齒輪伺服電機(jī)對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制非常有用，但用戶需要了解其存在的挑 戰(zhàn)和局限性。直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)具有更高的性能，系統(tǒng)復(fù)雜性最低， 但成本卻高于齒輪電機(jī)。

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數(shù)十年來，齒輪伺服電機(jī)一直是工業(yè)自動(dòng)化工具箱中最常用的工具之一。齒輪伺服電機(jī)可提供定位、速度匹配、電子凸輪、繞線、 張緊、擰緊應(yīng)用，并可有效地將伺服電機(jī)功率與負(fù)載相匹配。這就帶來一個(gè)問題：齒輪伺服電機(jī)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的最佳選擇嗎？還是有更好的解決方案嗎？

在理想情況下，旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)具有與應(yīng)用相匹配的額定扭矩和速度，因此電機(jī)既不會(huì)過 大，也不會(huì)過小。電機(jī)、傳動(dòng)元件和負(fù)載的組合應(yīng)具有無限的扭轉(zhuǎn)剛度和零齒隙。不幸的是在現(xiàn)實(shí)世界中，旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)一般無法達(dá)到這 一理想狀態(tài)。

在典型的伺服系統(tǒng)中，齒隙（backlash） 是由傳動(dòng)元件的機(jī)械公差引起的電機(jī)與負(fù)載之間的運(yùn)動(dòng)損失。這包括整個(gè)齒輪箱、皮帶、鏈條和聯(lián)軸器的運(yùn)動(dòng)損失。在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)，負(fù)載 將落在機(jī)械公差中間的某個(gè)位置（圖 1A）。

在電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載之前，電機(jī)必須旋轉(zhuǎn)以消除傳動(dòng)元件中存在的所有松弛部分（圖 1B）。當(dāng)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束開始減速時(shí)，動(dòng)量會(huì)將負(fù)載 帶到電機(jī)位置以外，因此負(fù)載位置實(shí)際上可能會(huì)超過電機(jī)位置。

在向負(fù)載施加扭矩以使其減速之前，電機(jī)必須再次沿相反方向拉筋松弛部分（圖 1C）。這種運(yùn)動(dòng)損失稱為齒隙，通常以弧分為單位來衡量量，相當(dāng)于 1/60 度。在工業(yè)應(yīng)用中與伺服系統(tǒng)一起配套使用的齒輪箱通常具有 3 至 9 弧分的齒隙規(guī)格。

扭轉(zhuǎn)剛度是對(duì)電機(jī)軸、傳動(dòng)元件和負(fù)載施加扭矩時(shí)產(chǎn)生的抗扭阻力。剛性無窮大的系 統(tǒng)可以將轉(zhuǎn)矩傳遞到負(fù)載，而不會(huì)繞旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生角偏斜。但是，即使是最堅(jiān)固的鋼制軸在重載工況下也會(huì)發(fā)生略微扭曲。撓度隨所施加的扭矩、傳動(dòng)元件的材料及其形狀而變化。從直覺上講，長(zhǎng)而薄的零件比短而粗的零件更易彎曲。這種對(duì)扭轉(zhuǎn)的抵抗是螺旋彈簧工作的原理，因?yàn)閴嚎s會(huì)在彈簧的每一匝中產(chǎn)生輕微扭轉(zhuǎn)；較粗的鋼絲使彈簧更硬。扭轉(zhuǎn)剛度不是無窮大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)像彈簧一 樣，這意味著當(dāng)負(fù)載抵抗扭轉(zhuǎn)時(shí)， 勢(shì)能會(huì)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。

當(dāng)兩者結(jié)合在一起時(shí)，有限的扭轉(zhuǎn)剛度和齒隙會(huì)大大降低伺服系統(tǒng)的性能。齒隙會(huì)帶來不確定性，因?yàn)殡姍C(jī)編碼器顯示的電機(jī)軸的位置，而不是齒隙允許負(fù)載穩(wěn)定的位置。齒隙還會(huì)引起調(diào)諧問題，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載和電機(jī)的相對(duì)方向相反時(shí)，負(fù)載會(huì)短暫地與電機(jī)耦合和解耦。

除了齒隙的影響之外，有限的扭轉(zhuǎn)剛度還會(huì)將電機(jī)和負(fù)載的一些動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，然后釋放 存儲(chǔ)的能量。能量的延遲釋放會(huì)導(dǎo)致負(fù)載振蕩，甚至?xí)鸸舱?，從而降低最大可用調(diào)諧增益，并對(duì)伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定時(shí)間產(chǎn)生負(fù)面影響。在任何工況下，減少齒隙并增加系統(tǒng)的剛度對(duì)提高伺服性能并簡(jiǎn)化調(diào)諧工作都將有所幫助。

旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的配置

最常見的一種旋轉(zhuǎn)軸配置是 旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，該電機(jī)配置了用于位置反饋的內(nèi)置編碼器和齒輪箱，以使電機(jī)的可用轉(zhuǎn)矩和速度與所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和速度相匹配。齒輪箱是一種恒定功率設(shè)備，是負(fù)載匹配變壓器的機(jī)械模擬。

一種改進(jìn)的硬件配置是使用直接驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，它通過直接將負(fù)載與電機(jī)耦合，消除了傳動(dòng)元件。齒輪電機(jī)配置使用 聯(lián)軸器連接到相對(duì)較小的軸，而直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則將負(fù)載直接通過螺栓連接到更大的轉(zhuǎn)子法蘭上。這種配置消除了齒隙并大大提高了扭轉(zhuǎn)剛度。直驅(qū)電機(jī)的極數(shù)更高，繞組的轉(zhuǎn)矩也更高，與齒輪電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度特性相比，比 率為 10 ：1 或更高（圖 2）。

▎圖 2 ：將齒輪電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)分別安裝到模擬高慣性旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)的共同負(fù)載上，以對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

最不常見、最復(fù)雜的配置是全閉環(huán)系統(tǒng)，其中常規(guī)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)和齒輪箱或其它傳動(dòng)元件與第二個(gè)編碼器結(jié)合在一起，用于測(cè)量負(fù)載的位置，它掩蓋但不能消除齒隙的影響。同時(shí)還增加了第二個(gè)編碼器的成本和復(fù)雜性，需要額外的機(jī)械加工和硬件安裝， 并增加了電纜連接以及維護(hù)工作。

在這三種系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，直接驅(qū)動(dòng)式旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)具有最佳的性能，系統(tǒng)復(fù)雜性最低，但成本卻高于齒輪電機(jī)解決方案。然而，試圖通過制造商手冊(cè)和目錄來量化性能優(yōu)勢(shì)幾乎是不可能的，因?yàn)檫@些電機(jī)在規(guī)格方面似乎非常相似。

關(guān)鍵概念：

■ 由于技術(shù)限制，現(xiàn)實(shí)世界中的旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)無法達(dá)到理想性能。

■ 多種類型的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)都可為用戶帶來好處，但是每種都有其特定的挑戰(zhàn)或 局限性。

■ 直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)具有最佳性能，但比齒輪電機(jī)貴。

思考一下：

在選擇伺服電機(jī)時(shí)，您會(huì)考慮哪些因素？

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關(guān)注一下不錯(cuò)過每一篇好文

本文來自于控制工程中文版（ConTROL ENGINEERING China）2021年7月刊《聚焦自動(dòng)化》欄目：直驅(qū) vs. 齒輪旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī) ：設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)的量化