基于分布式超低壓直流伺服技術的物流輸送系統

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摘要：在智慧倉儲物流領域，智能物流輸送系統能夠實現貨物的精準自動輸送，兼具高效快捷的優勢。隨著各行業倉儲物流中心的快速建設，該類系統需求持續增長，市場潛力巨大，應用前景廣闊。本文分別圍繞托盤級輸送系統和料箱級輸送系統，聚焦電機安全節能優化、關鍵部件結構設計、分布式通訊與供電、驅動控制等關鍵技術展開深入研究，提出了一種基于分布式超低壓直流伺服技術的高性能、低能耗的物流輸送系統。

關鍵詞：輸送系統、直流、超低壓、伺服電機、分布式控制

作者：張貽弓

蘭劍智能科技股份有限公司

一

引言

輸送系統是智能倉儲中的基石性設施，其構成為一系列連續輸送段的有序組合。根據運載對象的不同，輸送系統可分為托盤級輸送系統和料箱級輸送系統兩類：托盤級輸送系統的運載對象為托盤，具有負載大、周轉效率相對較低的特點；料箱級輸送系統的運載對象為料箱，負載輕，周轉效率高。

為積極響應國家綠色低碳發展戰略，本文聚焦于托盤級與料箱級輸送系統場景，對比分析了分布式超低壓直流伺服技術與傳統集中式交流異步電機技術在節能性、安全性、施工維護便捷性及運行平穩性等多方面的優勢，旨在為倉儲物流的綠色低碳升級提供技術路徑與實踐參考。

二

分布式超低壓直流伺服技術在托盤級輸送系統的應用

1.研究背景

傳統托盤級輸送系統通常采用集中式交流異步電機技術進行通訊和供電，該技術經典成熟，實施穩定。如圖1所示，集中式交流異步電機技術的拓撲主要包括控制柜和各終端。其中，控制柜內主要布局電源開關、PLC和大量的變頻器，終端則包括三相異步電機，以及涵蓋到位光電、按鈕盒、報警燈等的遠程IO模塊。控制柜與各終端之間采用星型連接的方式，由于終端數量較多，電控柜中需要布置的電器件增加，導致電控柜的尺寸要求更大，甚至需要配置多個電控柜。此外，隨著終端布置距離電控柜越遠，接線長度呈階乘數增加，造成走線復雜、數量龐大，安裝和檢修維護難度大。

圖1 集中式交流異步電機技術拓撲示意圖

集中式交流異步電機技術采用三相異步電機作為驅動，節能性較差，不符合倉儲綠色低碳需求。同時，三相異步電機需接入380V的三相工業用電，還需額外的電氣隔離設計來保障安全。

為了緩解上述問題，行業目前多采用分布式變頻器方案，即將變頻器布置在輸送設備側部，連接三相異步電機與光電開關，變頻器間通過“手拉手”的方式實現總線通信。該方案雖比集中式電控的方案節省走線，但因仍采用三相異步電機驅動，能耗問題并未得到改善。此外，變頻器體積大、成本高、安裝難，同時分布式不夠徹底，按鈕盒、報警燈等遠程IO模塊仍需要單獨接線。尤其在實際實施項目中，一般僅對定位精度要求高的三相異步電機配備變頻器，無精度要求的電機因不需要變頻器控制，仍需從電器柜中進行單獨接線，導致現場走線依舊混雜。如果所有三相異步電機均采用分布式變頻器方案，不僅造成一定的冗余浪費，還將顯著增加投入成本。

針對上述兩種托盤級輸送系統方案存在的問題，本文提出一種基于分布式超低壓直流伺服技術的托盤級輸送系統，以更高的節能效率、更徹底的分布式架構、更可靠的安全防護體系、更精準的運行控制能力、更平穩的輸送過程，重新定義行業技術標準。

2.技術特點

（1）更高的節能效率

本系統的分布式超低壓直流伺服技術采用基于永磁體的直流伺服電機作為驅動源，直流伺服電機在頻繁啟停、負載多變的工況下，最大可實現40%的節能效果，其主要原因為伺服電機的效率和功率因數受負載率變化影響較少，而異步電機受負載率的變化影響明顯。

