机器从传动到控制电机的发展

自人类迈入电气时代，电气传动至今仍为人类提供高效的动力，并引发了产业的效率不断提高，同时，对于机器而言也存在着大量定位同步控制需求，伺服电机很好的解决了定位精度、速度与位置同步等更高级的应用，但是，在很长一段时间，伺服电机是昂贵的，仅在一些军工、航空航天领域有应用，而随着电力电子技术、稀土永磁马达、编码器技术等的快速发展，以及成本的不断下降，包括数字信号处理器等发展，伺服驱动与电机才得以在工业各个场景中大量的应用。

伺服控制与传动技术对于机器的变化是革命性的，它使得人类的机器到了无以复加的制造能力，加工出更高精度的产品、更高速度的切换生产线，这些使得制造的成本不断下降，进而，每个消费者才能享受成本极低的各类产品。

ACOPOS——出自书香门第

1997年，B&R发布了他们的第一款产品ACOPOS驱动系统，ACOPOS的全名是Advanced Coordinated Optimized Positioning OS,是一个“高级、协同、优化的定位操作系统“的意思，在希腊语里ACOPOS这个词的意思是“不费力的，容易的“的意思，他们给它起了这么文艺的名字，不愧是书香门第的出身。

与其它从电机出身到驱动器的不同，B&R这个做控制器出身的，把他们对于“控制”的理解都凝聚到了这个驱动系统中，这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，达到了令人叹为观止的程度。

图1-ACOPOS正装照（2000年）

早期的ACOPOS和其它驱动器也并无二致，采用NC154并由PG2000的编程环境对其进行控制开发，随着B&R的集成开发平台Automation Studio的投入应用，新的控制系统架构使得Motion Control可以在PLC上直接运行，通过CAN总线就可以对多个轴进行定位同步控制，到了2001年，ACOPOS更是集成了POWERLINK实时以太网接口，当时的一个项目中采用了50个ACOPOS伺服轴、2000个I/O(300个模拟量)，当时就达到的刷新速度为2.4mS，想想，那已经是18年前的事情了。

伺服轴的应用带来机械的灵活性

机器除了对精度、速度的要求，在新的机器设计中，灵活性也开始变得越来越重要，这使得伺服系统的应用更为广泛多样，例如在电子凸轮裁切、前缘送纸机构等领域，采用伺服轴来代替传统机械轴的高昂的机械凸轮机构、不灵活的裁切都是伺服系统大量应用的原因。

在这些应用中，ACOPOS的架构扮演了非常有效的角色，因为它可以提供非常便利的电子凸轮、电子齿轮配置，对于贝加莱的运动控制系统而言，其设计思想非常简单，将整个机器理解为不同的运动控制在速度、位置、扭矩上的数学关系，其通过通信实现同步关系，而不同的运动控制就是不同的曲线之间的切换，无论是基于时间、事件、外部传感器触发，而ACOPOS系统的智能算法则为这些切换提供平滑的过渡。

基于这样的运动控制思路，使得贝加莱的运动控制非常灵活，易于实现机器的灵活设计，因此，ACOPOS开始被广泛的应用于纺织、印刷、包装、塑料等各个工业领域。

ACOPOSmulti——多轴驱动系统诞生

1、独立驱动系统的需求产生

在2000年后，越来越多的伺服轴的使用不再仅仅是为了提供高精度定位与同步控制，随着伺服系统的价格变得更为经济，因此，由“电子轴”代替传统的机械轴的机器设计变得更为流行，如在印刷机械行业，由伺服轴代替了传统的印刷机械长轴，这有点类似于火车的动车组，每段车厢自主驱动，提高了编组的灵活性，以及整个车辆本身的能源应用效率，而其他诸如在粗纱、细纱机领域多轴伺服应用也是同样道理，包括在包装机械里采用独立的伺服驱动用于吹瓶单元的牵伸、旋盖等。

