直驱伺服教程，应用程序更新

了解工业直驱伺服电机技术有助于应用伺服电机在各种应用。什么是直接驱动电机?什么时候使用直接驱动伺服电机能比基于变速器的替代方案提供更好的性能指标?

图1显示了安装在钢板上的典型直驱电机，用手转动旋转法兰。直接驱动电机的特点是圆柱形的“甜甜圈”形状，旋转法兰中间有一个孔。它通常没有标准伺服电机的电机轴。直接驱动电机的旋转部分仍然称为转子，沿法兰有安装孔。负载直接连接到电机的法兰上。这就是这个名字的来源:“直接驱动电机。”

不动的部分称为定子。这是电缆连接的地方。定子也有安装孔，用螺栓固定在机架上。

汽车词汇直接驱动电机也可以称为扭矩电机或轮毂电机。

直接驱动电机的扭矩比标准伺服电机高得多，速度也低得多。它们以速度换取扭矩，典型的最高转速只有几百转/秒，而极高扭矩下只有几十转/秒。

直驱电机的尺寸、选型

直接驱动电机的速度转矩曲线很像一个齿轮减速器在10:1左右和更高，有时高达100:1的伺服电机。图2显示了速度扭矩曲线以及RMS和峰值工作点的应用程序，将适合齿轮传动伺服电机或直接驱动电机。本例中的两个系统都可以提供约28 Nm的扭矩，峰值扭矩可达约50 Nm，最高转速略高于100 RPM。

直接驱动电机显然要大得多，有一个宽的安装法兰。两种电机都可以解决这个问题。但即使是最好的变速箱也增加了一定程度的合规性和反作用。因此，直驱电机将以更高的精度、更好的重复性和更短的沉降时间完成任务。稍后再详细介绍。

直接驱动电机的应用

这是有意义的青睐直接驱动电机超过齿轮电机的各种旋转应用。直驱电机应用速度相对较低，机构设计为法兰安装而不是轴安装。最常见的应用是转盘，或旋转分度机。另一个很好的应用是驱动线轴卷绕应用，或印刷或切割辊。用于机器人机构的关节可以受益于直接驱动电机的性能和紧凑的尺寸。用于抓取和放置的夹持器的旋转定位，或天线，望远镜，旋转部件制造和激光定位也是直驱电机可以提供优越性能的应用。

直驱伺服一般不用于线性机构。线性直接驱动等效是直线电机，它直接驱动负载，以避免在皮带、螺钉或齿条和齿轮等机构中发现的间隙和遵从性。

直驱电机的构造

像一个标准的伺服电机，转子的直接驱动电机是由一个铁结构与永磁体组装。定子中的线圈产生一个移动的磁场，将扭矩施加到所需的方向。通过旋转编码器向控制系统提供位置反馈。

两种基本转子设计布局存在:内转子和外转子。内转子外面有定子线圈。相反的结构是外转子，定子线圈在内部。内转子配置能够为给定的电机尺寸的最高加速度。外转子意味着电机具有更高的惯性矩，更适合控制高惯性负载

两种基本的定子设计也存在;铁芯和无芯。定子线圈可以包裹在铁芯上，这增加了定子中的磁场强度，从而在较小的电机中产生更高的转矩。无芯意味着线圈中没有铁。当给定电机尺寸的转矩较低时，无芯提供了最精确的速度控制，没有转矩脉动的齿槽转矩成分。

旋转应用的替代机制

这是有意义的了解直接驱动电机的选择为给定的旋转应用。

最流行的是使用行星齿轮或其他齿轮技术来降低速度和增加扭矩。

使用皮带和皮带轮系统也能达到同样的效果。有时两者同时使用。

性能指标:直接驱动优势

与具有相似扭矩和速度特性的齿轮或皮带机构相比，旋转应用具有直接驱动性能优势。我们将查看图10中列出的成本、扭矩、速度、刚度、间隙和其他参数。让我们定义这些指标，然后讨论每种技术的优点和缺点。这不是一个严格和绝对的评价，但代表了一般的行业趋势。

