自动化设备上的每一根运动轴,并不都需要一套完整的伺服系统。包装线上的输送辊、物流设备中的小型皮带、冷却风机、泵以及各种辅助旋转机构,很多时候只需要稳定控制速度、启停和方向,并不涉及高精度定位,也不需要多轴同步。然而在传统设备设计中,即使是这类相对简单的运动轴,也经常需要电机、外置驱动器、电源和控制信号分别安装,再通过控制柜完成集中控制。设备规模扩大以后,控制柜里的驱动器数量、布线长度和端子数量都会随之增加,原本并不复杂的一根辅助轴,最后可能形成一套并不简单的电气结构。
Dunkermotoren近日推出的dGo系列,正是针对这类设备结构进行调整。新系列采用无刷直流电机,并把电子换相和转速控制功能直接集成在电机内部,根据不同配置可通过供电电压、模拟量或PWM信号调节转速,同时通过数字信号实现启停和方向控制。它没有试图把每一根运动轴都变成完整的智能伺服轴,而是把那些原本需要额外驱动器才能完成的基础控制功能直接移到电机端,让机器制造商在处理标准化辅助运动时少使用一层外部硬件。
这种变化看起来只是把驱动器从控制柜里“搬”到了电机上,真正落到设备制造环节,影响的却不仅是一个元件的位置。传统集中式结构中,一台设备如果使用十几台小型电机,控制柜里可能需要对应数量的驱动模块,并配置动力线、信号线和相关端子。集成式电机增加以后,一部分驱动电子元件可以跟随电机直接安装在设备现场,控制柜内部需要预留的空间随之减少,设备布线也有机会变得更简单。对于批量生产的包装机械、输送设备、实验室自动化以及小型专用机械而言,减少几个元件看起来并不起眼,但当同一套结构一年重复生产几百台时,装配时间、柜体尺寸和电气BOM都会形成实际差异。
分布式驱动之所以重新受到设备厂关注,还与机器结构本身正在发生变化有关。现在不少自动化设备希望做得更紧凑,机械机构越来越密集,而控制柜并没有无限增加空间的条件。过去很多设备设计完成机械结构以后,再为电气系统寻找安装位置,驱动器、继电器、电源和端子不断增加,最后不得不加大柜体或者增加第二只控制箱。如果部分简单运动轴可以把控制电子元件直接放到电机端,控制柜就可以把更多空间留给PLC、安全控制、电源和真正需要高性能控制的伺服系统。这也是分布式驱动真正容易进入标准设备的地方——它解决的并不是控制性能不足,而是设备内部元件越来越多以后出现的空间和布线问题。
不过,集成式BLDC电机并不意味着传统伺服驱动将被取代。需要精准定位、电子凸轮、高速同步或者复杂运动轨迹的设备,仍然需要更完整的伺服控制系统和工业网络支持。Dunkermotoren此次产品定位本身也非常明确,主要针对可靠转速控制而非复杂定位任务。对设备设计人员而言,真正发生的变化是运动轴开始进一步分级:复杂工艺轴继续使用高性能伺服,普通辅助轴则不必再按照同样的硬件规格配置。一台机器内部如果能够根据实际任务选择不同等级的驱动方案,整体成本和系统复杂度就有机会得到更合理的控制。
这种设计方式对设备采购也会产生影响。过去电机和驱动器往往作为两个独立类别选型,电机确定功率和转速以后,还要继续确认驱动器容量、控制方式和安装空间。集成式电机则把其中一部分匹配工作提前到产品内部完成,机器制造商采购的不再只是一个电机本体,而是一套已经包含基础控制能力的驱动单元。对于标准化程度较高的OEM设备来说,这有利于减少型号数量,但同时也要求采购部门更加注意产品的控制接口、替代关系和长期供应情况,因为电机与电子控制一体化以后,后续更换时需要确认的不只是机械安装尺寸。
维护方式也会跟着发生一些变化。传统外置驱动器出现故障时,维修人员可以分别判断是电机问题还是驱动器问题,甚至可以单独更换其中一个部件;电机与控制电子集成以后,系统更加紧凑,但故障单元也会更加集中。因此,设备制造商在采用分布式驱动时,需要把诊断方式、故障代码和备件策略提前考虑进去。对于批量设备,如果现场使用几十台相同型号的集成电机,准备统一备件反而比较方便;如果每一台设备都使用不同规格,则可能把原来驱动器的型号管理问题转移到电机端。
从工业自动化的发展来看,控制功能向现场设备下沉并不是第一次出现。远程IO把大量信号处理从中央控制柜移到设备附近,智能传感器开始自行提供诊断信息,阀岛把多个电磁阀和通信接口集中到现场,现在电机驱动也在沿着类似方向发展。中央PLC仍然负责整机逻辑,但越来越多具体设备开始在本地完成属于自己的控制任务。这样的架构可以减少长距离布线,也让设备模块更加独立,对于需要快速装配、扩展或者复制的机器具有现实价值。
8月这次新品发布真正值得工控行业留意的,因此并不是又增加了一款BLDC电机,而是运动控制正在出现更加清楚的层级分工。过去机器制造商习惯把驱动器全部集中到控制柜中,现在部分简单轴已经具备直接在现场完成速度控制的条件。随着集成电子元件的可靠性继续提高,输送、包装、物流、泵类设备和辅助机构可能会越来越多采用这种分布式结构,设备控制柜也会随之变得更精简。
对于自动化设备制造商而言,这种变化最终仍然要回到一个很实际的问题:一根运动轴到底需要多少控制能力。不是所有轴都需要最高配置,也不是所有设备都适合分布式驱动。真正成熟的设备设计,是根据运动任务、维护方式、安装空间和成本选择合适的控制等级。当越来越多基础驱动功能可以直接进入电机内部以后,电机、驱动器和控制柜之间长期固定的边界,也正在被重新划分。












