對(duì)于各種旋轉應用(yòng)，應該優先使用(yòng)直接驅動電機而不是齒輪電機。直驅電機應用(yòng)的(de)轉速相對(duì)較低，并且在該裝置的(de)設計中，使用(yòng)法蘭安裝而不是軸安裝。最常見的(de)應用(yòng)是旋轉表或旋轉分(fēn)度器。一個(gè)很好的(de)例子是在卷繞應用(yòng)中驅動線軸，或驅動卷筒以進行打印或切割。機器人(rén)機械結構的(de)關節，也(yě)可(kě)以受益于直接驅動電機的(de)性能和(hé)緊湊尺寸。用(yòng)于拾取和(hé)放置的(de)夾具的(de)旋轉定位，或天線、望遠(yuǎn)鏡、旋轉部件制造和(hé)激光(guāng)的(de)定位，在這(zhè)些應用(yòng)中，直驅電機都可(kě)以提供卓越的(de)性能。

直接驅動伺服系統一般不用(yòng)于直線傳動。線性直接驅動類似于線性電機，它直接驅動負載，以避免在諸如皮帶、螺杆或齒條和(hé)小齒輪等機械結構中存在的(de)間隙和(hé)柔性。

與标準伺服電機一樣，直接驅動電機的(de)轉子由鐵永磁體組成。定子中的(de)線圈産生一個(gè)移動磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在所需方向上施加扭矩。通(tōng)過旋轉編碼器向控制系統提供位置反饋。

有兩種基本的(de)轉子設計：内轉子和(hé)外轉子。内轉子在外面有定子線圈。相反的(de)配置是外轉子，定子線圈在裏面。對(duì)于給定的(de)電機尺寸，内轉子能夠實現最高(gāo)加轉速。外轉子意味著(zhe)電機具有更高(gāo)的(de)轉動慣量，更适合控制高(gāo)慣性負載。

還(hái)有兩種基本的(de)定子設計：鐵芯和(hé)無芯。定子線圈可(kě)以纏繞在鐵芯上，這(zhè)會增加定子中的(de)磁場(chǎng)強度，從而在更小的(de)電機中産生更高(gāo)的(de)扭矩。無芯意味著(zhe)線圈中沒有鐵。雖然對(duì)于給定電機尺寸，無芯電機的(de)扭矩較低，但它可(kě)以提供最準确的(de)轉速控制，而沒有扭矩脈動的(de)齒槽扭矩分(fēn)量。

應了(le)解給定旋轉應用(yòng)的(de)直接驅動電機替代方案。最流行的(de)是使用(yòng)行星齒輪或其它齒輪技術，來(lái)降低轉速和(hé)增加扭矩。使用(yòng)皮帶和(hé)皮帶輪系統也(yě)可(kě)以達到相同的(de)效果。有時(shí)兩者一起使用(yòng)。

與具有相似扭矩和(hé)轉速特性的(de)齒輪或皮帶機構相比，直接驅動在旋轉應用(yòng)中具有的(de)性能優勢。與其他(tā)技術相比，直驅電機在成本、扭矩、轉速、剛性、間隙和(hé)其它指标方面也(yě)有其優勢和(hé)劣勢，這(zhè)不是一個(gè)嚴格和(hé)絕對(duì)的(de)評價，但是代表了(le)一些行業應用(yòng)的(de)普遍趨勢。

讓我們從初始成本開始。皮帶輪傳動的(de)成本明(míng)顯低于齒輪箱。但最大(dà)減速比約爲 3:1。這(zhè)意味著(zhe)在低速和(hé)高(gāo)扭矩應用(yòng)中，需要更大(dà)、更昂貴的(de)伺服電機和(hé)放大(dà)器。直接驅動電機的(de)初始成本仍然高(gāo)于這(zhè)兩種基于變速器的(de)替代方案。

