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DDR直驱电机选型及常见问题

2019年03月14日 11:22:44 供稿:深圳市泰道精密机电有限公司

DDR直驱电机工作平台,利用直线电机或力矩直接驱动工作台,将动子部分的能量直接作用于工作平台上,中间无传动结构,因此避免了传统上获得直线运动的结构方式,如丝杠螺母机构、齿轮齿条机构、皮带驱动结构等,较易获得高速度、加速度、结构简单、无摩擦、传动效率高等效果,同时可以提供较传统方式高得多的性能指标,如长行程(模块化生产,行程可根据需要任意搭接)、高精度(最大定位精度达纳米级)等特点,适合于传统形式不能解决的长行程、高精度、高速度等精密直线运动的场合。

DDR直驱电机选型要素

1.峰值力和持续力

DDR直驱电机扭矩必须要符合应用需要,或者说电机的峰值扭矩和持续扭矩要高于应用需要的峰值扭矩和RMS(均方根)扭矩,否则,电机将不能达到所需要的最大加速度,或者有时电机会过热。

其中,直线电机遵照牛顿第二定律:F=ma,F是负载运动需要的力,单位为N;m是运动物体的质量,单位为Kg;a是加速度,单位为m/s2。同理,对于旋转电机,T=Jα,T是负载选择需要的扭矩,单位是Nm;J是负载的转动惯量,单位Kgm2;α是角加速度,单位为rad/s2(360°=2πrad)。

对于实际应用,可以计算需要的峰值扭矩和RMS扭矩:

峰值扭矩取决于加速度/减速度,T=Jα,

直驱电机

其中:

Ta=加速扭矩Tc=匀速扭矩

Td=减速扭矩Tw=停顿扭矩

ta=加速时间tc=匀速时间

td=减速时间tw=停顿时间

电机的选择要基于计算出的峰值扭矩和RMS扭矩。另外需要增加20-30%的安全系数,特别是假设摩擦力和反向作用力为零时。雅科贝思提供的电机选型软件,输入相应的应用参数之后,可以自动计算出峰值扭矩和RMS扭矩,并推荐可供选择的电机型号。雅科贝思的DDR电机以高扭矩密度为目标设计,相比较传统旋转电机设计理念,可以提供更高的峰值扭矩和持续扭矩。

2.电机惯量——越小越好

根据转矩方程式,T=Jα,如果转动惯量越小,就可以获得更高的角加速度。转动惯量包括两部分:电机本身的转动惯量和负载的转动惯量。

直驱电机

图1电机惯量与负载惯量示意图

在很多的案例中,电机本身的转动惯量在总的惯量中占有很大比例。这意味着电机扭矩有大部分用于自身转动,只有小部分扭矩用于负载转动。

这种情况会给设计工程师造成设计障碍。为获取更高的性能,更大加速度和更短的运行周期,就需要更大扭矩,为了取得更大的扭矩,工程师就要选择更大型号的电机。然而,电机越大,电机本身的转动惯量就会越大,会导致需要更高的扭矩。有可能更大型号的电机也不能达到更高性能的目标。因此,DDR电机本身转动惯量小是一个优点。应该注意,DDR电机若使用外部转子设计,自然会有更大的转动惯量。雅科贝思的ADR-A系列电机采用最佳的转动惯量设计,扭矩密度与电机惯量的比率极佳。

3.电机的转动惯量是否一定要匹配负载惯量?

当使用传统的伺服电机和机械传动系统时,有一个惯例,电机惯量和负载惯量的比率要匹配,比率要控制在1:5以内,或者已提高到1:10以内。对于DDR电机,不需要电机惯量和负载惯量匹配,或者说DDR的电机使用不受电机惯量和负载惯量比例的影响,可以是任意比值。

在传统的伺服电机应用中,皮带、滑轮、齿条和齿轮等等机械传动都存在背隙。因此,在小型快速运动中,需要变换运动方向时,可能会出现负载与电机瞬间解耦(脱离)的问题,这会造成控制方面不够稳定。惯量匹配就是要解决这个问题,使控制部分能在稳定的范围内运行。

