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對(duì)于各種旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，應(yīng)該優(yōu)先使用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)而不是齒輪電機(jī)。直驅(qū)電機(jī)應(yīng)用的轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，并且在該裝置的設(shè)計(jì)中，使用法蘭安裝而不是軸安裝。最常見(jiàn)的應(yīng)用是旋轉(zhuǎn)表或旋轉(zhuǎn)分度器。一個(gè)很好的例子是在卷繞應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)線軸，或驅(qū)動(dòng)卷筒以進(jìn)行打印或切割。機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)，也可以受益于直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能和緊湊尺寸。用于拾取和放置的夾具的旋轉(zhuǎn)定位，或天線、望遠(yuǎn)鏡、旋轉(zhuǎn)部件制造和激光的定位，在這些應(yīng)用中，直驅(qū)電機(jī)都可以提供卓越的性能。

直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)一般不用于直線傳動(dòng)。線性直接驅(qū)動(dòng)類似于線性電機(jī)，它直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，以避免在諸如皮帶、螺桿或齒條和小齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)中存在的間隙和柔性。

與標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)一樣，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由鐵永磁體組成。定子中的線圈產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在所需方向上施加扭矩。通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器向控制系統(tǒng)提供位置反饋。

有兩種基本的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)：內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子。內(nèi)轉(zhuǎn)子在外面有定子線圈。相反的配置是外轉(zhuǎn)子，定子線圈在里面。對(duì)于給定的電機(jī)尺寸，內(nèi)轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)最高加轉(zhuǎn)速。外轉(zhuǎn)子意味著電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，更適合控制高慣性負(fù)載。

還有兩種基本的定子設(shè)計(jì)：鐵芯和無(wú)芯。定子線圈可以纏繞在鐵芯上，這會(huì)增加定子中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而在更小的電機(jī)中產(chǎn)生更高的扭矩。無(wú)芯意味著線圈中沒(méi)有鐵。雖然對(duì)于給定電機(jī)尺寸，無(wú)芯電機(jī)的扭矩較低，但它可以提供最準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速控制，而沒(méi)有扭矩脈動(dòng)的齒槽扭矩分量。

應(yīng)了解給定旋轉(zhuǎn)應(yīng)用的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代方案。最流行的是使用行星齒輪或其它齒輪技術(shù)，來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增加扭矩。使用皮帶和皮帶輪系統(tǒng)也可以達(dá)到相同的效果。有時(shí)兩者一起使用。

與具有相似扭矩和轉(zhuǎn)速特性的齒輪或皮帶機(jī)構(gòu)相比，直接驅(qū)動(dòng)在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中具有的性能優(yōu)勢(shì)。與其他技術(shù)相比，直驅(qū)電機(jī)在成本、扭矩、轉(zhuǎn)速、剛性、間隙和其它指標(biāo)方面也有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，這不是一個(gè)嚴(yán)格和絕對(duì)的評(píng)價(jià)，但是代表了一些行業(yè)應(yīng)用的普遍趨勢(shì)。

讓我們從初始成本開(kāi)始。皮帶輪傳動(dòng)的成本明顯低于齒輪箱。但最大減速比約為 3:1。這意味著在低速和高扭矩應(yīng)用中，需要更大、更昂貴的伺服電機(jī)和放大器。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初始成本仍然高于這兩種基于變速器的替代方案。

除了電機(jī)和變速器之外，還有用于支撐負(fù)載的聯(lián)軸器和額外軸承的成本。集成這些組件會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)和工程成本。還需要考慮性能和維護(hù)的長(zhǎng)期成本。對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，直接驅(qū)動(dòng)解決方案是一種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，可能會(huì)具有最低的初始成本，同時(shí)具有最高的長(zhǎng)期性能。

剛性是最重要的性能特征之一。每個(gè)機(jī)械連接的部件都具有一定的剛性，即彈簧常數(shù)。剛性與每個(gè)元件的質(zhì)量一起，定義了系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率。如果這些頻率太低，能量的釋放會(huì)對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重干擾。這會(huì)干擾定位負(fù)載的控制系統(tǒng)算法。

在基于皮帶的傳輸中，伺服聯(lián)軸器將輸出皮帶輪連接到旋轉(zhuǎn)負(fù)載。負(fù)載的重量由環(huán)形軸承支撐。皮帶和皮帶輪的比例，實(shí)際上被限制在 3:1 左右，如果超過(guò)該比例，皮帶的角度會(huì)導(dǎo)致與驅(qū)動(dòng)皮帶的皮帶輪的表面接觸過(guò)少。嘗試多級(jí)皮帶輪或過(guò)長(zhǎng)的皮帶來(lái)改善這種情況通常不切實(shí)際。相反，伺服電機(jī)通常尺寸較大，以達(dá)到低速應(yīng)用所需的扭矩。在圖 7中，隨著電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶首先根據(jù)其彈簧常數(shù)偏擺。然后在負(fù)載最終移動(dòng)之前，聯(lián)軸器也會(huì)偏擺。電機(jī)聯(lián)軸器、負(fù)載聯(lián)軸器和長(zhǎng)機(jī)器軸也會(huì)導(dǎo)致剛性損失。