除了(le)電機和(hé)變速器之外，還(hái)有用(yòng)于支撐負載的(de)聯軸器和(hé)額外軸承的(de)成本。集成這(zhè)些組件會産生設計和(hé)工程成本。還(hái)需要考慮性能和(hé)維護的(de)長(cháng)期成本。對(duì)于低速旋轉應用(yòng)，直接驅動解決方案是一種簡單的(de)設計，可(kě)能會具有最低的(de)初始成本，同時(shí)具有最高(gāo)的(de)長(cháng)期性能。

剛性是最重要的(de)性能特征之一。每個(gè)機械連接的(de)部件都具有一定的(de)剛性，即彈簧常數。剛性與每個(gè)元件的(de)質量一起，定義了(le)系統的(de)固有振動頻(pín)率。如果這(zhè)些頻(pín)率太低，能量的(de)釋放會對(duì)電機造成嚴重幹擾。這(zhè)會幹擾定位負載的(de)控制系統算(suàn)法。

在基于皮帶的(de)傳輸中，伺服聯軸器将輸出皮帶輪連接到旋轉負載。負載的(de)重量由環形軸承支撐。皮帶和(hé)皮帶輪的(de)比例，實際上被限制在 3:1 左右，如果超過該比例，皮帶的(de)角度會導緻與驅動皮帶的(de)皮帶輪的(de)表面接觸過少。嘗試多(duō)級皮帶輪或過長(cháng)的(de)皮帶來(lái)改善這(zhè)種情況通(tōng)常不切實際。相反，伺服電機通(tōng)常尺寸較大(dà)，以達到低速應用(yòng)所需的(de)扭矩。在圖 7中，随著(zhe)電機開始轉動，皮帶首先根據其彈簧常數偏擺。然後在負載最終移動之前，聯軸器也(yě)會偏擺。電機聯軸器、負載聯軸器和(hé)長(cháng)機器軸也(yě)會導緻剛性損失。

對(duì)于齒輪驅動的(de)變速器，伺服聯軸器将齒輪箱輸出連接到旋轉負載。負載的(de)重量再次由環形軸承支撐。行星齒輪箱和(hé)多(duō)級齒輪箱通(tōng)常是低間隙和(hé)高(gāo)剛性應用(yòng)的(de)首選。

齒輪箱的(de)剛性比皮帶高(gāo)得(de)多(duō)，但原理(lǐ)相同。電機拖動輸入齒輪，該齒輪偏擺，從而帶動輸出齒輪，該輸出齒輪也(yě)發生一定程度的(de)偏擺。與負載的(de)耦合可(kě)能偏擺最大(dà)。

直接驅動電機繞過所有傳輸組件及其柔性以及相關的(de)諧振頻(pín)率。直接驅動電機通(tōng)常配置非常大(dà)的(de)軸承，以增加軸向和(hé)徑向負載能力。這(zhè)并不是說沒有諧振。

諧振頻(pín)率仍然可(kě)以由負載本身産生，或者通(tōng)過電機和(hé)負載之間的(de)任何安裝闆或延伸部分(fēn)産生。電機的(de)定子和(hé)機架之間甚至會産生共振，就像在基于傳輸的(de)系統中發現的(de)那樣。但是直接驅動系統的(de)高(gāo)剛性，會導緻超出運行系統允許的(de)高(gāo)諧振頻(pín)率。

諧振頻(pín)率也(yě)是負載慣量和(hé)電機慣量的(de)函數。在關鍵性能指标中，這(zhè)被稱爲負載與電機慣量比。伺服系統的(de)負載與電機慣量比通(tōng)常小于10:1，以便通(tōng)過彈性聯軸器對(duì)電機的(de)負載進行可(kě)接受的(de)控制。