圖2 異步電機和永磁同步電機的結構對比

如圖2所示，異步電機的轉子為非永磁材料，工作時轉子繞組需要先吸收電能勵磁，此部分電能最終發熱損耗，該損耗約占電機總損耗的20%～30%，造成異步電機的無功功率增加。而永磁電機轉子采用永磁體，工作時由永磁體來建立轉子磁場，轉子中無感應電流及電阻損耗，可實現高效的能量轉換，通過提高電機效率以實現節能[1]。

圖3 異步電機和永磁電機的效率曲線

圖4 異步電機和永磁電機的功率因數曲線

基于永磁電機與異步電機的轉子材料區別，異步電機和永磁電機的電機效率和功率因數的參數差異明顯，分別如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，①由于轉子繞組的材質不同，永磁電機的效率和功率因數要全面優于異步電機的效率和功率因數：永磁電機的轉子采用永磁體制成，磁通密度高，不需要勵磁電流，消除了勵磁損耗，大幅度減少了無功電流，因此永磁電機可以保持更高的效率和功率因數。②永磁電機具有更寬的高性能工作范圍：永磁電機可以在50%～160%額定功率的范圍內，均可以保持高性能工作，而異步電機則只有在100%～120%額定功率的范圍內，才可以保持高性能的工作。

托盤輸送系統的輸送負載較大，因各輸送段存在分時啟停、滿載/空托盤輸送，驅動電機會頻繁啟停且負載多變。對比異步電機和永磁電機的效率和功率因數，異步電機的工作范圍更窄，為滿足滿載啟動功率，異步電機的選型功率偏大，導致正常或空載輸送時性能冗余、能耗增加。而永磁電機工作范圍更寬，選型功率更小的電機即可滿足滿載啟動要求，正常或空載輸送時功率冗余小、能耗更低。例如500kg載重、12m/min輸送速度的工況下，三相異步電機需選型750W，而伺服電機僅為400W即可滿足工況要求。因此，在相同輸送工況下，伺服電機的選型功率可比異步電機的選型功率低40%，能耗進一步降低。

基于前述理論基礎，通過搭建三相異步電機（750W）驅動方案（左下）和伺服電機（400W）驅動方案（右上）的試驗托盤輸送線，如圖5所示。兩種方案采用相同的輸送布局，依次包括短程提升機、輥筒輸送一段、輸送轉臺、輥筒輸送二段、頂升移載機和鏈條輸送機，該輸送布局已經涵蓋常用托盤輸送設備，設置兩種方案在500kg載重、12m/min輸送速度的工況進行循環往復作業，測試兩種方案下的能耗表現。

圖5 三相異步電機驅動方案和伺服電機驅動方案試驗輸送線示意圖

通過對三相異步電機驅動方案和伺服電機驅動方案的試驗輸送線進行能耗監測，系統整體每小時的耗電量對比如圖6所示。伺服電機驅動方案相比于三相異步電機驅動方案，每小時能夠節能0.47kWh，即伺服電機驅動方案可實現節能42%。在實際項目中，托盤輸送系統往往需要布置幾十甚至上百段的動力段，則整套輸送線全年可實現節省上萬度電能。

圖6 三相異步控制方案和伺服控制方案每小時平均能耗量

在倉儲項目中，伺服電機驅動方案相比于三相異步電機方案明顯降低了無功功率的消耗，可減小項目供電變壓器的選型容量，進一步節省成本。此外，根據水利電力部和國家物價局頒發的《功率因數調整管理辦法》[3]的規定，用戶用電功率因數影響發供電設備利用率、電能節約及電壓質量，辦法規定企業功率因數需達標，高于標準可享電費減免，低于標準則面臨電費增收。伺服電機驅動方案能提升項目整體用電功率因數，除減少實際用電量外，還可避免電費懲罰性支出，甚至獲得減免，進一步降低電費成本。

（2）更徹底的分布式

本文提出的基于分布式超低壓伺服技術的托盤級輸送系統的分布式覆蓋范圍更廣，采用“串型”連接的通信和供電母線方案，通過敷設供電母線和通訊母線，驅動電機和遠程IO模塊均可通過控制器接入到母線上，實現供電和通訊的同步分布式連接。控制柜中只需布置供電電器件，容量需求與占用空間顯著降低；同時“共用母線”簡化了現場線纜布置，節省空間且提升安裝維護便捷性。

