直接驅(qū)動電動機
    所謂直接驅(qū)動(DD)系統(tǒng)，就是電動機與其所
驅(qū)動的負(fù)載直接禍合在一起，中間不存在任何減速機
構(gòu)。
    同傳統(tǒng)的電動機伺服驅(qū)動相比。DD馭動減少了
減速機構(gòu)，從而減少了系統(tǒng)傳動過程中減速機構(gòu)產(chǎn)生
的間隙和松動，極大地提高了機器人的精度，同時也
減少了由于減速機構(gòu)的康擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動造成的機
器人控制精度降低。特別是采用傳統(tǒng)電動機伺服馭動
的關(guān)節(jié)型機器人，其機械剛性差，易產(chǎn)生振動，阻礙
了機器人運行操作精度的提高。而DD驅(qū)動由于具有
上述優(yōu)點，機械剛性好，可以高速、高精度動作，且
具有部件少，結(jié)構(gòu)簡單，容易維修，可靠性高等特
點，在高精度、高速度工業(yè)機器人應(yīng)用中越來越引起
人們的重視。
    DD驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DD電動機及其驅(qū)動
器。它應(yīng)具有以下特性:
    1)輸出轉(zhuǎn)矩大應(yīng)為傳統(tǒng)馭動方式中伺服電動
機物出轉(zhuǎn)矩的50～100倍。
    2)轉(zhuǎn)矩脈動小DD電動機的轉(zhuǎn)矩脈動應(yīng)抑制在
輸出轉(zhuǎn)矩的5%～10%以內(nèi)，克服了力矩諧波所存在
的潛在問題，保證精確的定位，避免了共振。
    3)效率與采用合理阻抗匹配的電動機相比
(傳統(tǒng)驅(qū)動方式)，DD電動機是在功率轉(zhuǎn)換較差的使
用條件下工作的。因此，負(fù)載越大，越傾向于選用較
大的電動機。
      目前，DD電動機主要分為變磁阻型和變磁阻混
合型，有以下兩種結(jié)構(gòu)形式:
    (1)雙定子結(jié)構(gòu)變磁阻型DD電動機
    變磁阻型DD電動機采用雙定子杯形結(jié)構(gòu)(見圖
27.3-10)，包括無劇驅(qū)動器和分解器，只有一個軸
承，該軸承在大多數(shù)情況下，可以直接支持負(fù)載。該
電動機為可變磁阻電動機，電動機里沒有水磁體，采
用三相電源。電動機由層壓金屬板和板上壓制的18
個極構(gòu)成。環(huán)繞著每個極是一些銅絲繞組，這些繞組
用導(dǎo)線按先后次序連接起來。實際上形成了12個極。
每個極上有三組繞組。極表面上加工有許多齒，這些
齒在極表面上分散傳導(dǎo)能盆。其轉(zhuǎn)子是一個薄的圓柱
形環(huán)，間定子類似，但上面沒有線圈繞組，由于有
內(nèi)、外定子，轉(zhuǎn)子傳導(dǎo)磁場從內(nèi)定子到外定子，又從
外定子到內(nèi)定子。在每個完整的電氣換向周期里，轉(zhuǎn)
子旋轉(zhuǎn)通過一個磁場周期—這是相鄰齒間的角距。
按照電動機水小，電動機每轉(zhuǎn)有100～150個電氣周
期。
    轉(zhuǎn)矩波動通過三相操作和采用內(nèi)、外定子保持在

最低水平。裝在驅(qū)動器里的是一個功率放大器、解算
器接口和信號處理器;所有的模擬信號被變換成數(shù)字
信號形式。微處理器控制著所有重要的控制功能。運
動指令以位置、速度或轉(zhuǎn)矩的形式，發(fā)送給數(shù)字信號
處理器，該處理器調(diào)節(jié)著各種電氣參數(shù)，以獲得所需
結(jié)果。這些變化的時序依賴于接收到的、來自于分解
器的數(shù)據(jù)。
    雙定子結(jié)構(gòu)DD電動機驅(qū)動器包括以下幾個部
分:①功率放大部分;②分解→數(shù)字量變換部分;③
換向部分;④接口部分;⑤可編程序運動控制部分。
電動機通過相位選擇來改變DD電動機的轉(zhuǎn)矩方向。
驅(qū)動器內(nèi)置微處理器來實現(xiàn)換向功能。功率放大采用
20kH:的單極性、半H橋結(jié)構(gòu)以避免功放值的交叉導(dǎo)
通。應(yīng)用數(shù)字信號處理器DSP, DD電動機驅(qū)動路可
完成以下幾種功能:
    1)速度環(huán)(比例或比例積分)。
    2)位置環(huán)(比例或比例積分)。
    3)雙速度環(huán)低通濾波器。
    4)雙速度環(huán)二階諧波濾波器。
    為了解決變磁阻型DD電動機的失步、轉(zhuǎn)矩脈動
等問題，伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用基于轉(zhuǎn)子位置傳感器的電
流平滑細(xì)分閉環(huán)控制策略。電流波形應(yīng)滿足:


