永磁伺服電機(jī)的基本概念及主要傳動(dòng)參數(shù)

機(jī)器人的概念已經(jīng)是非常地廣泛，本文所探討的是工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)所需的機(jī)器人關(guān)節(jié)用伺服電機(jī)，暫不涉及到服務(wù)型機(jī)器人的復(fù)合一體化關(guān)節(jié)伺服電機(jī)。

工業(yè)機(jī)器人大體上分類為線性機(jī)器人（又叫直角坐標(biāo)機(jī)器人）、多自由度機(jī)器人(又叫多關(guān)節(jié)機(jī)器人)、并聯(lián)機(jī)器人（又叫deltaΔ機(jī)器人）和水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人（又叫scara機(jī)器人）。由各種類型的關(guān)節(jié)機(jī)械手臂和自動(dòng)化傳輸設(shè)備結(jié)合而成的自動(dòng)化島。不同功能的自動(dòng)化島鏈接而成自動(dòng)化線，不同的自動(dòng)化線結(jié)合組成自動(dòng)化車間。

在這些自動(dòng)化工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化單元之間，伺服電機(jī)始終處于將機(jī)構(gòu)按照控制指令的要求準(zhǔn)確、及時(shí)、穩(wěn)妥地傳送到位的關(guān)鍵作用，所以屬于核心零部件。

永磁伺服電機(jī)的基本概念

伺服是根據(jù)控制電腦系統(tǒng)的指令能夠不折不扣執(zhí)行的意思，它不僅僅限于電動(dòng)機(jī)、液壓，包括氣動(dòng)在內(nèi)，能完成該任務(wù)的所有元件均為伺服原件。

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)電轉(zhuǎn)換部件。伺服電機(jī)是能被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)，它的輸出參數(shù)，如位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩都是可控的。

由于控制指標(biāo)的不同，伺服電機(jī)可以有不同類型。按照電源類型的不同可分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)；按照運(yùn)轉(zhuǎn)方式又可分為直線型伺服電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)型伺服電動(dòng)機(jī)。直線型電動(dòng)機(jī)直接產(chǎn)生牛頓力，旋轉(zhuǎn)型電動(dòng)機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)力矩。旋轉(zhuǎn)型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直線型負(fù)載需要通過(guò)絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)型交流伺服電機(jī)按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為交流異步伺服電機(jī)和交流同步伺服電機(jī)。交流異步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子為鋁制或銅制鼠籠，鼠籠轉(zhuǎn)速始終和同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)有一定轉(zhuǎn)速差。該類型的電機(jī)在矢量調(diào)速技術(shù)下可獲得與直流電機(jī)一樣完美的力矩控制特性，但是轉(zhuǎn)子具有慣量大、恒功率特性好、調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)，適合于機(jī)床切削和印刷機(jī)械收放卷類等大范圍的變慣量負(fù)載，缺點(diǎn)是啟動(dòng)力矩小，電磁響應(yīng)速度不如永磁伺服電機(jī)，電磁時(shí)間常數(shù)值是永磁材料制成的永磁電機(jī)的10倍左右，又由于功率密度低，轉(zhuǎn)子尺寸大，所以不適合高動(dòng)態(tài)的伺服場(chǎng)合。

旋轉(zhuǎn)型交流同步伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子使用的是永磁材料，直接產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，不存在需要?jiǎng)?lì)磁電流建立電機(jī)磁場(chǎng)的過(guò)程，所以電磁響應(yīng)快。并且，由于當(dāng)前的稀土永磁材料能量密度高，使得該類電機(jī)功率密度高，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)成各種特性的伺服電機(jī)提供了可能。高動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)型的小轉(zhuǎn)子慣量，也可以設(shè)計(jì)成粗短型的大轉(zhuǎn)子慣量。稀土永磁材料的使用奠定了永磁電機(jī)作為伺服電機(jī)的首選可能。由于稀土永磁材料仍然是伺服電機(jī)各材料中最昂貴的部分。不同廠家使用的材料的差異，將產(chǎn)品品質(zhì)分成了不同的層次。好的永磁材料可以是在150℃的工作溫度以上不會(huì)退磁，差的永磁材料在電機(jī)工作溫度不足120℃時(shí)可能就會(huì)出現(xiàn)退磁。永磁材料的直接決定著伺服電機(jī)的不同特性。

