機(jī)器從傳動(dòng)到控制電機(jī)的發(fā)展

自人類邁入電氣時(shí)代，電氣傳動(dòng)至今仍為人類提供高效的動(dòng)力，并引發(fā)了產(chǎn)業(yè)的效率不斷提高，同時(shí)，對(duì)于機(jī)器而言也存在著大量定位同步控制需求，伺服電機(jī)很好的解決了定位精度、速度與位置同步等更高級(jí)的應(yīng)用，但是，在很長(zhǎng)一段時(shí)間，伺服電機(jī)是昂貴的，僅在一些軍工、航空航天領(lǐng)域有應(yīng)用，而隨著電力電子技術(shù)、稀土永磁馬達(dá)、編碼器技術(shù)等的快速發(fā)展，以及成本的不斷下降，包括數(shù)字信號(hào)處理器等發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)才得以在工業(yè)各個(gè)場(chǎng)景中大量的應(yīng)用。

伺服控制與傳動(dòng)技術(shù)對(duì)于機(jī)器的變化是革命性的，它使得人類的機(jī)器到了無(wú)以復(fù)加的制造能力，加工出更高精度的產(chǎn)品、更高速度的切換生產(chǎn)線，這些使得制造的成本不斷下降，進(jìn)而，每個(gè)消費(fèi)者才能享受成本極低的各類產(chǎn)品。

ACOPOS——出自書(shū)香門第

1997年，B&R發(fā)布了他們的第一款產(chǎn)品ACOPOS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，ACOPOS的全名是AdvancedCoordinatedOptimizedPositioningOS，是一個(gè)“高級(jí)、協(xié)同、優(yōu)化的定位操作系統(tǒng)”的意思，在希臘語(yǔ)里ACOPOS這個(gè)詞的意思是“不費(fèi)力的，容易的”；的意思，他們給它起了這么文藝的名字，不愧是書(shū)香門第的出身。

與其它從電機(jī)出身到驅(qū)動(dòng)器的不同，B&R這個(gè)做控制器出身的，把他們對(duì)于“控制”的理解都凝聚到了這個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，這使得它具有了超越同行其它人家的控制能力，包括里面所集成的一些功能，達(dá)到了令人嘆為觀止的程度。

圖1-ACOPOS正裝照（2000年）

早期的ACOPOS和其它驅(qū)動(dòng)器也并無(wú)二致，采用NC154并由PG2000的編程環(huán)境對(duì)其進(jìn)行控制開(kāi)發(fā)，隨著B(niǎo)&R的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)AutomationStudio的投入應(yīng)用，新的控制系統(tǒng)架構(gòu)使得MotionControl可以在PLC上直接運(yùn)行，通過(guò)CAN總線就可以對(duì)多個(gè)軸進(jìn)行定位同步控制，到了2001年，ACOPOS更是集成了POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口，當(dāng)時(shí)的一個(gè)項(xiàng)目中采用了50個(gè)ACOPOS伺服軸、2000個(gè)I/O(300個(gè)模擬量)，當(dāng)時(shí)就達(dá)到的刷新速度為2.4mS，想想，那已經(jīng)是18年前的事情了。

伺服軸的應(yīng)用帶來(lái)機(jī)械的靈活性

機(jī)器除了對(duì)精度、速度的要求，在新的機(jī)器設(shè)計(jì)中，靈活性也開(kāi)始變得越來(lái)越重要，這使得伺服系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛多樣，例如在電子凸輪裁切、前緣送紙機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域，采用伺服軸來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械軸的高昂的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)、不靈活的裁切都是伺服系統(tǒng)大量應(yīng)用的原因。

在這些應(yīng)用中，ACOPOS的架構(gòu)扮演了非常有效的角色，因?yàn)樗梢蕴峁┓浅１憷碾娮油馆?、電子齒輪配置，對(duì)于貝加萊的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而言，其設(shè)計(jì)思想非常簡(jiǎn)單，將整個(gè)機(jī)器理解為不同的運(yùn)動(dòng)控制在速度、位置、扭矩上的數(shù)學(xué)關(guān)系，其通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)同步關(guān)系，而不同的運(yùn)動(dòng)控制就是不同的曲線之間的切換，無(wú)論是基于時(shí)間、事件、外部傳感器觸發(fā)，而ACOPOS系統(tǒng)的智能算法則為這些切換提供平滑的過(guò)渡。