在使用DDR电机时,电机与负载直接连接,中间没有任何传动机构,不存在背隙的问题。因此,DDR电机不需要惯量匹配。

4.齿槽效应或稳定扭矩

DDR电机定子的叠片式铁芯的齿部会造成齿槽效应。如图2所示,说明了齿槽效应是由定子齿部和磁铁之间的吸引力产生的。

直驱电机

图2导致齿槽效应的吸引力

可以用手去旋转电机来感受齿槽效应,会在特定的位置感觉到阻碍力,使电机转动起来不是特别的平滑。齿槽扭矩的缺点在于它会促使运动中产生扭矩波动,从而造成速度波动。运动控制器一定程度上可以弥补这种影响,但是在低速的匀速运动中,齿槽效应的影响是非常不利的。齿槽效应的另一个缺点是影响运动的整定性能,在目标位置会有抖动现象。雅科贝思的ADR系列电机设计时对槽/极进行了优化,并在定子叠片式铁芯的齿部做了特别设计,实现最低的齿槽扭矩。最大的齿槽扭矩,即峰峰值数据均标示在电机资料手册中。其中ACD和ACW系列电机采用无铁芯设计,也就是说这两种电机没有任何齿槽扭矩。

5.最大速度

在快速的运动应用中,可以达到很高的峰值速度。根据应用情况,需要考虑合适的绕组类型,确保驱动器的总线电压可以充分的克服反电动势电压。简单的说,总线电压要大于由反电动势产生的电压和峰值电流乘于电机电阻总和:

V>(Kv*Speed+Ip*R)

其中:

V是总线电压,单位为VDc;

Kv是电机的反电动势常数;

Ip是峰值电流,单位是Apk;

R是电机的终端电阻。

雅科贝思的DDR电机通常提供两种绕组,以迎合不同的速度和电压需求。串联式绕组适用于较低的电流、较高的电压驱动电路;并联式绕组适用于较高的电流、比较低的电压驱动电路。用户可以根据实际应用中需要的最大速度来选择绕组类型,并基于电流和供电电压匹配驱动电路。

6.轴向和径向跳动

DDR电机的轴向和径向跳动由其使用的轴承精度、机械加工件和零部件的安装精度决定。在高精度的应用中需要考虑轴向和径向跳动。雅科贝思DDR电机的轴向和径向跳动标示在电机资料手册上。对标准电机,给予正常的轴向和径向跳动值,也提供更高规格的指标可供用户选择。

7.反馈

雅科贝思DDR电机通常使用光学增量编码器反馈。但是,也有其它反馈类型可以选择,如:旋变编码器、绝对值编码器和感应式编码器。光学编码器相比较旋变编码器可提供更好的精度和更高的分辨率。雅科贝思DDR电机无论多大型号,通常使用的光学编码器光栅尺的光栅间距是20微米。通过插值,可以获得非常高的分辨率,以达到应用所需精度。

比如:ADR135,光栅间距20微米,每转有12000线,标准的插值倍率是40倍,每转的分辨率为480000单位,或者说以光栅为反馈的分辨率是0.5微米。采用SINCOS(模拟量编码器),4096倍的插值之后,可以得到的分辨率为每转49152000单位,或者说以光栅为反馈的分辨率是5纳米。

直线电机选型

直线电机的选型包括最大推力和持续推力需求的计算。最大推力由移动负载质量和最大加速度大小决定。

推力=总质量×加速度+摩擦力+外界应力

例如:(假定摩擦力和外界应力忽略不计)当移动负载是2.5千克(包括动子),所需加速度为30m/s2时,电机将产生75N的力。

通常,不知道实际加速度需求,但是,有电机运行时间要求。给定运动行程距离和所需行程时间,便可以此计算出所需的加速度。一般,对于短行程来说,可推荐使用三角型速度模式(无匀速);长行程的话,梯形速度模式会更有效率。在三角型速度模式中,电机的运动无匀速段。

在三角型速度模式中,加速度=4×位移/运动时间²。

直驱电机

在梯形速度模式中,预设匀速度可以帮助决定加速度。

直驱电机

加速度=匀速/(运动时间-位移/匀速)

相类似的,计算减速度大小与计算加速度相类似。除非存在一个不平衡的力(重力)作用在电机上。

通常为了要维持匀速过程(Cruising)和停滞阶段(Dwelling),摩擦力和外界应力的施力也需要计算。(注:为了维持匀速,电机会对抗摩擦力和外界应力。电机上使能停滞时则会对抗外界应力。)