圖7 托盤級輸送系統分布式方案

如圖7所示，基于分布式超低壓伺服技術的托盤級輸送系統的拓撲中，直流電源箱引出電源總線，網關箱引出通訊總線，兩條總線采用扁平線結構，沿輸送設備進行敷設，并依次串聯所有伺服電機的自研控制器。控制器通過刺入式的方式連接總線，且控制器體積小巧，可完全嵌裝在輸送設備的側邊，便于安裝調試。更為關鍵的是，光電開關、按鈕盒、報警燈等遠程IO模塊也經控制器接入總線，實現了托盤輸送系統中分布式“全覆蓋”，無需再從電控柜進行額外接線。這一設計顯著精簡了現場布線，不僅降低接線施工與后期維護檢修難度，還有助于縮短項目交付周期。

本系統的供電總線采用48V直流供電電源，并在供電母線的末端創新性地接入具備快速吸收大電流能力的超級電容。當輸送系統中的托盤減速、剎車或下坡時，電機進入發電狀態，產生“再生能量”并回流至供電總線，超級電容可迅速儲存該能量。該設計不僅能夠有效避免總線電壓異常升高，還可以在電機下次啟動或加速時釋放所存儲的能量，實現能量的循環利用，進一步提升系統能效。

本系統的通訊總線采用基于CAN自由總線的分布式自定義通訊技術。該技術通過觸發式的方式進行信息發送，相較于輪詢式的通訊方式，具有更強的實時性與系統響應速度。同時，通訊字段降低，有助于節省網絡帶寬和系統資源，非常適用于輸送系統這種大規模設備連接場景。

基于CAN總線的通訊方案，本系統還自主研發了多個CAN接口的Profinet轉CAN協議網關通訊技術[2]，在實現CAN協議轉換的同時，網關可向多輸送線方向布線以提升設備接入能力；配合自研分支CAN中繼器，能雙向延長總線與支線通信，適配大規模設備連接場景，進而提升系統穩定性、通信數據量及傳輸效率。

（3）更可靠的安全性

本托盤級輸送系統采用統一的48V直流電壓供電標準。該電壓等級屬于安全超低壓范疇無需額外進行用電安全設計，直接從源頭規避用電安全隱患。

基于用電常識，當電壓低于安全限值時，其與大地之間形成的回路中通過人體的電流極小（在人體電阻≥2000Ω時，通常≤24mA），不會對人體構成危險，并能確保觸電者可以自主擺脫電源。這一安全原則已獲得多個國際權威標準的確認：中國國家標準GB/T 3805-2008標準中認證直流超低電壓限值為70V[4]；美國標準NFPA 70-2002中認證直流超低電壓限值為60V[5]，歐盟標準IEC 61010-1-2010認證直流超低電壓限值為70V[6]。基于這些標準，本系統借鑒物流機器人技術，權衡安全與經濟性選擇48V直流供電，即使電機漏電，檢修時也不會對人員造成實質傷害，提升了維護安全性。

（4）更高的平穩性和精準度

本文提出的托盤級輸送系統采用伺服電機為驅動，相比于三相異步電機啟動更平順、運行更精準、托盤垛輸送更平穩，可有效降低啟停時的晃動，提升到位精度。在托盤輸送場景的測試中，以尺寸為1200mm×1000mm×1780mm（長×寬×高）、重量為500kg的托盤垛作為測試輸送樣本，伺服電機驅動方案托盤垛在啟停時的晃動幅度為±5mm，而三相異步電機驅動方案的托盤垛晃動幅度為±20mm；伺服電機驅動方案的托盤垛定位誤差≤10mm，而三相異步電機方案的托盤垛定位誤差≥25mm。

