病人打交道时，你不想冒险。“有了闭环运动控制系统，你可以随时知道位置。如果你的移动完成了一半，你的控制器就会知道。因此，如果发生了什么事情，你可以更容易地找出机器的状态，这将允许你告诉操作员如何更好地排除故障。”

这里的关键驱动因素是易用性的提高和成本的降低。“多年来，计算机和控制器变得越来越复杂，”亨特说。“拥有一个控制器来监控三到四个位置、速度和来自桌上所有电机的电流的技术成本已经不那么高了。它是伴随旅程而来的。即使是最简单的控制器也可以使用大量的系统参数来帮助做出判断。”

长期以来，运动控制在DNA测序仪等系统中一直扮演着关键角色，但如今，它正在为离心机等更简单的设备添加功能。为遗传分析准备流体样品是获得准确结果的必要步骤。细胞需要在离心机中与宿主液体分离，提取液体，添加新的试剂，重复这个过程，这个过程是详细的，精确的，耗时的，通常是冗长的。

为了简化流程和消除人为错误，一家制造商开发了一个闭环反馈系统。盒装的试管被安装在一个步进马达驱动的旋转木马上，它执行复杂的芭蕾舞，移动试管进出离心机，并在适当的时间将精确数量的试剂分配到试管中。离心机本身由伺服电机驱动，保持精确和变速控制。控制减速是特别重要的，以避免干扰细胞一旦他们从液体分离。该系统自动、重复、可靠地在45 - 60分钟内完成整个过程。实验室获得了准确的制备样品，同时使工作人员可以集中精力从事更重要的工作。

机器人
虽然机器人似乎是一种明显的运动控制应用，但在这种情况下，我们讨论的不是汽车装配机器人或电路板组装的取放单元。在个人服务领域，机器人被定位为增长，随之增长的是运动控制。随着我们人口的老龄化，越来越多的人将被安置在长期护理机构。在那里，低端机器人可以发挥作用，例如检索物品或协助病人进出床或浴缸。

这些都是简单的设计，只有少量的轴。为了服务他们，运动控制元素需要简单和经济。IHS技术公司旋转机械与控制高级分析师Michelle Figgs说:“我认为现在的硬件可以做到这一点，但障碍是成本和软件开发与集成的复杂性。”“你在工厂里看到的机器人非常复杂。你需要一个专门的控制器和专门的背景来为它编程。拥有更容易编程和实现的东西将是把机器人带出工厂、以更非传统的方式使用它的关键。”

物料搬运。传送带
输送机在从生产设施到仓库到机场的应用中发挥着关键作用。今天，运动控制在某些细分领域提供了好处。在许多情况下，输送机被认为是恒转矩设备——在固定负载下，改变速度不会影响运行系统所需的转矩。在这些情况下，变频驱动器可以节省操作成本，但投资回报可能比组件的额定寿命更长。

当负载发生显著变化时，情况就不同了。输送矿石的输送机可以从矿山延伸数十公里到达配送中心。以煤矿开采为例。如果矿井下雨，煤被弄湿，输送带上负载的重量会发生显著变化，导致电机磨损甚至故障。相反，传感器可以跟踪情况，并与闭环运动系统通信，调整输送速度，最大限度地减少对操作的影响，同时最大化电机寿命。

其他输送装置的运行时间要短得多。输送机可以与工厂车间的其他机器连接。在其他情况下，使用运动控制加速和减速可以防止产品在通过机器视觉检测系统之前被损坏或改变方向。说到检查，对于需要紧密定位的检查应用，比如半导体制造，运动是一个更明显的资产。步进电机，即使是开环运行，也能在短距离内提供良好的性能——你命令一个步骤，你就得到一个步骤。在更远的距离，伺服电机可能是一个更有效的解决方案。

在某些情况下，更换电机只是提供经济效益。无刷永磁电机，运动控制的工作人马，提供高扭矩密度和紧凑的包装，即使在开环运行。

流程工业——泵
从化工和食品加工到采矿和石油钻探，控制流体流动是必不可少的。在传统的设计中，固定转速的电机驱动泵使流体运动，而阀门则抑制流体流动。充其量，这是一个效率低下的过程——即使在不必要的情况下，电机也会全速运转。真正的问题出现在需要关闭流量的时候。当阀门完全关闭时(这个过程被称为死头)，它会产生一个巨大的压力峰值。突然之间，泵的叶轮叶片简单地循环了相同体积的流体，加热了材料。当死顶突然发生时，它会产生一个巨大的压力峰值，再次加热流体。