这些应用场景带来了多轴同步控制的需求，而基于POWERLINK，ACOPOSmulti可以通过虚拟主轴技术来实现电子齿轮、电子凸轮同步，其可以理解为一个“数学”上的模型计算出同步关系，然后下发给执行机构，可以理解为“没有偏差”（因为传动精度远大于机械的目标精度）。

2、ACOPOSmulti——多轴价更好！

到了2004年，研发工程师们发现多轴同步的场景越来越多，而且伺服轴的应用越来越普遍，一台机器出现20/30，甚至上百个伺服轴的应用也层出不穷，因此，他们推出了专门针对轴比较多的情况下的应用产品，ACOPOSmulti—基于共直流母线技术（Common DC-Bus），它相比ACOPOS具有更强的多轴集成功能，出现了双轴模块，统一的逆变器，通过直流母线DC-AC驱动电机，由于采用了公共的直流母线单元，因此，当轴大于4个的时候就比单独的ACOPOS更具性价比了，而当轴达到30个以上的时候，它已经比ACOPOS降低了30%的驱动系统成本。

图2-ACOPOSmulti驱动系统

3、功能强大——ACOPOSmulti实现掉电停车功能

对于一些多轴系统，存在多个轴需要同步，而其机械惯量有较大的差别，那么在突然掉电的情况下，就无法确保高精度的同步停车，这会造成类似纺织、金刚线切割等场景断线，而这影响了生产的连续性突然宕机个的非，因此，ACOPOSmulti的掉电停车功能就可以发挥作用，当ACOPOSmulti检测到突然掉电， 此时大惯量轴处于发电机状态， 可以通过IGBT使得其再生能量回到直流母线，保持直流母线电压稳定，以确保在掉电瞬间保持安全同步停车。

图3-ACOPOSmulti实现掉电停车功能简图

4、总计728轴的应用

ACOPOSmulti曾经在2012年创造了728轴的高速同步，可以达到400米/分钟的薄膜牵伸控制，400μS的速度同步刷新，并且其中大部分的轴处于同步状态，实现对薄膜10米幅面的牵伸加工，采用ACOPOSmulti控制的直线电机进行X轴、Y轴两个方向的同步牵伸。

图4-Bruckner的薄膜牵伸线多达728轴

在2011年，B&R还推出了针对高防护等级环境要求的IP65防护等级的ACOPOSmulti 65系列。

ACOPOSinverter

除了ACOPOS伺服驱动和ACOPOSmulti多轴驱动系统，针对大量的变频器应用场景，2009年推出了ACOPOSinverter，以强化其产品线的完整性，给客户提供更为完整的解决方案。

图5-ACOPOSinverter变频器

尽管作为变频器的提供商，贝加莱显然是比较晚的，但是它将POWERLINK实时通信纳入了产品中，这使得该变频器具有了非常强的同步能力，并且ACOPOSinverter的P74系列还能提供书本式的安装方式，非常紧凑，并且带有Safety功能的集成。

ACOPOSmicro

在2011年，为了解决在小型的驱动系统的成本问题，ACOPOSmicro设计出来，其定位于小功率范围的伺服驱动，并可配置为两轴模块。

图7-ACOPOSmicro照片

ACOPOSmotor

ACOPOSmotor是在2012年推出的产品，这个款比较特殊，来自于产业客户的实际需求，因为在啤酒饮料、制药的现场会存在大量的紧凑型设计需求，另外，这个场景还需要驱动器具有高的防护等级，IP65的设计，使得ACOPOSremote可以直接接入到有清洁环境的领域。

图6-ACOPOSmotor伺服驱动与电机集成

ACOPOSmotor最难的在于它需要非常强的散热设计，对于如此紧凑的电机与驱动而言，其对功率器件、电子器件的选择都是更为苛刻的.