伺服電機驅動方案之所以具有上述優勢，核心源于其在轉子結構、控制技術與反饋機制三方面與三相異步電機的關鍵差異：①轉子結構：伺服電機采用永磁體轉子，具有質量輕、慣量低的特性，能夠快速響應驅動器發出的扭矩指令，實現速度的線性變化；而三相異步電機為籠式結構，質量大、慣量高，高慣量導致轉子加速/減速時需要更大的扭矩克服慣性，速度變化滯后于指令信號。②控制技術：伺服電機的矢量控制技術，能夠在低速甚至靜態下穩定控制扭矩輸出，保證轉速平穩變化。而三相異步電機依賴轉子與磁場速度差來產生扭矩，在低速區間扭矩輸出既小又不穩定。③反饋機制：伺服電機通過配備高精度編碼器實現閉環控制；而三相異步電機則無反饋機制，其運行狀態完全依賴預設參數，無法感知負載變化、機械慣性等干擾。

3.關鍵指標對比

表1 托盤級輸送系統的指標對比

基于上述技術特點，本文提出的超低壓直流伺服驅動方案在多項關鍵性能上均顯著優于傳統集中式三相異步電機驅動方案。托盤級輸送系統的指標對比參見表1。在輸送精度方面，定位誤差提升幅度超過63%；基于同樣貨物高寬比條件下，晃動幅度減小了75%。能效方面提升尤為顯著，整體能耗降低達42%，能效等級達到國家一級能效標準。同時，基于伺服電機選型功率的降低，伺服電機的安裝結構也趨于簡單，電機更換時間大大降低，維護效率提高。此外，基于直流超低壓電源的選擇，本系統用電更加安全。

三

分布式超低壓直流伺服技術在料箱級輸送系統的應用

1.研究背景

傳統的料箱級輸送系統，其核心特征在于驅動層面采用了混合技術架構，即通常由低壓直流電動輥筒與交流三相異步電機共同組成。

得益于料箱輸送的輕負載特性，該混合驅動模式允許工程師根據不同輸送單元的特定功能需求，選擇性價比最優的驅動方案。例如：對于需要分區控制、啟停頻繁或零壓積放（ZPA）的輸送段，常采用控制靈活且節能的直流電動輥筒。而對于需持續高速運行、爬坡或帶動皮帶等強動力場景，則選用結構簡單的三相異步電機。

為有效管理與協調該混合驅動系統，控制層面已發展出分布式控制解決方案。此類方案將控制邏輯下沉至現場，通過總線連接各個驅動和傳感單元。其中，以ASi總線等平臺為典型代表。

當前分布式方案的最大痛點在于其覆蓋范圍不全面，未能形成一個真正統一的控制與供電平臺，導致系統被分割成多個異構的“技術孤島”。首先，動力系統割裂，直流輥筒與三相異步電機供電體系不兼容，需并行部署兩套獨立的供電系統，增加了布線復雜度和成本。其次，電控IO設備的集成度低，傳統料箱輸送系統的分布式控制方案未能集成最常用的電控IO設備，按鈕盒、狀態報警燈、急停開關等仍需要通過多芯電纜單獨鏈接至遠程IO模塊或主控制柜，違背分布式總線簡化連接的初衷。

針對上述料箱級輸送系統的現存問題，本文提出基于分布式超低壓直流伺服技術的料箱級輸送系統方案，旨在實現更廣泛的分布式架構覆蓋與更高的節能效率。

2.技術特點

（1）覆蓋更廣泛的分布式

圖8 料箱級輸送系統分布式方案

本文提出的基于分布式超低壓直流伺服技術的料箱級輸送系統采用共用母線的方式貫穿所有驅動電機和所有電控IO設備，如圖8所示，其中共用母線包含供電母線和通訊母線，通過自主研發的電機控制卡，不僅可以實現對伺服電機和電輥筒的精準控制，還可以接入光電開關、按鈕盒、報警燈和急停開關等電控IO設備，實現了項目現場“全覆蓋”，其分布式覆蓋范圍更廣泛，簡化了現場接線，降低施工難度，縮短項目交付周期。

（2）更高的節能效率

本文的料箱級輸送系統的供電母線采用直流供電電源，根據不同輸送設備的使用場景和要求，對其進行設計和驅動設備的選型，最終統一各驅動設備和電控IO設備的用電電壓，拋棄使用能耗高的三相異步電機，既簡化了接線，還降低了能耗，提升節能性。

而且，與傳統料箱級輸送系統普遍采用的24V直流電壓相比，在綜合考量安全直流電壓標準及常用電器電壓適配性的基礎上，選擇48V供電方案更具優勢，采用更高的電壓可降低電路中的電流，根據焦耳定律，在非純電阻電路中，發熱量與電流的平方成正比，因此48V直流供電能顯著減少因發熱產生的無功損耗，從而實現進一步的節能效果。

