直接驱动vs齿轮旋转伺服电机:设计优势的量化:第1部分

几十年来，齿轮传动伺服电机一直是工业自动化工具箱中最常见的工具之一。齿轮传动伺服电机提供定位，速度匹配，电子凸轮，缠绕，张紧，收紧应用，并有效地匹配伺服电机的功率到负载。这就提出了一个问题:齿轮传动伺服电机是旋转运动技术的最佳选择，还是有更好的解决方案?

在一个完美的世界里，一个旋转伺服系统将有扭矩和速度额定值匹配的应用程序，所以电机既不超大也不太小。电机、传动元件和负载的组合应具有无限的扭转刚度和零间隙。不幸的是，现实世界的旋转伺服系统在不同程度上达不到这一理想。

在典型的伺服系统中，间隙被定义为由传动元件的机械公差引起的电机和负载之间的运动损失;这包括变速箱，皮带，链条和联轴器的任何运动损失。当机器初始上电时，负载将浮动在机械公差的中间位置(图1A)。

在负载本身被电机移动之前，电机必须旋转以吸收传动元件中存在的所有松弛(图1B)。当电机在移动结束时开始减速时，负载位置实际上可能超过电机位置，因为动量携带负载超过电机位置。

在向负载施加扭矩以使其减速之前，电机必须再次向相反方向吸收松弛(图1C)。这种运动损失被称为回隙，通常用弧分来测量，等于1/60度。设计用于工业应用中的伺服齿轮箱通常具有间隙规格范围从3到9弧分。

扭转刚度是指电机轴、传动元件和负载在施加转矩时的扭转抗力。一个无限刚性系统将传递扭矩到负载，没有关于旋转轴的角偏转;然而，即使是坚固的钢轴在重载下也会轻微扭曲。挠度的大小随施加的扭矩、传动元件的材料及其形状而变化;直观地说，又长又薄的部分比又短又胖的部分更容易扭曲。这种抗扭性是线圈弹簧工作的原因，因为压缩弹簧会使线圈的每一圈都轻微扭曲;金属丝越粗，弹簧越硬。任何小于无穷大的扭转刚度都会导致系统充当弹簧，这意味着当负载抵抗旋转时，势能将存储在系统中。

当有限扭转刚度和间隙结合在一起时，伺服系统的性能会显著降低。间隙会带来不确定性，因为电机编码器指示电机轴的位置，而不是间隙允许负载稳定的位置。当负载和电机相对方向相反时，当负载与电机耦合或断开时，间隙也会引入调谐问题。除了间隙外，有限的扭转刚度通过将电机和负载的部分动能转换为势能，稍后释放来储存能量。这种延迟的能量释放会导致负载振荡，引起共振，降低最大可用调谐增益，并对伺服系统的响应性和稳定时间产生负面影响。在所有情况下，减少间隙和增加系统的刚度将提高伺服性能和简化调优。

旋转轴伺服电机配置

最常见的旋转轴配置是带有内置编码器的旋转伺服电机，用于位置反馈和变速箱，以使电机的可用扭矩和速度与负载的所需扭矩和速度相匹配。齿轮箱是一种恒功率装置，是用于负载匹配的变压器的机械模拟。

改进的硬件配置使用了直接驱动旋转伺服电机，通过直接将负载耦合到电机来消除传输元件。而减速电机配置使用联轴器到一个相对较小的直径轴，直接驱动系统螺栓负载直接到一个更大的转子法兰。这种结构消除了间隙，极大地增加了扭转刚度。直驱电机的较高极数和高转矩绕组与齿轮电机的转矩和速度特性匹配，比例为10:1或更高。

最不常见和最复杂的配置是全闭环系统，其中一个常规旋转伺服电机和变速箱或其他传动元件与第二个编码器相结合，用于测量负载的位置，掩蔽，但不能消除间隙的影响。这增加了第二个编码器的成本和复杂性，增加了额外的加工和安装硬件，额外的电缆和额外的维护。

在这三种系统设计中，直接驱动旋转伺服电机提供了最好的性能和最低的系统复杂性，但成本高于齿轮电机解决方案。然而，试图通过制造商手册和目录来量化性能优势是不可能的，因为电机在规格方面似乎非常相似。

在本文的第2部分中，通过将齿轮电机和直接驱动伺服电机(图2)安装到一个模拟高惯性旋转分度表的公共负载上，测试了它们的性能。在负载上使用一个30位环形编码器，记录负载的运动，并与每个电机进行比较。性能指标包括定位精度、间隙、沉降时间和总运动周期时间，并与每个系统的成本和复杂性进行评估和权衡。

布莱恩·奈特他是安川美国公司的产品营销经理;达科塔。米勒安川美国自动化产品专家。由副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程，CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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关键词:伺服电机，直接驱动电机

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