基于這樣的運(yùn)動(dòng)控制思路，使得貝加萊的運(yùn)動(dòng)控制非常靈活，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器的靈活設(shè)計(jì)，因此，ACOPOS開(kāi)始被廣泛的應(yīng)用于紡織、印刷、包裝、塑料等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

ACOPOSmulti——多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)誕生

1獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求產(chǎn)生

在2000年后，越來(lái)越多的伺服軸的使用不再僅僅是為了提供高精度定位與同步控制，隨著伺服系統(tǒng)的價(jià)格變得更為經(jīng)濟(jì)，因此，由“電子軸”代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械軸的機(jī)器設(shè)計(jì)變得更為流行，如在印刷機(jī)械行業(yè)，由伺服軸代替了傳統(tǒng)的印刷機(jī)械長(zhǎng)軸，這有點(diǎn)類似于火車的動(dòng)車組，每段車廂自主驅(qū)動(dòng)，提高了編組的靈活性，以及整個(gè)車輛本身的能源應(yīng)用效率，而其他諸如在粗紗、細(xì)紗機(jī)領(lǐng)域多軸伺服應(yīng)用也是同樣道理，包括在包裝機(jī)械里采用獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)用于吹瓶單元的牽伸、旋蓋等。

這些應(yīng)用場(chǎng)景帶來(lái)了多軸同步控制的需求，而基于POWERLINK，ACOPOSmulti可以通過(guò)虛擬主軸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子齒輪、電子凸輪同步，其可以理解為一個(gè)“數(shù)學(xué)”上的模型計(jì)算出同步關(guān)系，然后下發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以理解為“沒(méi)有偏差”（因?yàn)閭鲃?dòng)精度遠(yuǎn)大于機(jī)械的目標(biāo)精度）。

2ACOPOSmulti——多軸價(jià)更好！

到了2004年，研發(fā)工程師們發(fā)現(xiàn)多軸同步的場(chǎng)景越來(lái)越多，而且伺服軸的應(yīng)用越來(lái)越普遍，一臺(tái)機(jī)器出現(xiàn)20/30，甚至上百個(gè)伺服軸的應(yīng)用也層出不窮，因此，他們推出了專門針對(duì)軸比較多的情況下的應(yīng)用產(chǎn)品，ACOPOSmulti—基于共直流母線技術(shù)（CommonDC-Bus），它相比ACOPOS具有更強(qiáng)的多軸集成功能，出現(xiàn)了雙軸模塊，統(tǒng)一的逆變器，通過(guò)直流母線DC-AC驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于采用了公共的直流母線單元，因此，當(dāng)軸大于4個(gè)的時(shí)候就比單獨(dú)的ACOPOS更具性價(jià)比了，而當(dāng)軸達(dá)到30個(gè)以上的時(shí)候，它已經(jīng)比ACOPOS降低了30%的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本。

圖2-ACOPOSmulti驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3功能強(qiáng)大——ACOPOSmulti實(shí)現(xiàn)掉電停車功能

對(duì)于一些多軸系統(tǒng)，存在多個(gè)軸需要同步，而其機(jī)械慣量有較大的差別，那么在突然掉電的情況下，就無(wú)法確保高精度的同步停車，這會(huì)造成類似紡織、金剛線切割等場(chǎng)景斷線，而這影響了生產(chǎn)的連續(xù)性突然宕機(jī)個(gè)的非，因此，ACOPOSmulti的掉電停車功能就可以發(fā)揮作用，當(dāng)ACOPOSmulti檢測(cè)到突然掉電，此時(shí)大慣量軸處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，可以通過(guò)IGBT使得其再生能量回到直流母線，保持直流母線電壓穩(wěn)定，以確保在掉電瞬間保持安全同步停車。

圖3-ACOPOSmulti實(shí)現(xiàn)掉電停車功能簡(jiǎn)圖

4總計(jì)728軸的應(yīng)用

ACOPOSmulti曾經(jīng)在2012年創(chuàng)造了728軸的高速同步，可以達(dá)到400米/分鐘的薄膜牽伸控制，400μS的速度同步刷新，并且其中大部分的軸處于同步狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜10米幅面的牽伸加工，采用ACOPOSmulti控制的直線電機(jī)進(jìn)行X軸、Y軸兩個(gè)方向的同步牽伸。

