直接驱动vs齿轮旋转伺服电机:设计优势的量化:第2部分

齿轮传动伺服电机与使用相同负载、运动轮廓和安装夹具的直接驱动伺服电机进行正面竞争，模拟实际应用，以确定直接驱动系统的性能优势是否超过较高的初始成本。(在第1部分中，介绍了减少间隙和增加扭转刚度的情况。)

对于本次测试，考虑了以下评价标准:

• 定位精度
• 强烈反对
• 沉淀时间
• 周期时间
• 机器成本和回报时间
• 设计的复杂性。

为了这个测试，创建了一个伺服系统，代表一个有高转动惯量的分度表应用。负载惯量，均方根(RMS)扭矩和速度要求的选择，使减速电机和直接驱动伺服电机都能在其额定极限附近运行。为了测量这个模拟“机器”的定位精度和循环时间，一个外部编码器被固定在负载上，以精确测量负载本身的位置。这个外部编码器没有用于关闭位置回路，只是作为一个独立的测量工具进行测试。使用从电机编码器和负载侧环编码器反馈收集的数据来量化性能差异。

在设计实际测试硬件之前，选择了减速电机和直驱电机进行对比。这些电机被选择为50:1齿轮减速给减速电机可比的扭矩，速度和整体尺寸的直接驱动电机，如表1所示。基于这些特性，这两种电机可以相互竞争来控制新机器上的轴，这是不可想象的。

在选择电机和运动轮廓后，使用伺服电机尺寸软件找到一个负载惯性，将两个电机推近额定极限，确保没有一个电机超过或过小。所选择的运动剖面是在200毫秒内进行45度的梯形分度移动，然后是300毫秒的停留，这一运动剖面类似于在组装、检查或包装应用程序中的大型分度表上看到的运动剖面。该运动剖面如图1所示。

使用目标负载惯性值作为设计标准，设计了一个虚拟负载，既将电机推到其RMS转矩极限，又允许外环编码器连接到负载上。图2显示了减速电机的测试设置，图3显示了直接驱动电机的测试设置。

对于这个测试，平均沉降时间被定义为命令运动信号结束和负载在目标位置的公差窗口内沉降之间所经过的时间。从表2可以看出，由直驱电机驱动的负载平均沉降速度要比由减速电机驱动的快得多。

第二个度量，总移动时间，在这里定义为从命令运动开始到负载在目标位置的公差窗口内安顿下来之间所经过的时间。总移动时间是命令移动时间和设置时间的总和，如上所示。表3显示，尽管具有相同的指令运动轮廓，但直接驱动电机的运动时间比减速电机短。

对于周期较短的机器操作，沉降时间优势更加显著。在这个测试中，即使是500毫秒的保守循环时间和200毫秒的移动时间也提供了一个令人印象深刻的比较点。

图4和图5描述了在 的减速电机和直接驱动电机的运动结束时发生的负载振荡。减速电机在移动结束时显示出阻尼振荡，这是典型的机械配置，而直接驱动电机几乎没有振动。这种振幅和持续时间的差异在所有测试中都是一致的。

减速电机所需要的可见振荡和额外的沉降时间归因于齿轮箱中的间隙和有限扭转刚度的组合。事实上，在图4中可以看到，在反弹和振荡之前的大部分减速过程中，负载位置引导编码器位置。齿轮在加速时在正向机械公差点联锁，然后在减速时转移到反向机械公差点。

这种减速，加上扭转刚度，有效地起到弹簧的作用，使负载来回反弹，直到摩擦和内部损失抑制运动。伺服电机试图进行补偿，但由于回隙的存在，大部分振荡与伺服电机解耦，并且在伺服电机编码器上不表现为位置错误。

同样值得注意的是，电机编码器显示负载已经比以前更快地稳定下来。如果该过程要求负载稳定在比伺服电机指示它已达到目标位置时更小的公差范围内，则可能需要延迟计时器。这些定时器增加了运动剖面的浪费时间，因为延迟期必须足够保守，以在广泛的操作条件下保持有效。

直接驱动电机提供了一个更直接的看负载的实际运动;因此，编码器的反馈足以在没有额外计时器的情况下对机器进行优化排序。另一种解决方案是使用外部编码器来完全闭合负载循环;然而，这会增加额外的设计、制造、维护和材料成本到材料清单(BOM)中，并且可能是成本最高的解决方案。

从百分比上看，表2和表3中的结果显示了直接驱动电机的显著改进，但实际上，电机每次运动只节省了几百毫秒。这个微小的差异可能看起来微不足道;然而，在机器的整个生命周期中，这些不到一秒的时间会累积起来。

考虑一个有八个站点的索引表;在每个索引期间，表在200毫秒(名义上)内旋转45度。在此旋转之后，执行第二个进程300毫秒以完成循环。为了正确制作小部件，需要将表的倾角调整到0.050度以内。每轮生产一个0.05美元的小部件，机器每天运行8小时。

在这种情况下，使用直接驱动电机带来的增加的吞吐量将使电机在不到14天内收回成本，尽管直接驱动系统的成本高于减速电机系统。

有人可能会认为，流程不需要0.050度沉降窗口提供的精度水平;然而，在直径为5英尺的桌子上，0.050度的公差允许浮动相当于+/- 0.026”或略小于1/32英寸。在桌子边缘的任何一个方向。从这个角度来看，很容易理解大多数流程需要比+/- 1/32英寸更紧凑的窗口。要完成准确，且公差不能不合理等。

当比较分度表的三种主要解决方案时，减速电机，直接驱动电机和带外部编码器的减速电机，直接驱动电机提供了最好的好处。从这次测试中可以看出，减速电机解决方案在定位精度、间隙、沉降时间和循环时间方面无法与直接驱动电机竞争。

带有外部编码器的减速电机将更接近直接驱动电机的性能，但全封闭系统的额外机械设计、加工、安装、维护和编程时间成本使其成为最昂贵和工程密集型的解决方案。

虽然直接驱动伺服电机的价格可能会导致工程师停顿，但其性能优势和生产力的快速回报使直接驱动伺服电机成为广泛的旋转伺服轴应用的最佳选择。

布莱恩·奈特 是 产品营销经理， 安川美国; 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．

更多的见解

关键词:电机及驱动器，伺服电机

考虑一下这个

你选择电机时最大的考虑是什么?

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。