了解技術(shù)以及如何選擇這些技術(shù)
100年前伺服電機(jī)的發(fā)明，讓精準(zhǔn)控制成為現(xiàn)實。從工廠機(jī)械臂到手術(shù)機(jī)器人，從無人機(jī)到數(shù)控機(jī)床，到處都有它的身影。但技術(shù)發(fā)展到今天，伺服電機(jī)種類繁多，選擇成了難題。有刷直流永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單好控制，無刷直流電機(jī)運行安靜壽命長，交流永磁電機(jī)則是工業(yè)界的主力軍。每種電機(jī)都有自己的特長，關(guān)鍵是找到適合你的那一個。今天我們就來聊聊這三種電機(jī)的優(yōu)缺點，幫你做出明智的選擇。
有刷直流永磁伺服電機(jī)
起源于20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)的伺服電機(jī)技術(shù)于 1926 年問世，使用有刷直流電機(jī)，這一概念可追溯到 1832 年。目前常用的設(shè)計是在定子上安裝永磁鐵，在轉(zhuǎn)子疊片上纏繞銅線圈，并使用轉(zhuǎn)速計等實時反饋裝置來實現(xiàn)伺服驅(qū)動。
伺服驅(qū)動器可對反饋信號進(jìn)行解讀，并以各種寬度的脈沖調(diào)制為電機(jī)提供電壓，這一過程稱為脈沖寬度調(diào)制。這些脈沖通過由很多銅條組成的旋轉(zhuǎn)開關(guān)（換向器）實現(xiàn)換向，換向器與石墨等導(dǎo)電材料制成的固定電刷接觸，將脈沖輸送到轉(zhuǎn)子線圈的多個相位。
當(dāng)線圈依次切換時，會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場與永久磁鐵相互作用，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；谒俣确答佈b置提供的數(shù)據(jù)，驅(qū)動器可利用脈沖寬度調(diào)制來持續(xù)修正任何誤差。例如，即便電機(jī)驅(qū)動的負(fù)載不斷變化，也能確保轉(zhuǎn)子保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和準(zhǔn)確的定位。
優(yōu)點
■ 初始成本較低，但使用壽命短可能會抵消這一優(yōu)勢。
■ 啟動和低速運作時扭矩大。
■ 電機(jī)控制系統(tǒng)相對簡單。
潛在提升點
■ 磨損的電刷需要定期更換。
■ 磨損的換向器需要返修、更換新軸承甚至更換電機(jī)。
■ 物理換向限制了功率傳輸，如果超額工作，可能會導(dǎo)致電弧。
無刷直流電機(jī) (BLDC)
無刷直流電機(jī)于 20 世紀(jì) 60 年代問世，半導(dǎo)體電子技術(shù)的進(jìn)步使其成為可能。早期的無刷直流電機(jī)功率較低，但隨著大功率永磁材料的日益普及，無刷直流電機(jī)在 20 世紀(jì) 80 年代開始嶄露頭角。如今，相比有刷直流伺服電機(jī)，這些電機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中的用途更為普遍。
由于沒有物理電刷與旋轉(zhuǎn)的換向器接觸，無刷直流電機(jī)的基本設(shè)計與有刷電機(jī)相比得到了改善，進(jìn)而提高了效率和性能。其電樞線圈纏繞在定子/機(jī)架上的槽形疊片上，而永磁體則固定在轉(zhuǎn)子上。
編碼器等反饋裝置會不斷向驅(qū)動器報告轉(zhuǎn)子的位置，驅(qū)動器則會直接切換輸送到線圈的直流電壓，以糾正任何旋轉(zhuǎn)誤差，進(jìn)而實現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)向、速度和位置。這種電子切換以粗略模仿正弦波的步進(jìn)方式進(jìn)行。在任何指定的旋轉(zhuǎn)點，電流都會施加到兩相上，第三相則始終處于斷電狀態(tài)。
這種階梯狀波形會產(chǎn)生扭矩紋波，而永磁轉(zhuǎn)子和定子齒形鋼疊片之間的吸引力則會產(chǎn)生齒槽效應(yīng)。這些特性妨礙了低速時的精確控制和平穩(wěn)運行，但在高速時卻很少出現(xiàn)問題。沒有定子齒的無槽電機(jī)消除了齒槽效應(yīng)，但低速平穩(wěn)運行的代價是扭矩顯著降低。
優(yōu)點
■ 在中高速運行時，閉環(huán)控制精確、反應(yīng)靈敏。
■ 無物理換向意味著更長的使用壽命、更高的效率和盡可能少的維護(hù)。
■ 速度比有刷電機(jī)高很多，扭矩下降幅度較小。
潛在提升點
■ 驅(qū)動器電子設(shè)備以及編程/調(diào)整更為復(fù)雜。
■ 當(dāng)轉(zhuǎn)速小于200 rpm時，齒槽效應(yīng)和扭矩紋波會妨礙平穩(wěn)性和控制性。
交流永磁伺服電機(jī)
對于大多數(shù)需要精確位置和速度控制的應(yīng)用來說，同步交流永磁伺服電機(jī)是不二選擇。該技術(shù)早于 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)，隨著驅(qū)動器電子裝置、永磁材料、制造公差和其他創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)也在不斷完善。
其基本設(shè)計與無刷直流伺服電機(jī)類似。外部定子包含有插入層疊鋼齒間的三相繞組線圈。電子換向系統(tǒng)按順序給這些線圈通電，以產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場會與內(nèi)部轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，進(jìn)而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。
與無刷直流伺服電機(jī)不同，交流伺服電機(jī)的換向電流會根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，以正弦波的形式輸送到所有三相繞組中。電流的幅值和頻率都可改變，以此提供更強(qiáng)勁的扭矩和更精確的控制。平滑的正弦波還能大幅度減少齒槽和扭矩紋波的影響。
優(yōu)點
■ 在相對緊湊的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)出色的扭矩密度、功率和效率。
■ 多種外形、尺寸和功率范圍。
■ 慣性小，可快速響應(yīng)動態(tài)變化的負(fù)載和速度。
■ 使用壽命長，性能可靠，維護(hù)量極少。
潛在提升點
■ 有槽電機(jī)在低速運行時可能會出現(xiàn)齒槽效應(yīng)，但正弦波換向技術(shù)和精密的驅(qū)動固件能夠彌補(bǔ)這一問題。
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