對(duì)于齒輪驅(qū)動(dòng)的變速器，伺服聯(lián)軸器將齒輪箱輸出連接到旋轉(zhuǎn)負(fù)載。負(fù)載的重量再次由環(huán)形軸承支撐。行星齒輪箱和多級(jí)齒輪箱通常是低間隙和高剛性應(yīng)用的首選。

齒輪箱的剛性比皮帶高得多，但原理相同。電機(jī)拖動(dòng)輸入齒輪，該齒輪偏擺，從而帶動(dòng)輸出齒輪，該輸出齒輪也發(fā)生一定程度的偏擺。與負(fù)載的耦合可能偏擺最大。

直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞過(guò)所有傳輸組件及其柔性以及相關(guān)的諧振頻率。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常配置非常大的軸承，以增加軸向和徑向負(fù)載能力。這并不是說(shuō)沒(méi)有諧振。

諧振頻率仍然可以由負(fù)載本身產(chǎn)生，或者通過(guò)電機(jī)和負(fù)載之間的任何安裝板或延伸部分產(chǎn)生。電機(jī)的定子和機(jī)架之間甚至?xí)a(chǎn)生共振，就像在基于傳輸?shù)南到y(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的那樣。但是直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高剛性，會(huì)導(dǎo)致超出運(yùn)行系統(tǒng)允許的高諧振頻率。

諧振頻率也是負(fù)載慣量和電機(jī)慣量的函數(shù)。在關(guān)鍵性能指標(biāo)中，這被稱為負(fù)載與電機(jī)慣量比。伺服系統(tǒng)的負(fù)載與電機(jī)慣量比通常小于10:1，以便通過(guò)彈性聯(lián)軸器對(duì)電機(jī)的負(fù)載進(jìn)行可接受的控制。

直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用不使用彈性聯(lián)軸器，因此可以支持更高的慣量比。盡管如此，負(fù)載慣量對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)說(shuō)還是很重要的，因?yàn)楦鶕?jù)牛頓第二定律，它會(huì)限制加速度和減速度，還會(huì)影響軸承壽命。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低摩擦意味著幾乎所有停止移動(dòng)負(fù)載的動(dòng)力，都必須由電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供，這也會(huì)限制最大負(fù)載。

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)變速器的性能受到間隙的影響。當(dāng)機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)造成空轉(zhuǎn)。齒輪箱在驅(qū)動(dòng)鏈輪和輸出鏈輪之間，有一定的間隙。對(duì)于皮帶系統(tǒng)，間隙發(fā)生在皮帶和皮帶輪的齒之間。

制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出方法來(lái)減少驅(qū)動(dòng)傳輸中的間隙，并在控制系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行電子補(bǔ)償。但總會(huì)有一定程度的間隙，而且隨著傳輸機(jī)構(gòu)的磨損，它往往會(huì)變得更糟。結(jié)果是，負(fù)載的位置不能完全由電機(jī)編碼器的位置確定。并且由于在反轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載會(huì)在短時(shí)間內(nèi)與電機(jī)斷開(kāi)連接，它還可能導(dǎo)致調(diào)諧不穩(wěn)定和噪聲運(yùn)營(yíng)。

由于在反轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載會(huì)在短時(shí)間內(nèi)與電機(jī)斷開(kāi)連接，間隙會(huì)導(dǎo)致調(diào)諧不穩(wěn)定和噪聲運(yùn)行。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)是唯一可以實(shí)現(xiàn)零間隙的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于電機(jī)與負(fù)載直接相連，因此電機(jī)編碼器測(cè)得的負(fù)載位置更接近負(fù)載本身。

剛性、負(fù)載慣量、慣量比和間隙，都是使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位置穩(wěn)定時(shí)間惡化的關(guān)聯(lián)因素。位置穩(wěn)定時(shí)間，是指從指令動(dòng)作結(jié)束與機(jī)構(gòu)實(shí)際停止之間的延遲。減少這種延遲對(duì)于許多具有短程動(dòng)作的應(yīng)用尤其重要。等待機(jī)器停止，可能占到整個(gè)周期相當(dāng)大的一部分。

