集中式还是分布式？
哪种架构可以带来卓越的技术与商业优势?
分布式伺服技术可以在安装环节为设备制作与工厂建设节省成本。该技术还具有另外两项优势：更低的机柜热负荷，以及更加直接的驱动器架构。但问题是，集中式与分布式的电机与驱动器解决方案，哪种技术更好？
在我们的生活当中，一个问题的答案很多时候不是非A即B，而是存在C答案。当我们讨论分布式与集中式伺服技术哪个才是卓越系统时，就属于这种情形。从商业和技术角度来讲，哪种架构对某种具体应用来说最好？答案并不是非彼即此这么简单。卓越选择可能是两种架构的结合与共存。当所采用的驱动器具有大量共同特征时，就可以将两种架构方便地加以结合。如此一来，对这些平台进行标准化将是卓越选择。
集中式架构 分布式伺服驱动系统常常应用于水平传送系统，而高度动态和高精密度的运动控制系统仍然由集中式伺服驱动系统所主导。这种伺服驱动系统以及其他控制部件，有时候还有一个完整的IPC系统，安装在一个控制柜内，以保护其免遭外部环境的影响。与电机的连接通常采用星型结构，每台电机上都有控制与电源电缆。由于产生的热量损失比较集中，因此需要在机柜内安装有效的空调系统。 分布式架构 分布式伺服技术基于以下基本原则：将单独的电机控制从中央控制柜移到被控流程附近。这种架构需要一个稳健的设计，以便能够提供高水平的环境保护能力。这种架构的优点尤其体现在电机布线的简化和节省上。另外两项优点包括EMC性能更好，以及分布式散热，从而可以降低对集中式机柜环境控制系统的需求及成本。
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作为分布式设备，科尔摩根专门为AKD-N系列特别设计了分布式伺服驱动器，以确保设备的功率密度不会降低。 照片来源：科尔摩根 |
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上述布局是一套分布式伺服驱动架构，配备了AKD-N多轴伺服驱动器、不同的电机类型，及单电缆连接技术。 照片来源：科尔摩根
| 机械制造行业的发展趋势 在包装机械和食品饮料加工机械行业，目前的趋势正在从以往的一米左右的集中式机柜模式，转向安装在机架内具有高度自我保护功能的小型单元。由于生产工厂正在向模块化方向发展，这使得功能的分散或结合变得非常必要。尤其是考虑到这样一个事实，即生产设备都是由主要流程和辅助性任务所组成。辅助性任务包括多种兼容的模块，例如传送系统、分拣系统以及处理单元等，这种分布式架构也为设备扩充提供了方便的途径。在此背景下，实践经验表明，分布式结构更具优势，特别是对于分散分布的单轴系统而言。相比之下，物理空间密集的同步轴机械模块和驱动器集中放置在机柜当中的机械模块通常被认为是优选结构。 降低安装成本 通过一套真实8轴金属成型机械，可以清楚地展示分布式技术在节省成本方面的潜力。该系统的第一根轴距离控制柜5米，其他的轴分别相距前一根轴3米。一套集中式控制系统将包括一个容纳驱动系统的中央控制柜，每个电机都具有单独屏蔽的电源和反馈电缆，电缆总长达248米。 |
但是，如果采用一个科尔摩根AKD-C电源模块和8个分布式AKD-N多轴伺服系统，可以将所需电缆长度缩短至34米。计算过程如下：采用一根5米长的混合电缆连在供电模块和第一个分布式驱动器之间，混合电缆为轴控制提供供电并作为现场总线。用一根3米长的混合电缆将每个额外的驱动器连接起来，电缆总长为21米。因为我们假设每部电机与分布式AKD-N多轴伺服驱动器相距1米，科尔摩根提供单电缆连接技术，因此仅需要另外8米长的电缆。综合起来，分布式系统可以将所需电缆长度从248米缩短到34米，节省高达86%。这些数据可以为OEM机器制造商就总成本效益提供了一个概念，其中包括电缆成本节省以及组装工作的减少。当系统轴需要额外的I/O设备时，这种布线的减少效果将会更加明显。在该种情况下，所需电缆长度不是372米，而是仅有42米。节省高达89%。
驱动器的这种布局带来的另外一个好处就是可以降低控制机柜功率散失，可以有效降低对空调系统的要求，从而为OEM机器制造商和最终用户提供直接的成本节省。如此以来，就可以缩小控制柜空调的规格，或者将其完全撤除，降低硬件以及后续运行成本,最终提升能源效率。