直線伺服電機(jī)直接輸出牛頓力，無(wú)需通過(guò)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換，可以獲得很高的加速度，近年來(lái)，技術(shù)進(jìn)步很快，廣泛應(yīng)用于高性能機(jī)床進(jìn)給軸，在工業(yè)機(jī)器人上僅限于部分用于線性機(jī)械手臂，不作為本文介紹的重點(diǎn)。本文重點(diǎn)討論旋轉(zhuǎn)型永磁伺服電機(jī)及其在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用。

旋轉(zhuǎn)型永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)

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圖1 永磁伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

圖1所示的是典型的永磁伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。為了全面描述，盡量通過(guò)一個(gè)圖可以看清永磁伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)的全貌。事實(shí)上小功率永磁伺服電機(jī)在15kw以內(nèi)，可以自然散熱，無(wú)需設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)機(jī)，電機(jī)小巧，無(wú)需通過(guò)安裝地腳固定，安裝吊環(huán)也是不必要的，引出線方式從接線盒改為航空插頭更為簡(jiǎn)潔。這樣電機(jī)外形就變成圖2（a）所示的樣子，如果電機(jī)很小，在1kw以內(nèi)，引出線用的航空插頭也是不必要的，直接引出一段電纜甩線，就變成了圖2（b）所示的樣子。

圖2 小功率永磁伺服電機(jī)外形圖

這里假設(shè)讀者對(duì)于電機(jī)原理是理解的，僅從機(jī)器人電機(jī)的特點(diǎn)對(duì)永磁伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)做區(qū)別性說(shuō)明。

軸承：伺服電機(jī)的壽命和軸承密切相關(guān)，由于機(jī)器人對(duì)可靠性和耐用性的要求，軸承至少要確保30000小時(shí)的使用壽命。這樣按照8小時(shí)工作制折算，至少機(jī)器人的使用壽命在10年以上，軸承的轉(zhuǎn)速要確保6000rpm可以斷續(xù)工作。

定子沖片和繞組：由于機(jī)器人電機(jī)需要高功率密度，為了體積小，鐵耗發(fā)熱小，沖片材料要在0.35mm以下的冷扎矽鋼片。繞組要長(zhǎng)期經(jīng)受16K的變頻載波脈沖沖擊，為了防止被擊穿，承受密集的dv/dt沖擊，耐壓要不低于2500V。

轉(zhuǎn)子永磁材料：永磁材料是永磁伺服電機(jī)里最為昂貴的部分，稀土元素含量低的材料居里點(diǎn)低，材料穩(wěn)定性差，如果使用釹鐵硼永磁體，最好在UH42以上，并且，要注意鏑等稀土元素的含量，為了保證高溫抗退磁，釤鈷永磁體也經(jīng)常在中小伺服電機(jī)中廣泛使用?？傊?，要確保伺服電機(jī)在正常的使用場(chǎng)合真正永不退磁。否則，機(jī)器人的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能無(wú)法保障。

軸封：為了防止油污，雜物進(jìn)入電機(jī)，又要保證運(yùn)轉(zhuǎn)，在電機(jī)軸端加軸封是常規(guī)設(shè)計(jì)。機(jī)器人常常在伺服電機(jī)的電機(jī)軸端銑一個(gè)小齒輪、電機(jī)和減速機(jī)直接相連，高溫和油污都可能進(jìn)入電機(jī)，因此，就需要多唇高溫軸封，比如雙唇氟橡膠軸封就比單唇丁晴橡膠軸封可靠，當(dāng)然成本差異也很大。

抱閘：抱閘是機(jī)器人電機(jī)的基本選項(xiàng)。近乎95%以上的伺服電機(jī)需要抱閘，要確保時(shí)刻抱閘，尤其在緊急停車時(shí)可靠運(yùn)行，抱閘需要有足夠的安全系數(shù)，靜扭矩大約在電機(jī)額定扭矩的1.5倍左右，重載型機(jī)器人電機(jī)抱閘的安全系數(shù)要達(dá)到2.0甚至2.5倍。有一點(diǎn)需要注意的是，機(jī)器人電機(jī)的抱閘是安全制動(dòng)器，不是剎車制動(dòng)器，控制上要確保在急停狀態(tài)下通過(guò)制動(dòng)電阻讓伺服驅(qū)動(dòng)器的剎車電路工作，電機(jī)轉(zhuǎn)速接近0的時(shí)候抱閘動(dòng)作。為了提高抱閘的響應(yīng)速度，永磁抱閘優(yōu)于電磁彈簧抱閘。