计算持续推力公式如下:

直驱电机

RMSForce=持续推力

Fa=加速度力Ta=加速时间

Fc=匀速段力Tc=匀速时间

Fd=减速度力Td=减速时间

Fw=停滞力Tw=停滞时间

根据最大推力和持续推力选择一个电机。客户应该将安全系数设为20-30%,以便将摩擦力和外界应力抵消为0。举个例子,一个应用中,电机需要在三角模式下让电机在0.2秒内,让4KG的负载移动0.3米。电机同行程中返程前停滞时间为0.15秒。假设摩擦力和其他不平衡力不存在,则:

加速度=减速度=4×0.3/(0.2)2=30m/s2

最大推力=加速度力=减速度力=负载×加速度=4×30=120N

直驱电机

假如安全缓冲系数设为30%,通过选型,合适的电机为AUM3-S4。

直线电机常见问题

1.电机可以驱动的最大有效负载是多大?

A:根据牛顿定律:F=ma,应用的力与质量和加速度成正比。因此,只要克服摩擦力,很大的质量/负载也可以用很小的力推动,只是加速度会比较小。如:AUM2-S2电机的峰值力是88N,推动10Kg的负载横向移动时,最大加速度可以到8.8m/s2。

2.在垂直方向上(电机垂直安装时)最大有效负载如何?

A:垂直运动时,电机除了克服重力、还要提供推力向上运动(F=mg+ma),在这种情况下,最大的负载由最大力除以重力加速度(9.81m/s2)决定。如果垂直力一直持续,最大的负载就是电机的持续力。如:对于AUM2-S2的持续力是22N,最大的垂直负载是2Kg。如果负载装有平衡装置(如弹簧),AUM2-S2就可以推动更重的负载。

3.电机/模组的最大速度是多少?

A:由于直线电机没有直接接触,理论上没有速度限制。然而,机械轴承的速度通常是有限的。如:线性制导系统使用导轨和滑块,最大速度通常限制为5m/s,这就是为什么在大多数应用案例中,直线电机的速度限制在5m/s;选择陶瓷球轴承速度可提升至10m/s,使用空气轴承可以实现更高的速度。

4.最大加速度如何?

A:对于加速度,可以通过牛顿定律(F=ma)来解释,它取决于电机的最大推力(峰值力)和运动质量。

5.直线电机的最大长度是多长?

A:对于AUM和ACM直线电机来说没有长度限制,因为电机的定子可以分段拼接起来;直线导轨同样可以拼接;作为反馈的直线光栅尺可以做到很长。因此直线电机的长度可以到20m,甚至更长。

6.突然断电时,直线电机会怎么样?

A:当突然断电时,直线电机会由于惯性继续向前运动,直至碰撞到末端或由于摩擦力停下来。通常这并不是问题,但在某些应用中会存在隐患。可以安装制动装置,当电源切断时激活该装置,这样电机就可以立即停下来。这种制动装置通常安装在直线制导系统的导轨上。

7.直线电机是否适用于洁净室?

A:是的,直线电机适用于洁净室。事实上,许多前端半导体应用都使用直线电机。如:在晶圆制造工厂,高精度光刻机放置在在等级为10的洁净室里,直线电机应用于其中XY定位平台,使用纳米分辨率来实现亚微米级精度。直线电机在更多的应用领域中越来越受欢迎,另外直线电机也应用在其它领域中,如半导体后端包装,测试,拾取与放置,硬盘的装配与测试等等,许多应用都是在洁净室里。在洁净室里,相比较传统的滚珠丝杠驱动,直线电机的优势:

•驱动机构没有接触。因此没有磨损而导致粒子生成;

•直线电机不需要润滑剂。润滑剂也是污染源。

8.直线电机的磁场有什么影响?

A:在一些应用中,用户会担心直线电机磁场会破坏敏感的组件。一般来说,在一些应用中,推荐使用无铁芯直线电机(AUM),AUM电机磁轨的磁场是闭合的,磁通量外泄的基本可以忽略不计。对于有铁芯直线电机(如ACM),在磁轨50-60mm的范围内会有磁场,磁场强度会随着距离的增加而衰减,而且特定区域的磁场是恒定的,不会产生射频干扰。

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=36040

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