当KBM系列无框直驱电机能够与所服务的机械紧密连接时，可以展示最大的力矩。当与分布式AKD-N伺服驱动器结合使用时，这些优势将可以获得充分发挥。 照片来源：科尔摩根
| 降低复杂性所带来的技术优势 科尔摩根的AKD-N系列多轴伺服驱动器可以提供IP67防护等级，并通过一根11毫米直径的混合电缆与控制柜里的中央电源模块连接。通过一根电缆就可以提供供电和通信功能，无需任何额外布线。每个AKD-C电源模块可以支持两组AKD-N驱动器，每组可以连接多达8个AKD-N驱动器，每个驱动器的功率可以高达4kW。作为标配，可以通过混合电缆提供安全扭矩关闭功能，并可为驱动器单独提供，或为整个驱动器组提供上述功能。此外，由于采用了新的单电缆技术，因此在分布式伺服控制器与所连接的电机之间仅需要一根电缆，从而再也不需要像以往那样用两根电缆来供电和反馈信息。对于需要精确运动控制的材料处理应用，以往通常需要单独的电缆槽或导引链，用于布设电机和反馈信号电缆。如今这一需求因为布线大幅减少而降低。 更大的设计自由度 样本计算结果显示，分布式伺服技术结合单电缆连接电机与驱动器的技术，将可以大幅节省空间。这可以带来更小的电缆槽，更轻的导引链，以及更加紧凑的结构，为新机械的开发提供更大的设计自由度，主要原因是，与缺少灵活性的集中式控制设计相比，分布式技术大幅提升了系统的模块化能力。简而言之，这将让新的OEM机器制造商利用已开发模块来构建新的机械，提升工程设计效率。
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以混合方式使用分布式驱动器技术
另外一种使用分布式技术的方式，就是采用混合式集成解决方案。这种方案采用组合式电机与伺服控制单元，无需外部布线。这种“捎带”式解决方案有一个缺点，那就是随着环境温度的升高，驱动力将会下降。并且环境温度越高，性能下降越快，这是驱动器对过热采取的自我保护。由于这个原因，通常采用的电机规格都比所需规格要大一些，以便系统可以在电子器件允许温度范围内提供所需的性能。由于无法有效散热，因此典型的伺服任务，比如在定位过程中快速加速和减速，对于混合式设计来说就特别困难。而如果将电机与驱动器分离，就可以解决这种设计固有的性能下降问题，为采用具有更高能耗效率的更小型电机提供基础。此外，集成式组合通常专注于单一的电机类型，因而限制了机械设计的灵活性。相比之下，所有科尔摩根无刷电机都可以连接到分布式AKD-N伺服驱动器。这些电机包括传统伺服电机、直驱旋转电机，以及直驱直线电机，从而提供真正的设计灵活性与卓越性能。
的确，乍一看似乎集中式系统不过是电缆多一些而已。但是，这将会推升安装成本，占用机械内更大的空间。从以上图示，集中式与分布式布局的优劣不言自明。 照片来源：科尔摩根 | 集中式分布的示例 最后，为了澄清上述这些关系，我们将会展示一个该种伺服驱动技术应用于食品加工机械的例子。该流程首先要用称“切片器”的工具把香肠和奶酪切片，然后将切好的产品传送到传送带上。该流程不是简单地要求将一摞切片香肠从A点传送到B点，而是要传送符合要求的叠层薄片香肠。很明显，我们将需要采用高动态单轴定位系统。现在的问题是，如何将所需的复杂运动控制功能加以集成，同时保持集中的机械控制。切片器提供了一个很好的例子，因为它代表了一个具体的分布轴，并且其高功率需求无法通过一个分布式驱动器来加以满足。从制造的角度来说，我们主要的目标就是协调高度差异化的功能需求，从而将集中式与分布式解决方案广泛结合。科尔摩根的AKD-N系列多轴伺服驱动器刻意侧重于使用集中式AKD平台。它提供了适当的技术，以便通过广泛系列的兼容执行器，优化运动解决方案的选择，提供任务所需的性能。
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让杂乱的电缆变得更加有序：如果伺服驱动器在电机旁使用，那么就可以消除从中央控制柜布设出的复杂供电电缆，让安装变得更加清晰明了。
照片来源：科尔摩根
作者：
Arne Linder博士，产品管理，
科尔摩根，拉廷根