直接驱动电机的初始成本

让我们从底线开始，初始成本。带轮传动的成本明显低于齿轮箱。但最大减少量约为3:1。这意味着低速和高扭矩的应用将需要更大更昂贵的伺服电机和放大器。直接驱动电机的初始成本仍然高于这两种基于变速器的替代方案。

除了电机和变速器，还有联轴器和额外的轴承来支持负载的成本。集成这些组件需要设计和工程成本。然后考虑性能和维护的长期成本。对于低速旋转应用，直接驱动解决方案设计简单，初始成本最低，同时提供最高的长期性能。

刚性、系统振荡

最重要的性能特征之一是刚性。每一个机械连接的元件都有一定的刚性，即弹簧常数。这种刚性，连同每个元素的质量，定义了系统的固有振荡频率。如果这些频率太低，能量的释放会对电机造成明显的干扰。这会干扰定位负载的控制系统算法。

带刚性

在基于皮带的传动中，伺服联轴器将输出滑轮连接到旋转负载。负载的重量由环形轴承支撑。皮带和皮带轮的比例有一个大约3:1的实际限制，超过皮带的角度导致与驱动皮带轮的表面接触太少。尝试纠正多级或过长的输送带通常是不现实的。相反，伺服电机通常是超大的，以实现所需的扭矩低速应用。在图11中，当电机开始转动时，首先皮带根据其弹簧常数偏转。然后联轴器偏转，直到载荷最终移动。

由于电机联轴器、负载联轴器和长轴，也会发生刚性损失。

齿轮刚度

在齿轮传动装置中，伺服联轴器将齿轮箱输出连接到旋转负载上。负载的重量再次由环轴承支撑。行星和多级齿轮头通常首选低回隙和高刚性。为简单起见，单级齿轮减速器如图12所示。

齿轮箱的刚性比皮带高得多，但同样的原理适用。电机转动输入齿轮，输入齿轮偏转，输入齿轮偏转，输出齿轮也在一定程度上偏转。与负载的耦合可能偏转最大。

直接传动刚度

直接驱动电机绕过所有的传动元件，他们的结果遵从性和相关的谐振频率。直驱电机通常配备非常大的轴承，以增加轴向和径向负载能力。这并不是说没有共鸣。

谐振频率仍然可以由负载本身产生，或通过电机和负载之间的任何安装板或扩展。甚至在电机定子和机架之间可以产生共振，就像在基于传动的系统中发现的那样。但是直接驱动系统的高刚性导致了高谐振频率，超出了操作系统带宽。

负载惯性，加速度

谐振频率也是负载惯量和电机惯量的函数。这总结在一个关键的性能指标，称为负载电机惯量比。伺服系统的负载与电机惯量比通常小于10:1，以便电机通过柔性联轴器对负载进行可接受的控制。直接驱动应用不使用柔性耦合，因此可以支持更高的惯性比。负载惯量对于直接驱动电机来说是很重要的，因为它根据牛顿第二定律限制了加减速率。它还影响轴承寿命。

直接驱动电机的低摩擦意味着几乎所有停止移动负载的动力都必须由电子驱动系统提供，这也可以限制最大负载。

间隙，旋转传动传动

旋转传动传动的性能受到一种称为间隙的影响。这是机构反转时失去的运动。齿轮箱在驱动链轮和输出链轮之间有一定程度的间隙。对于皮带系统，间隙发生在皮带和皮带轮的齿之间。

制造商已经开发出减少驱动传动中的回隙的方法，并在控制系统中对其进行电子补偿。但总会有某种程度的反弹，而且随着机制的磨损，这种反弹往往会变得更糟。结果再次是负载的位置不能由电机编码器的位置精确确定。它也可能导致调整不稳定和嘈杂的操作，因为负载断开从电机在反转后的短时间内。