編碼器：編碼器安裝于電機(jī)尾端，是屬于電機(jī)速度和轉(zhuǎn)子位置傳感器?？梢詼y(cè)量轉(zhuǎn)子的位置用于伺服控制磁場(chǎng)定位和轉(zhuǎn)子實(shí)際位置和速度給控制電腦，用于運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算。機(jī)器人電機(jī)編碼器一般精度不高，但需要多圈絕對(duì)位置可測(cè)量，保證斷電之后，再次運(yùn)行，斷電前面的位置可以記憶。目前流行三種方式解決機(jī)器人電機(jī)編碼器的問(wèn)題。第一種方式是單圈采用格雷碼光電或磁碼盤，多圈采用機(jī)械齒輪。這樣的好處是測(cè)量精度高，斷電后約會(huì)通過(guò)編碼器的機(jī)械位置記住電機(jī)的運(yùn)行位置，上電后直接讀取即可，但缺點(diǎn)是編碼器太厚，在有限的安裝空間下就顯得過(guò)分長(zhǎng)。第二種是單圈信心通過(guò)光電或磁編格雷碼記憶，多圈通過(guò)電池供電電子記憶，這樣就可以把編碼器做得很短，對(duì)外方小于60mm的小伺服電機(jī)非常適合。缺點(diǎn)是電池的使用壽命比較短，長(zhǎng)則2-3年，有的1年就要更換電池。第三種方式是精度要求不高的場(chǎng)合才使用的旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量單圈位置，多圈信息通過(guò)在控制箱里的帶電池電路板完成。

轉(zhuǎn)子軸伸：由于頻繁的正反轉(zhuǎn)，電機(jī)承受一定的剪切力，軸的材料最好采用42CrMo調(diào)制。若果電機(jī)帶鍵安裝，無(wú)論如何要把鍵滿裝，這樣才可以有效減小電機(jī)的的動(dòng)平衡和跳動(dòng)量。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，伺服電機(jī)帶鍵和光軸的空載運(yùn)行跳動(dòng)要相差9倍之多，不可小視。

永磁伺服電機(jī)主要傳動(dòng)參數(shù)

工作區(qū)：在電動(dòng)機(jī)溫升不超過(guò)允許溫升的條件下，電動(dòng)機(jī)能長(zhǎng)期工作的區(qū)域稱為連續(xù)工作區(qū)；在連續(xù)工作區(qū)之外，允許電動(dòng)機(jī)短時(shí)運(yùn)行的區(qū)域稱為斷續(xù)工作區(qū)。工作區(qū)用轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的二維平面坐標(biāo)表示。

額定功率PN：在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，電動(dòng)機(jī)所能輸出的最大功率。

額定轉(zhuǎn)矩MN：在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，電動(dòng)機(jī)輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)矩。不同制造商對(duì)于額定轉(zhuǎn)矩的定義差別很大。一般都要規(guī)定對(duì)應(yīng)的散熱條件。國(guó)外通行的做法是說(shuō)明改指標(biāo)是在多少面積和厚度的鋁板法蘭上安裝，法蘭溫度保證在20℃或給定的溫度之下測(cè)量所得。所以實(shí)際工作中往往由于安裝在鑄鐵件，而且夏季高溫超出該測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)溫度，這樣使用時(shí)如果不留有余量，就會(huì)造成過(guò)熱退磁。國(guó)標(biāo)規(guī)定環(huán)境溫度40度的標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)中國(guó)環(huán)境是比較合理的。嚴(yán)肅的廠商在按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的額定值之下會(huì)留取一定的設(shè)計(jì)余量作為公布的額定力矩，這樣更為安全。

額定電流IN：額定扭矩對(duì)應(yīng)的電流。

額定轉(zhuǎn)速nN：電動(dòng)機(jī)在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，在額定轉(zhuǎn)矩下允許工作的最高轉(zhuǎn)速。

連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩MO：在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩。一般轉(zhuǎn)速低于100rpm視為堵轉(zhuǎn)工作區(qū)間。

連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流I0：對(duì)應(yīng)連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流。

峰值扭矩Mmax：允許電機(jī)輸出的最大力矩。不同廠商標(biāo)稱條件不同，且差異很大。有的標(biāo)注成退磁電流對(duì)應(yīng)的力矩，這樣的標(biāo)注實(shí)際是不可使用改峰值力矩的，機(jī)械設(shè)計(jì)人員要留有足夠的余量，以防工作力矩過(guò)大而使電機(jī)退磁失效。如果按照工作制標(biāo)注的最大力矩，那是在工程上具有參考價(jià)值的。按照S3-10%標(biāo)注的峰值力矩是最具有工程的參考價(jià)值，可以理解為連續(xù)工作時(shí)間3s所允許的最大工作轉(zhuǎn)矩，這在機(jī)器人上是足夠的。多關(guān)節(jié)機(jī)器人的重復(fù)過(guò)載一般在2.0倍上下。