ACOPOSmotor为啤酒饮料灌装、制药等应用场景中的分布式运动控制应用需求设计，例如在滑环连接应用中，通过直流供电单元可以为滑环内侧的多个电机提供电力供应，在其内部降低了动力布线，在整个机器布局范围较大，并且有水清洗的场景中，电缆以及为此部署的电柜都是昂贵的成本，通过ACOPOSmotor的分布式直接安装，这些成本也大幅度下降，并且，ACOPOSmotor的电缆将动力、编码器信号、通信混合传输，也会降低安装维护的复杂性。

应用场景：ACOPOSremote被用到了伺服拉伸吹瓶、旋盖单元。

ACOPOS P3-智能、灵活、力量、速度

2015年，随着功率器件和控制芯片如FPGA成本的不断下降，贝加莱推出了更具竞争力的ACOPOS P3，这款驱动系统拥有了更为强大的处理能力，采用更高开关频率的功率器件，使得P3兼具了高动态响应的速度、复杂算法的智能、更高功率密度带来的力量、以及实时处理带来的灵活性。

图8-力量、速度、灵巧、智能融于一体的ACOPOS P3

1、天下武功，唯快不破

P3的响应速度极其快，其位置环控制可以达到50μS,这使得P3可以处理非常高精度、高速的同步、定位任务。

图9-ACOPOS P3拥有50μS的位置环处理能力

2、一拖三的强大动力

ACOPOS P3的P3-代表的是三个轴的驱动能力，这意味着电柜体积的下降，据测算，相较于ACOPOS驱动器的年代，P3整个降低了69%的电柜空间，并且ACOPOS P3三个轴带有丰富的编码器支持能力，针对不同的场景，现场有各种反馈器件，对于P3而言，不管你是Endat还是Hiperface，不管是旋转编码器、绝对值、单圈/多圈的、增量的、Sin/Cos，反正你都来接，自适应。

图10-三轴驱动的ACOPOS P3系列

图11-简单的运动控制架构实现多轴控制

ACOPOStrak-单机必然到产线集成

时光到了2017年，贝加莱又推出了更为震撼的ACOPOStrak系统，这是一个典型的机电一体化对象，与之前的ACOPOS系列产品还局限于工业电子，ACOPOStrak则延伸到了机械系统，轨道与穿梭车的设计。

图12-ACOPOStrak柔性输送系统

制造业对产线融合设计的需求

在新的智能时代，生产已经不再局限于一个单机设备了，而是要不同的设备构成连线生产的能力，这就像使得离散制造像流程工业那样变得连续，而要想实现连续，输送系统变成了其中的关键，传统的连接通常是通过机械系统的，对于电子传动技术已经各个机器效能发挥到极高的时候，传统机械的传动方式其实已经不再能够胜任新的连线高速生产了，因为机械的磨损、不灵活等等都将制约连续性生产的苛刻需求。

硬核科技在其中

ACOPOStrak最炫酷的点在于其所实现的分流、汇流，即高速变轨技术，而另一个不为人所知的则在于它的基于过程的控制，对于这么多不同类型的轨道、这么多个动子，如何避免不碰撞，且能够灵活的适应新的工艺变化，实现自动的路径生产，这可能是其中隐藏其中看不到的“硬核”技术，所谓的“智能”就体现在这里，相对于其他家而言，ACOPOStrak这点能力极其突出，因为大量的程序（If-Then）来对路径进行判断显然并不是真正的高效设计。

运动控制-从硬件到软件

其实，伴随着ACOPOS家族产品硬件的一直是软件的强大，基于Automation Studio平台，ACOPOS驱动系统各个产品能够发挥控制系统的全局能力，这与其它来自电机出身的运动控制有较大的差别，这使得贝加莱在运动控制的协作方面，机电融合方面更具有领先优势和全局视野。

图13-mappMOTION

最新的mappMOTION即使基于PLCopen Motion Part IV协同运动控制的封装，它与mapp的其它模块共同构成了机器的软件，仅需简单配置即可实现应用。

关于贝加莱

贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业，2017年7月，贝加莱成为ABB集团全球机器与工厂自动化业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者，贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力，为各个产业客户提供机器与工厂自动化、运动控制、HMI以及集成安全技术的完整解决方案。通过工业物联网通信标准如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及贝加莱强大的Automation Studio软件开发环境，贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。贝加莱保持持续的创新精神，为客户提供更为简化以及超出预期的工业自动化领域前沿技术与方案。