直驱电机选型与应用指南（三）

12、准确性和可重复性

间隙和刚性也有助于机构的定位精度和可重复性。精度是衡量偏离理想状况的指标。例如，如果命令机器移动90度，它是否正好移动90.000 度?或者如果你从外部测量，它是否只移动了89.999度?通常更重要的是可重复性，也称为精度。

如果指令为90.000时，机器可以重复移动89.999，那么就调整指令，直到重复移动到所需的位置。

控制系统测量编码器的位置。刚性和间隙给这些测量增加了不确定性因素。此外，齿轮箱或皮带系统的制造过程也会影响精度和可重复性。只有采用自然设计的直接驱动电机，才能直接测量负载并移动负载，而不会出现旋转驱动变速器中存在的间隙和柔性问题。

13、全闭环运行

如果应用需要，为什么不通过在负载上添加旋转编码器来补偿齿轮箱或皮带传动装置的间隙和刚性?是的，这是可能的，业内使用的一个术语是全闭环。

全闭环运行允许旋转电机的位置环，通过直接安装在负载上的附加旋转编码器来闭合。这提高了可重复性和精确性，但对提高刚性、稳定时间和磨损没有太大作用。由于会显著增加成本和复杂性，所以很少会像这样添加外部旋转编码器。

▲全闭环允许旋转电机的位置环，通过直接安装在负载上的附加旋转编码器来闭合。这提高了可重复性和准确性，但对提高刚性、稳定时间和磨损没有太大作用。

14、稳定时间对机器的影响

实际上，机器可能会由于稳定时间性能不佳而浪费钱，在伺服电机选型过程中很少会考虑这一点。在图 14所示的装置中，具有相似功率容量的直接驱动电机和齿轮电机，以相同的运动曲线运行相同的负载。

行星齿轮减速比为 50:1，额定间隙小于5弧分。移动曲线要求两个电机在接近其峰值扭矩额定值时加速和减速，并且 RMS 扭矩刚好低于连续额定值。两台电机都经过调谐，直到电机编码器测量的稳定时间接近 50 毫秒。在两个装置中，外部环形编码器都安装在负载上，以从外部测量负载位置以进行分析。这揭示了由齿轮电机驱动负载中的振荡，否则电机的编码器看不到这些。

在直接驱动电机上，两个编码器报告的位置始终基本相同。在齿轮电机上，您会看到负载在最终减速期间位于编码器之前，并在移动结束时振荡。

这种低频振荡源于齿轮箱的间隙和柔性，而不是负载本身的振荡。直到大约 130 毫秒，它才会稳定在 0.05 度以内。电机编码器不会显示这种振荡，因此在编程序列中需要额外的延迟来等待它稳定下来。

让我们将这个案例研究置于真实应用场景中，看看带来的实际效益情况(以美元表示)。假设这台机器代表一个生产小部件的 8 站分度工作台。理论上，每一个45 度分度，都在 200 毫秒内完成移动，位置公差为 0.05 度。然后在每个站，有一个持续2 秒的外部工作过程。在最后一站，生产一个小部件，带来 50 美分的收入。

直接驱动系统的周期为 2225 毫秒，每小时产生 809 美元的收入。由于稳定时间较长，齿轮电机需要两个 2305 毫秒，每小时产生 772 美元的收入。每小时 37 美元的差异，似乎并不大。但再仔细算一算，8小时轮班的差价为 293 美元，每周工作 5 天的差价接近 1500 美元，每年的差价超过 73,000 美元。即使每个小部件的收入只有 10 美分，这台机器仍然可以在相同的运营时间内每年多产生近15,000美元的收入。本案例研究说明：在为应用选型和选择伺服电机时，考虑可实现的稳定时间的影响是多么重要。

15、直驱电机的磨损和维护

磨损和维护也是机器性能需要考虑的一部分因素。在直接驱动电机中，主电机轴承是唯一的摩擦和磨损点。这些电机轴承的规格通常适用于极重的负载。齿轮箱和皮带传动装置的其它运动部件都会磨损，可能需要润滑或其它定期维护。

与直接驱动电机相比，可听见的噪音也更大。随着它们的磨损，这些基于传动机构的性能开始下降。间隙和刚性每天都会变得更糟。期望的位置稳定时间、准确性和可重复性也会随着时间的推移而不断下降。

16、低速旋转伺服应用的设计注意事项

一般在设计低速、旋转伺服应用时，强烈建议考虑直接驱动电机。前期成本很容易被性能的提高、设计的简单性和维护的便利性所抵消。以下是设计时的一些注意事项。

首先，请记住直接驱动电机上的轴承很坚固，可以支撑整个负载的重量。不需要额外的轴承，就像使用齿轮箱或皮带传动时一样。这节省了整个系统的部件成本、设计、工程和维护。

到目前为止，关于刚性的讨论仅仅限于传动部件。然而，机器本身的刚性也发挥了作用。直接驱动电机的稳定性，取决于负载和转子之间的刚性连接，以及从定子到机器底座的刚性连接。

转接板和框架结构件必须尽可能坚固。在直接驱动电机施加的极端扭矩下，看起来刚性的东西，可能也会弯曲和偏转。在任何应用中，不仅仅是直接驱动电机，安装框架和负载板都可能成为机器振动的来源。

最后，考虑采用超大齿轮电机解决方案来降低直接驱动电机的初始成本，目的是通过编程实现更快的移动来补偿较长的稳定时间，这种方案可能很诱人。

但请记住，更快的加速需要更大的扭矩，因此需要更大的放大器、联轴器和变速器，还可能需要改变机器的框架。确保不要超过负载本身或运动中零件和组件的限制。虽然在相同负载下更大的电机会导致更低的惯量比，但谐振和反谐振频率会降低，并且更有可能导致振荡和调谐复杂化。

使用直接驱动电机解决低速旋转伺服应用，可避免隐藏的初始成本，同时可以在机器的整个生命周期内提供卓越和稳定的性能，从长远来看可以节省成本。