峰值電流Imax：峰值力矩對(duì)應(yīng)的工作電流。

電氣時(shí)間常數(shù)Te：電流對(duì)于所加電壓的響應(yīng)速度的特性常數(shù)，定義為電動(dòng)機(jī)端子間加上固定的電壓之后，電流成為最終電流的1-e-1（約63.2%）時(shí)所用的時(shí)間。伺服電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)一般是指定子繞組的電感與電阻的比值（te＝L/R），與伺服系統(tǒng)的電流階躍響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，但未必相當(dāng)。

機(jī)械時(shí)間常數(shù)Tm：伺服電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)根據(jù)定義：tm=R*J/Ke*Kt，即與繞組電阻、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電機(jī)反電勢(shì)系數(shù)、電機(jī)力矩系數(shù)有關(guān)。拖動(dòng)電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)大約與空載從零速加速到平衡轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時(shí)間相當(dāng)。在伺服系統(tǒng)中，該常數(shù)在數(shù)量上可能與系統(tǒng)的速度環(huán)階躍響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)。

反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ke：電動(dòng)機(jī)在單位轉(zhuǎn)速下感應(yīng)的空載反電勢(shì)值。常規(guī)指每1000rpm對(duì)應(yīng)的空載反電勢(shì)，單位為V/Krpm。

扭矩常數(shù)Kt：單位電流對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出扭矩。電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)Ke與力矩系數(shù)Kt之間的關(guān)系，一般Kt=9.55*Ke*1.732,其中Kt的單位是Nm/A，Ke的單位是V/rpm，Ke=Kt。Ke這里是線反電勢(shì)。

如果電機(jī)資料里沒(méi)有給出Kt和Ke參數(shù)，可以根據(jù)額定力矩和額定電流導(dǎo)出Kt，然后根據(jù)Kt=9.55*Ke*1.732間接導(dǎo)出線反電勢(shì)系數(shù)Ke了，即：Ke=0.1047*Kt/1.732，單位V/rpm；或者：Ke=104.7*Kt/1.732，單位V/Krpm，或mV/rpm。

由于電源電壓的限制，為了保證高響應(yīng)，電機(jī)的反電勢(shì)常熟就要設(shè)計(jì)的相對(duì)較低，保證高速下有足夠的壓差從而獲得充足的電流。而大電流對(duì)電機(jī)增加了電機(jī)的發(fā)熱負(fù)擔(dān)。從而使得機(jī)器人電機(jī)的功率密度要較高，能實(shí)現(xiàn)小體積，大扭矩，低發(fā)熱。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.機(jī)器人電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常重要，直接關(guān)系到機(jī)器人工作的穩(wěn)定性。因?yàn)闄C(jī)器人往往是多軸聯(lián)動(dòng)的。比如關(guān)節(jié)機(jī)器人的第二軸，需要很大的電機(jī)慣量來(lái)適應(yīng)臂展打開(kāi)和收縮起來(lái)的巨大負(fù)載慣量變化。

齒槽轉(zhuǎn)矩：當(dāng)帶永磁體的電動(dòng)機(jī)繞組開(kāi)路時(shí)，電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)一周內(nèi)，由于電樞鐵心開(kāi)槽，有趨于最小磁阻位置的傾向而產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩。

過(guò)載能力：在規(guī)定條件下，電動(dòng)機(jī)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輸出一定功率或轉(zhuǎn)矩而不超過(guò)規(guī)定峰值電流的能力。通常把峰值電流與額定電流之比稱為電流過(guò)載倍數(shù)，峰值轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為轉(zhuǎn)矩過(guò)載倍數(shù)。通常機(jī)器人電機(jī)要保證3倍左右的扭矩過(guò)載。

最高轉(zhuǎn)速nN：在間歇工作區(qū)內(nèi)，電動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速。不同的電機(jī)廠對(duì)于最高轉(zhuǎn)速的定義差別很大,機(jī)器人電機(jī)常常給出的是實(shí)際運(yùn)行時(shí)可以重復(fù)工作的最高轉(zhuǎn)速。在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大力矩可以超過(guò)額定力矩的2倍，這樣保證全速度范圍的加速響應(yīng)。

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