請(qǐng)記住，這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置由旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的編碼器測(cè)量。編碼器可以顯示負(fù)載以較短的時(shí)間穩(wěn)定下來(lái)。這意味著編碼器已停止移動(dòng)。負(fù)載可能仍在運(yùn)動(dòng)中，尚未穩(wěn)定或正經(jīng)歷振動(dòng)和振蕩。

傳輸系統(tǒng)的剛性和間隙會(huì)干擾通過(guò)編碼器測(cè)量的穩(wěn)定時(shí)間。然而，在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，編碼器本質(zhì)上是固定在負(fù)載本身上的，報(bào)告負(fù)載的真實(shí)穩(wěn)定時(shí)間。由于其高剛性和零間隙，通過(guò)良好的調(diào)整可以顯著減少直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的穩(wěn)定時(shí)間，同時(shí)還需要盡可能的減輕源自負(fù)載本身的振動(dòng)。

齒輪箱和皮帶可實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定時(shí)間，通常受到機(jī)械剛性和間隙水平的影響，齒輪箱的性能通常優(yōu)于皮帶。這些機(jī)構(gòu)的位置是通過(guò)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的編碼器測(cè)量的。

編碼器可能表示負(fù)載已以較短的建立時(shí)間穩(wěn)定，但它的真正含義是編碼器已停止移動(dòng)。負(fù)載可能仍在運(yùn)動(dòng)中但尚未穩(wěn)定，或者可能正在經(jīng)歷振動(dòng)。

傳動(dòng)裝置的剛性和間隙會(huì)干擾通過(guò)編碼器測(cè)量穩(wěn)定時(shí)間。在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，編碼器基本上是固定在負(fù)載本身上，用于報(bào)告負(fù)載的真實(shí)穩(wěn)定時(shí)間。

間隙和剛性也有助于機(jī)構(gòu)的定位精度和可重復(fù)性。精度是衡量偏離理想狀況的指標(biāo)。例如，如果命令機(jī)器移動(dòng)90度，它是否正好移動(dòng)90.000 度？或者如果你從外部測(cè)量，它是否只移動(dòng)了89.999度？通常更重要的是可重復(fù)性，也稱為精度。

如果指令為90.000時(shí)，機(jī)器可以重復(fù)移動(dòng)89.999，那么就調(diào)整指令，直到重復(fù)移動(dòng)到所需的位置。

控制系統(tǒng)測(cè)量編碼器的位置。剛性和間隙給這些測(cè)量增加了不確定性因素。此外，齒輪箱或皮帶系統(tǒng)的制造過(guò)程也會(huì)影響精度和可重復(fù)性。只有采用自然設(shè)計(jì)的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，才能直接測(cè)量負(fù)載并移動(dòng)負(fù)載，而不會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)變速器中存在的間隙和柔性問(wèn)題。

如果應(yīng)用需要，為什么不通過(guò)在負(fù)載上添加旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)補(bǔ)償齒輪箱或皮帶傳動(dòng)裝置的間隙和剛性？是的，這是可能的，業(yè)內(nèi)使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)是全閉環(huán)。

全閉環(huán)運(yùn)行允許旋轉(zhuǎn)電機(jī)的位置環(huán)，通過(guò)直接安裝在負(fù)載上的附加旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)閉合。這提高了可重復(fù)性和精確性，但對(duì)提高剛性、穩(wěn)定時(shí)間和磨損沒(méi)有太大作用。由于會(huì)顯著增加成本和復(fù)雜性，所以很少會(huì)像這樣添加外部旋轉(zhuǎn)編碼器。

實(shí)際上，機(jī)器可能會(huì)由于穩(wěn)定時(shí)間性能不佳而浪費(fèi)錢(qián)，在伺服電機(jī)選型過(guò)程中很少會(huì)考慮這一點(diǎn)。在圖 14所示的裝置中，具有相似功率容量的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪電機(jī)，以相同的運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)行相同的負(fù)載。

行星齒輪減速比為 50:1，額定間隙小于5弧分。移動(dòng)曲線要求兩個(gè)電機(jī)在接近其峰值扭矩額定值時(shí)加速和減速，并且 RMS 扭矩剛好低于連續(xù)額定值。兩臺(tái)電機(jī)都經(jīng)過(guò)調(diào)諧，直到電機(jī)編碼器測(cè)量的穩(wěn)定時(shí)間接近 50 毫秒。在兩個(gè)裝置中，外部環(huán)形編碼器都安裝在負(fù)載上，以從外部測(cè)量負(fù)載位置以進(jìn)行分析。這揭示了由齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載中的振蕩，否則電機(jī)的編碼器看不到這些。

在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，兩個(gè)編碼器報(bào)告的位置始終基本相同。在齒輪電機(jī)上，您會(huì)看到負(fù)載在最終減速期間位于編碼器之前，并在移動(dòng)結(jié)束時(shí)振蕩。

