機(jī)器從傳動到控制電機(jī)的發(fā)展

自人類邁入電氣時代，電氣傳動至今仍為人類提供高效的動力，并引發(fā)了產(chǎn)業(yè)的效率不斷提高，同時，對于機(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的應(yīng)用，但是，在很長一段時間，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)字信號處理器等發(fā)展，伺服驅(qū)動與電機(jī)才得以在工業(yè)各個場景中大量的應(yīng)用。

伺服控制與傳動技術(shù)對于機(jī)器的變化是革命性的，它使得人類的機(jī)器到了無以復(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，每個消費者才能享受成本極低的各類產(chǎn)品。

ACOPOS——出自書香門第

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

與其它從電機(jī)出身到驅(qū)動器的不同，B&R這個做控制器出身的，把他們對于“控制”的理解都凝聚到了這個驅(qū)動系統(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)動器也并無二致，采用NC154并由PG2000的編程環(huán)境對其進(jìn)行控制開發(fā)，隨著B&R的集成開發(fā)平臺AutomationStudio的投入應(yīng)用，新的控制系統(tǒng)架構(gòu)使得MotionControl可以在PLC上直接運行，通過CAN總線就可以對多個軸進(jìn)行定位同步控制，到了2001年，ACOPOS更是集成了POWERLINK實時以太網(wǎng)接口，當(dāng)時的一個項目中采用了50個ACOPOS伺服軸、2000個I/O(300個模擬量)，當(dāng)時就達(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)用帶來機(jī)械的靈活性

機(jī)器除了對精度、速度的要求，在新的機(jī)器設(shè)計中，靈活性也開始變得越來越重要，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，因為它可以提供非常便利的電子凸輪、電子齒輪配置，對于貝加萊的運動控制系統(tǒng)而言，其設(shè)計思想非常簡單，將整個機(jī)器理解為不同的運動控制在速度、位置、扭矩上的數(shù)學(xué)關(guān)系，其通過通信實現(xiàn)同步關(guān)系，而不同的運動控制就是不同的曲線之間的切換，無論是基于時間、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渡。

基于這樣的運動控制思路，使得貝加萊的運動控制非常靈活，易于實現(xiàn)機(jī)器的靈活設(shè)計，因此，ACOPOS開始被廣泛的應(yīng)用于紡織、印刷、包裝、塑料等各個工業(yè)領(lǐng)域。

ACOPOSmulti——多軸驅(qū)動系統(tǒng)誕生

1獨立驅(qū)動系統(tǒng)的需求產(chǎn)生

在2000年后，越來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)械長軸，這有點類似于火車的動車組，每段車廂自主驅(qū)動，提高了編組的靈活性，以及整個車輛本身的能源應(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)械里采用獨立的伺服驅(qū)動用于吹瓶單元的牽伸、旋蓋等。

這些應(yīng)用場景帶來了多軸同步控制的需求，而基于POWERLINK，ACOPOSmulti可以通過虛擬主軸技術(shù)來實現(xiàn)電子齒輪、電子凸輪同步，其可以理解為一個“數(shù)學(xué)”上的模型計算出同步關(guān)系，然后下發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以理解為“沒有偏差”（因為傳動精度遠(yuǎn)大于機(jī)械的目標(biāo)精度）。

2ACOPOSmulti——多軸價更好！

到了2004年，研發(fā)工程師們發(fā)現(xiàn)多軸同步的場景越來越多，而且伺服軸的應(yīng)用越來越普遍，一臺機(jī)器出現(xiàn)20/30，甚至上百個伺服軸的應(yīng)用也層出不窮，因此，他們推出了專門針對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，通過直流母線DC-AC驅(qū)動電機(jī)，由于采用了公共的直流母線單元，因此，當(dāng)軸大于4個的時候就比單獨的ACOPOS更具性價比了，而當(dāng)軸達(dá)到30個以上的時候，它已經(jīng)比ACOPOS降低了30%的驅(qū)動系統(tǒng)成本。

圖2-ACOPOSmulti驅(qū)動系統(tǒng)

3功能強(qiáng)大——ACOPOSmulti實現(xiàn)掉電停車功能

對于一些多軸系統(tǒng)，存在多個軸需要同步，而其機(jī)械慣量有較大的差別，那么在突然掉電的情況下，就無法確保高精度的同步停車，這會造成類似紡織、金剛線切割等場景斷線，而這影響了生產(chǎn)的連續(xù)性突然宕機(jī)個的非，因此，ACOPOSmulti的掉電停車功能就可以發(fā)揮作用，當(dāng)ACOPOSmulti檢測到突然掉電，此時大慣量軸處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，可以通過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實現(xiàn)掉電停車功能簡圖