间隙也会导致调整不稳定和嘈杂的操作，因为负载在反转后短时间内从电机断开。直驱电机是唯一的旋转驱动机构，可以声称零间隙。由于电机直接连接到负载，电机编码器测量的负载位置更接近负载本身。

定位时间

刚度、载荷惯量、惯量比和间隙都是影响机构位置稳定时间的相互关联的因素。位置设置时间是指令移动结束和机制实际停止之间的延迟。减少这种延迟对于具有许多短移动的应用程序尤其重要。等待机器停止可以代表一个周期时间的重要部分。

记住，这些机构的位置是通过旋转伺服电机的编码器测量的。编码器可以指示负载已以较低的沉降时间沉降。这意味着编码器停止了移动。负载可能仍在运动中，尚未稳定或经历振动和振荡。

传动中的刚性和间隙会影响编码器对沉降时间的测量。然而，在直驱电机中，编码器本质上固定于负载本身，报告负载的真实稳定时间。由于其高刚性和零间隙，直接驱动电机的稳定时间可以通过良好的调谐显著减少，尽管可能需要减轻负载本身产生的振动。

齿轮箱和皮带的可实现的沉降时间通常遵循机械刚度和间隙的水平，齿轮箱通常优于皮带。记住，这些机构的位置是通过旋转伺服电机的编码器测量的。编码器可能表示负载已经以较低的稳定时间稳定下来，但它真正的意思是编码器已经停止移动。负载可能仍在运动中，尚未确定，或者它可能正在经历振动和振荡。

传动中的刚性和间隙会影响编码器对沉降时间的测量。在直驱电机中，编码器基本上固定于负载本身，报告负载的真实稳定时间。

准确性、重复性

间隙和刚性也有助于机构的定位精度和可重复性。精确度是衡量理想偏差的标准;在这里，是位置。如果命令机器移动90度，它是否正好移动9万度?或者如果你从外部测量它，它只移动了89.999吗?通常更重要的是可重复性，也称为精度。

因为如果在执行90.000命令时，机器可以重复移动89.999，那么请调整该命令，直到它重复移动到所需的位置。

控制系统测量编码器的位置。刚性和间隙增加了这些测量的不确定性因素。此外，变速箱或皮带系统的制造过程将影响精度和重复性。只有通过自然设计的直接驱动电机才能直接测量负载，并在没有回转驱动变速器中的间隙和遵从性问题的情况下移动负载。

全闭环操作

如果应用需要，为什么不通过在负载上增加旋转编码器来补偿齿轮箱或皮带传动的间隙和刚性呢?是的，这是可能的，行业中使用的一个术语是全闭环。

定义:全闭环操作允许旋转电机的位置回路通过直接安装在负载上的附加旋转编码器关闭。这提高了重复性和精度，但对提高刚度、沉淀时间和磨损没有太大帮助。添加这样的外部旋转编码器很少实现，因为它增加了显著的成本和复杂性。

案例研究:小部件制造每年节省1.5万美元

一台机器实际上可能会由于时间性能而花费金钱，这在伺服电机定尺寸过程中很少被考虑。这一点在安川美国的工程师们写的一系列文章中得到了清楚的证明。并由控制工程．在图19所示的这种设置中，具有相似功率容量的直驱电机和减速电机以相同的运动轮廓运行相同的负载。

行星齿轮为50:1减速，额定齿隙小于5弧分。移动剖面要求两台电机在峰值扭矩额定值附近加速和减速，RMS扭矩略低于连续额定值。两个电机都进行了调整，直到电机编码器测量的沉降时间接近50毫秒。在两种设置中，负载上都安装了一个外环编码器，用于从外部测量负载位置，以进行分析。这揭示了由减速电机驱动的负载振荡，否则电机的编码器是看不见的。

图20中的结果图显示了接近45度标记的电机位置，用绿色表示。蓝色表示电机的实际位置，滞后约50 ms，在约25 ms内稳定到0.05度以内。红色表示外部安装的环形编码器位置。