圖4-Bruckner的薄膜牽伸線多達(dá)728軸

在2011年，B&R還推出了針對(duì)高防護(hù)等級(jí)環(huán)境要求的IP65防護(hù)等級(jí)的ACOPOSmulti65系列。

ACOPOSinverter

除了ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)和ACOPOSmulti多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，針對(duì)大量的變頻器應(yīng)用場(chǎng)景，2009年推出了ACOPOSinverter，以強(qiáng)化其產(chǎn)品線的完整性，給客戶提供更為完整的解決方案。

圖5-ACOPOSinverter變頻器

盡管作為變頻器的提供商，貝加萊顯然是比較晚的，但是它將POWERLINK實(shí)時(shí)通信納入了產(chǎn)品中，這使得該變頻器具有了非常強(qiáng)的同步能力，并且ACOPOSinverter的P74系列還能提供書(shū)本式的安裝方式，非常緊湊，并且?guī)в蠸afety功能的集成。

ACOPOSmicro

在2011年，為了解決在小型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本問(wèn)題，ACOPOSmicro設(shè)計(jì)出來(lái)，其定位于小功率范圍的伺服驅(qū)動(dòng)，并可配置為兩軸模塊。

圖6-ACOPOSmicro照片

ACOPOSmotor

ACOPOSmotor是在2012年推出的產(chǎn)品，這個(gè)款比較特殊，來(lái)自于產(chǎn)業(yè)客戶的實(shí)際需求，因?yàn)樵谄【骑嬃?、制藥的現(xiàn)場(chǎng)會(huì)存在大量的緊湊型設(shè)計(jì)需求，另外，這個(gè)場(chǎng)景還需要驅(qū)動(dòng)器具有高的防護(hù)等級(jí)，IP65的設(shè)計(jì)，使得ACOPOSremote可以直接接入到有清潔環(huán)境的領(lǐng)域。

圖7-ACOPOSmotor伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)集成

ACOPOSmotor最難的在于它需要非常強(qiáng)的散熱設(shè)計(jì)，對(duì)于如此緊湊的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)而言，其對(duì)功率器件、電子器件的選擇都是更為苛刻的。

ACOPOSmotor為啤酒飲料灌裝、制藥等應(yīng)用場(chǎng)景中的分布式運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用需求設(shè)計(jì)，例如在滑環(huán)連接應(yīng)用中，通過(guò)直流供電單元可以為滑環(huán)內(nèi)側(cè)的多個(gè)電機(jī)提供電力供應(yīng)，在其內(nèi)部降低了動(dòng)力布線，在整個(gè)機(jī)器布局范圍較大，并且有水清洗的場(chǎng)景中，電纜以及為此部署的電柜都是昂貴的成本，通過(guò)ACOPOSmotor的分布式直接安裝，這些成本也大幅度下降，并且，ACOPOSmotor的電纜將動(dòng)力、編碼器信號(hào)、通信混合傳輸，也會(huì)降低安裝維護(hù)的復(fù)雜性。

應(yīng)用場(chǎng)景：ACOPOSremote被用到了伺服拉伸吹瓶、旋蓋單元。

ACOPOSP3-智能、靈活、力量、速度

2015年，隨著功率器件和控制芯片如FPGA成本的不斷下降，貝加萊推出了更具競(jìng)爭(zhēng)力的ACOPOSP3，這款驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)擁有了更為強(qiáng)大的處理能力，采用更高開(kāi)關(guān)頻率的功率器件，使得P3兼具了高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度、復(fù)雜算法的智能、更高功率密度帶來(lái)的力量、以及實(shí)時(shí)處理帶來(lái)的靈活性。