在最好的情况下，这会使设备紧张，增加磨损和减少寿命。最糟糕的情况出现在涉及泥浆的采矿应用程序中。死头可能导致泵头内的气蚀。如果有水污染了泥浆，死头引起的热量和压力的增加会将水转化为蒸汽，导致泵壳的灾难性故障。在这种类型的应用程序中，停机时间可能非常昂贵，远远超过更换组件的价格。Dynapar公司东部地区销售经理/OHV经理Allen Chasey说:“买一台电机，然后让它一直全速运转，然后通过一个阀门来节流阀，这已经没有任何意义了。”

运动控制提供了一个更好的选择。在这个应用中，一个闭环运行的交流矢量电机控制流量。现在，用户可以通过改变电机速度来进行调整，而不是通过阀门进行节流。这并没有完全消除对阀门的需求，但它减轻了负面影响并消除了故障模式。这减少了停机时间，降低了维护成本和更换设备的成本。蔡西说:“当然，你有初始成本，但系统会在一定时间内收回成本。”

液压系统应用程序
用于水射流切割的泵同样也在转向使用伺服电机，因为该技术提高了能源效率。ARC咨询集团的研究总监萨尔•斯帕达表示:“还有很多其他泵，比如液压泵，正在转向伺服泵。”在经典的液压系统中，压缩机/泵将压力施加到主液压缸上，主液压缸通过液压管路传递力，从而推动另一端的一个或多个液压执行器。液压缸产生巨大的力，但会泄漏液体，这在许多环境中都是一个问题。它们往往效率低下，需要从泵到执行器之间的液压管线。像海底石油勘探一样，拥有数千英尺长的管线可能会导致成本过高，还会带来额外的故障点。电静压执行器(EHAs)提供了一种选择。

EHAs最初是为航空航天和国防应用开发的，它将主缸上的压缩机/液压泵换成了执行机构右边的电泵。步进电机或伺服电机驱动泵直接向执行机构施加力。电机，泵和液压缸都适合在同一包装。其结果是一种更清洁、更节能的电动控制装置。元件的任何成本差异通常都可以通过消除液压软管来抵消，更不用说提高的精度和可靠性了。虽然EHAs不能完全与传统液压系统的力量相匹配，但千瓦级伺服电机已经使它们在风力涡轮机的叶片定位等应用中有效，它们也可以在其他工业应用中有效。

斯帕达说:“它可能正处于起飞的边缘。”“没有所有的管道有一个巨大的优势。它变成了一个电气界面，而不是一个流体界面，尽管它提供了液压系统的所有优点。人们把它转移到工业部门，因为我认为它变得成本合理。”当然，这种方法可能会对现有的以传统运动控制运动取代液压的趋势产生负面影响。他补充说:“在这些类型的组件中，你能产生多大的力是有限制的，但它们将有一个小众市场，当然可能会减少传统伺服电机在这些类型应用中的采用。”

添加它
既然如此，为什么公司会避免使用运动控制呢?通常，它源于两个基本的误解:运动控制是复杂的，运动控制是昂贵的。正如我们上面所讨论的，在大多数情况下复杂性不再是一个问题。蔡西表示:“一些终端用户希望自动化程度越低越好，因为如果机器出了故障，他们不想派一个工程师带着笔记本电脑出去诊断发生了什么。”“但现在的很多部件都有非常基本的诊断，比如‘嘿，我在这里受伤了，你需要做什么。“使用方法可能很简单，只需转动一个螺丝或更换零件。这让事情变得容易多了。”

从成本的角度来看，运动控制解决方案可能比你想象的更便宜、更容易部署。例如，如果你只操作一个或两个轴，你可以省去独立的运动控制器，只使用集成驱动的智能电机。更少的组件意味着更低的资本支出和更少的设计和集成时间。

更重要的一点是，当你在产品中设计动作时，获取成本不一定是最好的衡量标准。当然，你必须证明资本支出的合理性，并获得批准，但工业系统的设计是为了持续几年，如果不是几十年。从长远来看，运营成本将成为组织的主要指标。这就是运动控制可以带来巨大节省的地方。

亨特说:“电子轴系或电子传动装置、协调运动和凸轮最终达到了可靠和经济的水平。”“现在你可以用这笔钱获得很大的控制权。”当你构建下一个产品或系统时，考虑运动控制，看看它是否也能给你带来好处。