    變磁阻混合型DD電動機的定子或轉(zhuǎn)子上含有稀
土永磁體，其間隙磁通密度的恒定分量由永磁體提
供，從而使電動機的效率大大提高，勵磁電流減少.
降低了其功率放大器的設(shè)計和制造的難度，變磁阻混
合型DD電動機的永磁磁路為軸向，降低了永磁材料
的用童，從而降低了電動機造價。變磁阻混合型DD
電動機為單定子結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)定子(外轉(zhuǎn)子)形式。
這種結(jié)構(gòu)的DD電動機，具有一個中央定子,轉(zhuǎn)子圍
繞著定子旋轉(zhuǎn)。定子與轉(zhuǎn)子均由鐵心疊片制成，其上
有沿圓周精細(xì)分布的124個步距小齒;在轉(zhuǎn)子磁心上
有兩個相同的圓環(huán)，但安裝偏離相位半個步距。在定
子上也有兩個圓環(huán)，它們之間通過永磁體隔開，永磁
體提供磁偏置從而改善了轉(zhuǎn)矩與電流的線性關(guān)系。在
定子上有12個繞組，采用三相對稱連接，繞組電流
為三相正弦波，以提供交流三相操作，并保持轉(zhuǎn)矩波
動在5%以內(nèi)。
繞著定子旋轉(zhuǎn)。定子與轉(zhuǎn)子均由鐵心疊片制成，其上
有沿圓周精細(xì)分布的124個步距小齒;在轉(zhuǎn)子磁心上
有兩個相同的圓環(huán)，但安裝偏離相位半個步距。在定
子上也有兩個圓環(huán)，它們之間通過永磁體隔開，永磁
體提供磁偏置從而改善了轉(zhuǎn)矩與電流的線性關(guān)系。在
定子上有12個繞組，采用三相對稱連接，繞組電流
為三相正弦波，以提供交流三相操作，并保持轉(zhuǎn)矩波
動在5%以內(nèi)。
    圖27.3-12為中央定子結(jié)構(gòu)的變磁阻棍合型DD
電動機結(jié)構(gòu)圖。
    該結(jié)構(gòu)DD電動機采用如圖27.3-13所示的光電
碼盤。該碼盤基于發(fā)光二極管LED和一個通過光刻
產(chǎn)生3201296條狹縫的圓盤。由LED發(fā)出的光通過
一個透鏡和狹縫照在光電管陣列PDA上。陣列上具
有加“權(quán)”通道。輸出信號以正弦波的形式變換成
脈沖信號，以產(chǎn)生655360個脈沖/轉(zhuǎn)的分辨力。
    中央定子結(jié)構(gòu)的變磁阻混合型DD電動機驅(qū)動器
構(gòu)成如圖27.3-14所示。



    為了改進DD電動機伺服性能，伺服系統(tǒng)采用比
例-積分-徽分算法(PID )。該算法用來比較速度命令
和速度微分信號之間的差別，也用于比較位置命令和
實際位置之間的差值。
    應(yīng)用這種DD電動機伺服控制系統(tǒng)，機器人控制
器僅僅需要決定脈沖數(shù)和速度。這個PID算法能夠使
電動機運行平滑，并減少運動開始和結(jié)束時由于起動
和過沖造成的振動。
    該DD電動機馭動系統(tǒng)有三個參數(shù)控制:速度、
位里和電流。當(dāng)采用三階PID算法伺服控制環(huán)在設(shè)定
時間少于0.2s時，可提供角度位置精度為±2°。
(責(zé)任編輯：laugh521521)