在直驱电机上，两个编码器在任何时候都报告基本上相同的位置。在减速电机上，您可以看到在最终减速期间负载在编码器之前，并在移动结束时振荡。这种低频振荡是由于齿轮箱的间隙和顺应性，而不是负载本身的振荡。直到130毫秒，温度才稳定在0.05度以内。电机编码器没有显示这种振荡，因此在编程序列中需要额外的延迟来等待它解决。

让我们把这个案例研究放在一个真实的应用程序场景中。假设这台机器代表一个生产小部件的8个工作站的索引表。每个45度指标理论上在200ms内完成移动，位置公差为0.05度。然后在每个站发生一个外部2秒的工作过程。在最后一站，生产一个小部件，产生50美分的收入。

直驱系统在2225毫秒内完成循环，每小时产生809美元的收入。减速电机需要两个2305毫秒，由于更长的稳定时间，并产生772美元每小时的收入。37美元/小时的差距可能看起来并不大。稍微计算一下，8小时工作制的工资相差293美元，一周5天工作制的工资相差近1500美元，每年的工资相差超过7.3万美元。即使每个小部件的收入只有10美分，在相同的运行时间内，这台机器每年仍能多产生近1.5万美元的收入。本案例研究说明了在为应用程序调整和选择伺服电机时，考虑可实现的稳定时间的影响是多么重要。

直接驱动电机的磨损、维护

机器所有权的自然组成部分是磨损和维护。在直接驱动电机中，主电机轴承是唯一的摩擦磨损点。这些电机轴承的尺寸通常适用于极重的负载。齿轮箱和皮带传动有其他运动部件磨损，可能需要润滑，或其他定期维护。与直接驱动电机相比，可听到的噪音也更大。当它们磨损时，这些基于传动的机构的性能开始下降。反冲和刚度每天都在变差。预计位置设置时间、精度和可重复性会随着时间的推移而不断降低。

低速旋转伺服应用的设计考虑因素

对于低速，旋转伺服应用，仔细观察和强烈考虑直接驱动电机。前期成本很容易被性能的提高、设计的简单性和维护的便捷性所抵消。

以下是一些设计注意事项。首先，记住，直驱摩托车的轴承是坚固的，可以支持整个负载的重量。不需要额外的轴承，就像使用齿轮箱或皮带传动一样。这在整个系统的部分成本、设计、工程和维护方面都有节省。

到目前为止，刚度的讨论仅限于传动部件。然而，机器本身的刚性也起了作用。直驱电机的稳定性取决于负载和转子之间的刚性连接，也取决于定子到机座之间的刚性连接。

适配器板和框架结构成员必须尽可能坚固。在直接驱动电机施加的极端扭矩下，看起来刚性的东西可能会弯曲和偏转。在任何应用中，安装架和负载板都可能是机器振荡的来源，而不仅仅是直接驱动电机。

最后，它可能是诱人的考虑一个超大的齿轮电机解决方案，以击败直接驱动电机的初始成本，目的是通过编程更快的移动来补偿长时间的稳定时间。请记住，更快的加速需要更大的扭矩，因此需要更大的放大器、联轴器、变速箱和对机器框架的改变。确保不要超过负载本身或运动中的部件和组件的限制。值得记住的是，在相同负载下，较大的电机会导致较低的惯性比，谐振和反谐振频率将会降低，并且更有可能导致振荡和调谐的并发症。

避免了直接驱动电机的隐性成本

通过直接驱动电机解决低速旋转伺服应用，避免了隐藏的初始成本，同时通过在机器的使用寿命内提供出色和稳定的性能，从长远来看节省了资金。

马特·佩尔蒂埃他是安川美国公司的产品培训工程师。由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程、CFE媒体和技术，mhoske@cfemedia.com。

关键词:直接驱动电机，运动控制节省

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