這種低頻振蕩源于齒輪箱的間隙和柔性，而不是負(fù)載本身的振蕩。直到大約 130 毫秒，它才會(huì)穩(wěn)定在 0.05 度以內(nèi)。電機(jī)編碼器不會(huì)顯示這種振蕩，因此在編程序列中需要額外的延遲來(lái)等待它穩(wěn)定下來(lái)。

讓我們將這個(gè)案例研究置于真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中，看看帶來(lái)的實(shí)際效益情況（以美元表示）。假設(shè)這臺(tái)機(jī)器代表一個(gè)生產(chǎn)小部件的 8 站分度工作臺(tái)。理論上，每一個(gè)45 度分度，都在 200 毫秒內(nèi)完成移動(dòng)，位置公差為 0.05 度。然后在每個(gè)站，有一個(gè)持續(xù)2 秒的外部工作過(guò)程。在最后一站，生產(chǎn)一個(gè)小部件，帶來(lái) 50 美分的收入。

直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的周期為 2225 毫秒，每小時(shí)產(chǎn)生 809 美元的收入。由于穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，齒輪電機(jī)需要兩個(gè) 2305 毫秒，每小時(shí)產(chǎn)生 772 美元的收入。每小時(shí) 37 美元的差異，似乎并不大。但再仔細(xì)算一算，8小時(shí)輪班的差價(jià)為 293 美元，每周工作 5 天的差價(jià)接近 1500 美元，每年的差價(jià)超過(guò) 73,000 美元。即使每個(gè)小部件的收入只有 10 美分，這臺(tái)機(jī)器仍然可以在相同的運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)每年多產(chǎn)生近15,000美元的收入。本案例研究說(shuō)明：在為應(yīng)用選型和選擇伺服電機(jī)時(shí)，考慮可實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定時(shí)間的影響是多么重要。

磨損和維護(hù)也是機(jī)器性能需要考慮的一部分因素。在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，主電機(jī)軸承是唯一的摩擦和磨損點(diǎn)。這些電機(jī)軸承的規(guī)格通常適用于極重的負(fù)載。齒輪箱和皮帶傳動(dòng)裝置的其它運(yùn)動(dòng)部件都會(huì)磨損，可能需要潤(rùn)滑或其它定期維護(hù)。

與直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比，可聽(tīng)見(jiàn)的噪音也更大。隨著它們的磨損，這些基于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能開(kāi)始下降。間隙和剛性每天都會(huì)變得更糟。期望的位置穩(wěn)定時(shí)間、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性也會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷下降。

一般在設(shè)計(jì)低速、旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用時(shí)，強(qiáng)烈建議考慮直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。前期成本很容易被性能的提高、設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和維護(hù)的便利性所抵消。以下是設(shè)計(jì)時(shí)的一些注意事項(xiàng)。

首先，請(qǐng)記住直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的軸承很堅(jiān)固，可以支撐整個(gè)負(fù)載的重量。不需要額外的軸承，就像使用齒輪箱或皮帶傳動(dòng)時(shí)一樣。這節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的部件成本、設(shè)計(jì)、工程和維護(hù)。

到目前為止，關(guān)于剛性的討論僅僅限于傳動(dòng)部件。然而，機(jī)器本身的剛性也發(fā)揮了作用。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的穩(wěn)定性，取決于負(fù)載和轉(zhuǎn)子之間的剛性連接，以及從定子到機(jī)器底座的剛性連接。

轉(zhuǎn)接板和框架結(jié)構(gòu)件必須盡可能堅(jiān)固。在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加的極端扭矩下，看起來(lái)剛性的東西，可能也會(huì)彎曲和偏轉(zhuǎn)。在任何應(yīng)用中，不僅僅是直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，安裝框架和負(fù)載板都可能成為機(jī)器振動(dòng)的來(lái)源。

最后，考慮采用超大齒輪電機(jī)解決方案來(lái)降低直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初始成本，目的是通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)更快的移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間，這種方案可能很誘人。

但請(qǐng)記住，更快的加速需要更大的扭矩，因此需要更大的放大器、聯(lián)軸器和變速器，還可能需要改變機(jī)器的框架。確保不要超過(guò)負(fù)載本身或運(yùn)動(dòng)中零件和組件的限制。雖然在相同負(fù)載下更大的電機(jī)會(huì)導(dǎo)致更低的慣量比，但諧振和反諧振頻率會(huì)降低，并且更有可能導(dǎo)致振蕩和調(diào)諧復(fù)雜化。

使用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)解決低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用，可避免隱藏的初始成本，同時(shí)可以在機(jī)器的整個(gè)生命周期內(nèi)提供卓越和穩(wěn)定的性能，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可以節(jié)省成本。