4總計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)，實現(xiàn)對薄膜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還推出了針對高防護(hù)等級環(huán)境要求的IP65防護(hù)等級的ACOPOSmulti65系列。

ACOPOSinverter

除了ACOPOS伺服驅(qū)動和ACOPOSmulti多軸驅(qū)動系統(tǒng)，針對大量的變頻器應(yīng)用場景，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實時通信納入了產(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)動系統(tǒng)的成本問題，ACOPOSmicro設(shè)計出來，其定位于小功率范圍的伺服驅(qū)動，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，這個款比較特殊，來自于產(chǎn)業(yè)客戶的實際需求，因為在啤酒飲料、制藥的現(xiàn)場會存在大量的緊湊型設(shè)計需求，另外，這個場景還需要驅(qū)動器具有高的防護(hù)等級，IP65的設(shè)計，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，對于如此緊湊的電機(jī)與驅(qū)動而言，其對功率器件、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)用場景中的分布式運動控制應(yīng)用需求設(shè)計，例如在滑環(huán)連接應(yīng)用中，通過直流供電單元可以為滑環(huán)內(nèi)側(cè)的多個電機(jī)提供電力供應(yīng)，在其內(nèi)部降低了動力布線，在整個機(jī)器布局范圍較大，并且有水清洗的場景中，電纜以及為此部署的電柜都是昂貴的成本，通過ACOPOSmotor的分布式直接安裝，這些成本也大幅度下降，并且，ACOPOSmotor的電纜將動力、編碼器信號、通信混合傳輸，也會降低安裝維護(hù)的復(fù)雜性。

應(yīng)用場景：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爭力的ACOPOSP3，這款驅(qū)動系統(tǒng)擁有了更為強(qiáng)大的處理能力，采用更高開關(guān)頻率的功率器件，使得P3兼具了高動態(tài)響應(yīng)的速度、復(fù)雜算法的智能、更高功率密度帶來的力量、以及實時處理帶來的靈活性。

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)大動力

ACOPOSP3的P3-代表的是三個軸的驅(qū)動能力，這意味著電柜體積的下降，據(jù)測算，相較于ACOPOS驅(qū)動器的年代，P3整個降低了69%的電柜空間，并且ACOPOSP3三個軸帶有豐富的編碼器支持能力，針對不同的場景，現(xiàn)場有各種反饋器件，對于P3而言，不管你是Endat還是Hiperface，不管是旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對值、單圈/多圈的、增量的、Sin/Cos，反正你都來接，自適應(yīng)。

圖10-三軸驅(qū)動的ACOPOSP3系列

圖11-簡單的運動控制架構(gòu)實現(xiàn)多軸控制

ACOPOStrak-單機(jī)必然到產(chǎn)線集成

時光到了2017年，貝加萊又推出了更為震撼的ACOPOStrak系統(tǒng)，這是一個典型的機(jī)電一體化對象，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。

圖12-ACOPOStrak柔性輸送系統(tǒng)

制造業(yè)對產(chǎn)線融合設(shè)計的需求

在新的智能時代，生產(chǎn)已經(jīng)不再局限于一個單機(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)的連接通常是通過機(jī)械系統(tǒng)的，對于電子傳動技術(shù)已經(jīng)各個機(jī)器效能發(fā)揮到極高的時候，傳統(tǒng)機(jī)械的傳動方式其實已經(jīng)不再能夠勝任新的連線高速生產(chǎn)了，因為機(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最炫酷的點在于其所實現(xiàn)的分流、匯流，即高速變軌技術(shù)，而另一個不為人所知的則在于它的基于過程的控制，對于這么多不同類型的軌道、這么多個動子，如何避免不碰撞，且能夠靈活的適應(yīng)新的工藝變化，實現(xiàn)自動的路徑生產(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，相對于其他家而言，ACOPOStrak這點能力極其突出，因為大量的程序（If-Then）來對路徑進(jìn)行判斷顯然并不是真正的高效設(shè)計。

運動控制-從硬件到軟件

其實，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，ACOPOS驅(qū)動系統(tǒng)各個產(chǎn)品能夠發(fā)揮控制系統(tǒng)的全局能力，這與其它來自電機(jī)出身的運動控制有較大的差別，這使得貝加萊在運動控制的協(xié)作方面，機(jī)電融合方面更具有領(lǐng)先優(yōu)勢和全局視野。

圖13-mappMOTION

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

關(guān)于貝加萊

貝加萊是一個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)動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)全球機(jī)器與工廠自動化業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動化領(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，為各個產(chǎn)業(yè)客戶提供機(jī)器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過工業(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軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預(yù)期的工業(yè)自動化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。