圖8-力量、速度、靈巧、智能融于一體的ACOPOSP3

1天下武功，唯快不破

P3的響應(yīng)速度極其快，其位置環(huán)控制可以達(dá)到50μS,這使得P3可以處理非常高精度、高速的同步、定位任務(wù)。

圖9-ACOPOSP3擁有50μS的位置環(huán)處理能力

2一拖三的強(qiáng)大動(dòng)力

ACOPOSP3的P3-代表的是三個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)能力，這意味著電柜體積的下降，據(jù)測(cè)算，相較于ACOPOS驅(qū)動(dòng)器的年代，P3整個(gè)降低了69%的電柜空間，并且ACOPOSP3三個(gè)軸帶有豐富的編碼器支持能力，針對(duì)不同的場(chǎng)景，現(xiàn)場(chǎng)有各種反饋器件，對(duì)于P3而言，不管你是Endat還是Hiperface，不管是旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對(duì)值、單圈/多圈的、增量的、Sin/Cos，反正你都來(lái)接，自適應(yīng)。

圖10-三軸驅(qū)動(dòng)的ACOPOSP3系列

圖11-簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多軸控制

ACOPOStrak-單機(jī)必然到產(chǎn)線集成

時(shí)光到了2017年，貝加萊又推出了更為震撼的ACOPOStrak系統(tǒng)，這是一個(gè)典型的機(jī)電一體化對(duì)象，與之前的ACOPOS系列產(chǎn)品還局限于工業(yè)電子，ACOPOStrak則延伸到了機(jī)械系統(tǒng)，軌道與穿梭車的設(shè)計(jì)。

圖12-ACOPOStrak柔性輸送系統(tǒng)

制造業(yè)對(duì)產(chǎn)線融合設(shè)計(jì)的需求

在新的智能時(shí)代，生產(chǎn)已經(jīng)不再局限于一個(gè)單機(jī)設(shè)備了，而是要不同的設(shè)備構(gòu)成連線生產(chǎn)的能力，這就像使得離散制造像流程工業(yè)那樣變得連續(xù)，而要想實(shí)現(xiàn)連續(xù)，輸送系統(tǒng)變成了其中的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的連接通常是通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的，對(duì)于電子傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)各個(gè)機(jī)器效能發(fā)揮到極高的時(shí)候，傳統(tǒng)機(jī)械的傳動(dòng)方式其實(shí)已經(jīng)不再能夠勝任新的連線高速生產(chǎn)了，因?yàn)闄C(jī)械的磨損、不靈活等等都將制約連續(xù)性生產(chǎn)的苛刻需求。

硬核科技在其中

ACOPOStrak最炫酷的點(diǎn)在于其所實(shí)現(xiàn)的分流、匯流，即高速變軌技術(shù)，而另一個(gè)不為人所知的則在于它的基于過(guò)程的控制，對(duì)于這么多不同類型的軌道、這么多個(gè)動(dòng)子，如何避免不碰撞，且能夠靈活的適應(yīng)新的工藝變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的路徑生產(chǎn)，這可能是其中隱藏其中看不到的“硬核”技術(shù)，所謂的“智能”就體現(xiàn)在這里，相對(duì)于其他家而言，ACOPOStrak這點(diǎn)能力極其突出，因?yàn)榇罅康某绦颍↖f-Then）來(lái)對(duì)路徑進(jìn)行判斷顯然并不是真正的高效設(shè)計(jì)。

運(yùn)動(dòng)控制-從硬件到軟件

其實(shí)，伴隨著ACOPOS家族產(chǎn)品硬件的一直是軟件的強(qiáng)大，基于AutomationStudio平臺(tái)，ACOPOS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)產(chǎn)品能夠發(fā)揮控制系統(tǒng)的全局能力，這與其它來(lái)自電機(jī)出身的運(yùn)動(dòng)控制有較大的差別，這使得貝加萊在運(yùn)動(dòng)控制的協(xié)作方面，機(jī)電融合方面更具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和全局視野。

圖13-mappMOTION

最新的mappMOTION即使基于PLCopenMotionPartIV協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制的封裝，它與mapp的其它模塊共同構(gòu)成了機(jī)器的軟件，僅需簡(jiǎn)單配置即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

關(guān)于貝加萊

貝加萊是一個(gè)總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)全球機(jī)器與工廠自動(dòng)化業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力，為各個(gè)產(chǎn)業(yè)客戶提供機(jī)器與工廠自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)如OPCUA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強(qiáng)大的AutomationStudio軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動(dòng)化工程的未來(lái)。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡(jiǎn)化以及超出預(yù)期的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。