2. Sigma伺服硬件架构与选型
Sigma系列伺服系统的硬件并不是“买一台驱动器配一台电机”这么简单。一个可运行、可长期稳定工作的轴，至少由五类硬件共同构成：伺服驱动器（Servo Pack）、伺服电机、编码器、再生单元（再生电阻或再生单元）以及为驱动器直流母线供电的电源模块（或整流单元）。在多轴系统中，这些部件还要通过共用直流母线、共用电源模块和合理的容量分配组合成一个整体。理解它们之间的匹配关系，是后续参数配置、调试和故障排查的物理基础。
一、硬件架构：从三相交流到电机轴端
以常见的Sigma-7 SGD7S系列为例，典型单轴硬件链路是：三相AC 200V或400V输入 → 电源模块/整流单元 → 直流母线 → 伺服驱动器逆变桥 → 伺服电机 → 编码器反馈回驱动器。驱动器内部再通过MECHATROLINK、EtherCAT或模拟量/脉冲接口与上位控制器交换指令。再生单元则并联在直流母线上，用于吸收电机减速时回馈的能量。
这里有一个容易被忽略的要点：编码器不是独立选型项，而是与电机一体或配套的反馈元件。Sigma-7常用24位绝对值编码器（约1677万脉冲/转），选型时真正要确认的是编码器分辨率、绝对/增量类型、是否带电池保持多圈数据，以及电缆长度和屏蔽等级。分辨率直接决定定位的最小理论当量和低速平稳性，而绝对编码器决定上电是否需要回零。
二、驱动器与电机的匹配原则
驱动器选型的核心是电流匹配，而不是功率匹配。电机铭牌上的额定功率只是结果，真正决定驱动器能否驱动电机的是连续额定电流和瞬时最大电流。以SGM7J-04A（400W，额定电流2.9A，瞬时最大电流约9.3A）为例，应选择额定电流不小于2.9A、最大电流不小于9.3A的驱动器，如SGD7S-2R8A（额定2.8A）就偏小，应选SGD7S-5R5A（额定5.5A）留出余量。
实际选型还要考虑三个修正因素：一是负载惯量比，惯量比过大时驱动器需要输出更大加速电流，建议控制在10倍以内，超过时需增大驱动器容量或加减速机；二是连续工作制下的温升，驱动器应留20%~30%电流余量；三是电机与驱动器的编码器接口兼容性，Sigma-7的SGD7S只能配Sigma-7电机，不能混用Sigma-5电机，除非使用转换单元。
三、再生单元的匹配计算
再生单元是选型中最容易算错的部分。电机减速时处于发电状态，能量回馈到直流母线，导致母线电压升高。再生电阻的作用就是把这部分能量以热量形式消耗掉。计算步骤如下：
- 计算减速时的回馈能量：E = ½ × J × ω²，其中J为折算到电机轴的总惯量，ω为减速起始角速度。
- 计算回馈功率：P = E / t，t为减速时间。
- 与驱动器内置再生电阻的允许功率比较，若不足则外接再生电阻或再生单元。
例如：总惯量J=0.0005 kg·m²，转速3000 r/min（ω=314 rad/s），减速时间0.1s。E=½×0.0005×314²≈24.6J，P=24.6/0.1=246W。若驱动器内置电阻仅允许50W，则必须外接再生电阻。注意再生电阻的阻值不能随意选，必须落在驱动器手册规定的允许范围内，否则会损坏内部制动管。
四、电源模块与多轴共母线配置
多轴系统推荐使用共直流母线结构：一个电源模块（如SGD7S的电源单元或专用整流单元）为多台驱动器提供直流母线，各驱动器并联在母线上。这样做有两个好处：一是某一轴减速回馈的能量可以被其他轴加速时吸收，减少再生电阻发热；二是省去每台驱动器独立的整流环节，节省柜内空间和成本。
电源模块容量按同时工作轴的总功率估算，并考虑同时系数。例如4轴系统，每轴电机400W，若4轴同时加速的概率较高，电源模块容量应不小于4×400×0.7≈1120W；若轴间动作错开，可适当降低。实际选型时还要校核电源模块的额定输出电流是否大于所有驱动器额定输入电流之和。
五、多轴硬件配置的实操方法
以一个4轴XY平台+2轴旋转的示例系统说明配置流程。假设：X/Y轴各用SGM7J-04A（400W），旋转轴用SGM7J-02A（200W），共4轴。配置步骤如下：
| 轴号 | 电机型号 | 额定电流 | 驱动器型号 | 驱动器额定电流 | 再生方式 |
|---|---|---|---|---|---|
| X | SGM7J-04A | 2.9A | SGD7S-5R5A | 5.5A | 内置+外接 |
| Y | SGM7J-04A | 2.9A | SGD7S-5R5A | 5.5A | 内置+外接 |
| R1 | SGM7J-02A | 1.6A | SGD7S-2R8A | 2.8A | 内置 |
| R2 | SGM7J-02A | 1.6A | SGD7S-2R8A | 2.8A | 内置 |
电源模块选择：总功率约400+400+200+200=1200W，考虑同时系数0.7，约840W，可选SGD7S的电源单元或对应容量的整流模块。再生单元：X/Y轴因负载惯量大、减速频繁，需外接再生电阻；R1/R2轴惯量小，内置电阻即可。共母线连接时，所有驱动器的DC+、DC-端子并联，再生单元接在母线上，注意极性不能接反。
六、选型检查清单
- 驱动器额定电流 ≥ 电机额定电流 × 1.2
- 驱动器最大电流 ≥ 电机瞬时最大电流
- 编码器类型与驱动器接口匹配（绝对值/增量、串行/并行）
- 再生电阻阻值在驱动器允许范围内，功率满足最恶劣减速工况
- 电源模块容量 ≥ 同时工作轴总功率 × 同时系数
- 共母线时各驱动器电压等级一致，极性正确
- 电缆长度、屏蔽、接地符合手册要求，编码器线远离动力线
掌握以上匹配原则后，面对具体项目时就可以先确定电机和驱动器，再核算再生与电源，最后完成多轴共母线的硬件布局。这套方法不依赖具体型号，换用Sigma-5或Sigma-7都适用，区别只在手册中的电流表和再生电阻规格。