3.關鍵指標對比

本文提出的料箱級輸送系統基于全直流分布式方案，在系統集成度、供電統一性與能效方面均優于傳統混合驅動方案。在分布式涵蓋范圍上，本方案實現了對電輥筒、直流伺服電機、光電開關、按鈕盒、報警燈和急停開關等的全覆蓋，而傳統混合驅動方案中僅能連接電輥筒和光電開關；在供電方面，本方案采用直流48V供電，避免了傳統混合驅動方案中因電輥筒采用直流24V和交流380V混合供電所導致的接線繁雜問題；而且根據焦耳定律，全直流分布式方案采用直流48V供電相比于傳統直流24V供電可降低線損，進一步提升節能效果。具體指標對比參見表2。

表2 料箱級輸送系統的指標對比

四

項目應用

目前，本項目研發成果已在全國范圍內推廣應用。自2022年起，累計落地料箱級輸送應用項目和托盤級輸送應用項目均已達百項，48V伺服電機及電輥筒應用數量已達數萬量級。研發成果服務于醫藥、新能源、電商、電子、食品、化工、第三方物流（3PL）等多個行業，典型項目包括億聯網絡智能產業園智能倉儲系統項目（通訊行業）、大參林中西藥聯合存放立體庫項目（電商零售行業）、海王星辰智能立庫項目（醫藥行業）、陜煤物資庫油脂庫項目（化工行業）、聯想天津智慧中央倉項目（電子行業）、中遠海運空運白云機場自動化倉儲項目（3PL）等，均取得了良好的應用效果。

以某頭部光伏企業A倉儲項目為例，該項目輸送部分采用全伺服驅動的托盤級輸送系統，其中輸送線布局約1400m，集成應用鏈式輸送機、輥筒輸送機、鏈條轉臺輸送機等多款全伺服托盤輸送產品，配套投入使用伺服電機550余臺。有效提升輸送線的響應速度和輸送精準度，與同體量的已投產早期項目（采用集中式三相異步電機方案）對比，項目能耗顯著下降。

再以某醫藥行業B項目為例，該項目同時搭建料箱級輸送系統和托盤級輸送系統，全面落地分布式超低壓直流伺服方案。其中料箱級輸送系統布局輸送線約500m，配套使用伺服電機140臺，自制48V直流電輥筒370根；托盤級輸送系統布局輸送線百余米，應用多款全伺服托盤輸送產品，累計使用伺服電機數十臺。系統加減速過程中運輸平穩性大幅度提升，避免了液體類貨物的過度晃動，保障了貨物平穩輸送，提高了物流輸送效率，也明顯降低了設備能耗。

五

結語

本文打破行業創新慣性，聚焦被視為“高成熟度”的輸送系統，深入剖析傳統輸送系統存在的核心問題：功耗偏高不符合低碳趨勢、施工復雜影響交付周期、輸送精準度及平穩性不足影響效率，以及安全性不足帶來的用電隱患。在此基礎上，系統性地提出針對性的改進方案。本研究積極踐行國家《“十四五”智能制造發展規劃》和《新一代人工智能發展規劃》等方針政策，通過關鍵部件自主研發及技術創新，推動高端物流裝備行業技術升級與產業鏈高質量發展，為智能倉儲物流的發展提供了新的方向。

參考文獻:

[1]姜淑忠.永磁電機、驅動、控制的集成開發.世界儀表與自動化[J].2007, 11(2):28-30.

[2]吳霞. Profinet總線技術在煙草物流控制中的應用.物流技術與應用[J].2011,(07):106-107.

[3]水利電力部,國家物價局.關于頒發《功率因數調整電費辦法》的通知（（83）水電財字第215號）[S].1983.

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T3805-2008特低電壓限值.中國標準出版社[S].2008.07.11.

[5]美國國家消防協會.NFPA 70-2002 National Electrical Code[S].2002.

[6]國際電工委員會.IEC 61010-1:2010 Safety requirements for electrical equipment for measurement, control, and laboratory use[S].2010.06.10.

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編輯、排版：王茜

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