使用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)解決低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用，可以避免隱藏的初始成本，同時(shí)在設(shè)備的整個(gè)生命周期內(nèi)節(jié)省資金。

了解工業(yè)直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)技術(shù)，有助于在各種應(yīng)用中更好地應(yīng)用伺服電機(jī)。什么是直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)?何時(shí)使用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以提供比基于傳動(dòng)的替代方案更好的性能指標(biāo)?

下圖展示了安裝在鋼板上的典型直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，配置了手動(dòng)旋轉(zhuǎn)法蘭。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有圓柱形的“甜甜圈”外形，旋轉(zhuǎn)法蘭中間為一個(gè)孔。標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)通常沒有電機(jī)軸。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分仍稱為轉(zhuǎn)子，沿法蘭有安裝孔。負(fù)載直接連接到電機(jī)法蘭上。這就是“直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)”名稱的來源。

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▲此圖顯示了安裝在鋼板上的典型直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用手轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)法蘭

不動(dòng)的部分被稱為定子。這是連接電纜的地方。定子也有安裝孔，用螺栓固定在機(jī)架上。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可以稱為扭矩電機(jī)或輪轂電機(jī)。

直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，比標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)要高得多，但轉(zhuǎn)速要低得多。它們以轉(zhuǎn)速換取扭矩，典型情況下，最高轉(zhuǎn)速只有幾百RPM，而在極高扭矩時(shí)只有幾十RPM。

1、直驅(qū)電機(jī)的規(guī)格和選型

直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線與伺服電機(jī)很像，減速比在 10:1 左右，有時(shí)可高達(dá) 100:1。下圖顯示了適合齒輪伺服電機(jī)或直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線以及RMS和峰值運(yùn)行點(diǎn)。在本例中，兩個(gè)系統(tǒng)均可提供高達(dá)約28 Nm的扭矩，在峰值扭矩達(dá)到50 Nm時(shí)，其最高轉(zhuǎn)速剛好超過100 RPM。

▲此圖顯示了適合齒輪伺服電機(jī)或直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用轉(zhuǎn)速 - 扭矩曲線以及轉(zhuǎn)速和峰值運(yùn)行點(diǎn)。

直驅(qū)電機(jī)體積顯然要大得多，安裝的法蘭也較寬。兩種電機(jī)都適用于這個(gè)應(yīng)用。但即使是最好的變速器，也會(huì)增加一定程度的柔性和間隙。因此，直驅(qū)電機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)具有更高的精度、更好的可重復(fù)性和更短的穩(wěn)定時(shí)間。

2、適合直驅(qū)電機(jī)的應(yīng)用

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。

3、直驅(qū)電機(jī)的構(gòu)造

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。通過旋轉(zhuǎn)編碼器向控制系統(tǒng)提供位置反饋。

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。通過旋轉(zhuǎn)編碼器向控制系統(tǒng)提供位置反饋。

存在兩種基本的定子設(shè)計(jì);鐵芯和無芯。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。無芯意味著線圈中沒有鐵。

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。無芯意味著線圈中沒有鐵。雖然對(duì)于給定電機(jī)尺寸，無芯電機(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。

4、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初始成本

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)具有最高的長期性能。

5、剛性和系統(tǒng)振蕩

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。

▲查看運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的性能指標(biāo)，以幫助選擇合適的技術(shù)。表格比較了直接驅(qū)動(dòng)、齒輪和皮帶等三個(gè)選項(xiàng)。

運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的性能指標(biāo)，以幫助選擇合適的技術(shù)。表格比較了直接驅(qū)動(dòng)、齒輪和皮帶等三個(gè)選項(xiàng)