直接驅動應用(yòng)不使用(yòng)彈性聯軸器，因此可(kě)以支持更高(gāo)的(de)慣量比。盡管如此，負載慣量對(duì)于直接驅動電機來(lái)說還(hái)是很重要的(de)，因爲根據牛頓第二定律，它會限制加速度和(hé)減速度，還(hái)會影(yǐng)響軸承壽命。直接驅動電機的(de)低摩擦意味著(zhe)幾乎所有停止移動負載的(de)動力，都必須由電子驅動系統提供，這(zhè)也(yě)會限制最大(dà)負載。

旋轉驅動變速器的(de)性能受到間隙的(de)影(yǐng)響。當機構反轉時(shí)，會造成空轉。齒輪箱在驅動鏈輪和(hé)輸出鏈輪之間，有一定的(de)間隙。對(duì)于皮帶系統，間隙發生在皮帶和(hé)皮帶輪的(de)齒之間。

制造商已經開發出方法來(lái)減少驅動傳輸中的(de)間隙，并在控制系統中對(duì)其進行電子補償。但總會有一定程度的(de)間隙，而且随著(zhe)傳輸機構的(de)磨損，它往往會變得(de)更糟。結果是，負載的(de)位置不能完全由電機編碼器的(de)位置确定。并且由于在反轉時(shí)負載會在短時(shí)間内與電機斷開連接，它還(hái)可(kě)能導緻調諧不穩定和(hé)噪聲運營。

由于在反轉時(shí)，負載會在短時(shí)間内與電機斷開連接，間隙會導緻調諧不穩定和(hé)噪聲運行。直接驅動電機是唯一可(kě)以實現零間隙的(de)旋轉驅動機構。由于電機與負載直接相連，因此電機編碼器測得(de)的(de)負載位置更接近負載本身。

剛性、負載慣量、慣量比和(hé)間隙，都是使傳動機構位置穩定時(shí)間惡化(huà)的(de)關聯因素。位置穩定時(shí)間，是指從指令動作結束與機構實際停止之間的(de)延遲。減少這(zhè)種延遲對(duì)于許多(duō)具有短程動作的(de)應用(yòng)尤其重要。等待機器停止，可(kě)能占到整個(gè)周期相當大(dà)的(de)一部分(fēn)。

請記住，這(zhè)些傳動機構的(de)位置由旋轉伺服電機的(de)編碼器測量。編碼器可(kě)以顯示負載以較短的(de)時(shí)間穩定下(xià)來(lái)。這(zhè)意味著(zhe)編碼器已停止移動。負載可(kě)能仍在運動中，尚未穩定或正經曆振動和(hé)振蕩。

傳輸系統的(de)剛性和(hé)間隙會幹擾通(tōng)過編碼器測量的(de)穩定時(shí)間。然而，在直接驅動電機中，編碼器本質上是固定在負載本身上的(de)，報告負載的(de)真實穩定時(shí)間。由于其高(gāo)剛性和(hé)零間隙，通(tōng)過良好的(de)調整可(kě)以顯著減少直接驅動電機的(de)穩定時(shí)間，同時(shí)還(hái)需要盡可(kě)能的(de)減輕源自負載本身的(de)振動。

齒輪箱和(hé)皮帶可(kě)實現的(de)穩定時(shí)間，通(tōng)常受到機械剛性和(hé)間隙水(shuǐ)平的(de)影(yǐng)響，齒輪箱的(de)性能通(tōng)常優于皮帶。這(zhè)些機構的(de)位置是通(tōng)過旋轉伺服電機的(de)編碼器測量的(de)。

編碼器可(kě)能表示負載已以較短的(de)建立時(shí)間穩定，但它的(de)真正含義是編碼器已停止移動。負載可(kě)能仍在運動中但尚未穩定，或者可(kě)能正在經曆振動。

傳動裝置的(de)剛性和(hé)間隙會幹擾通(tōng)過編碼器測量穩定時(shí)間。在直接驅動電機中，編碼器基本上是固定在負載本身上，用(yòng)于報告負載的(de)真實穩定時(shí)間。

間隙和(hé)剛性也(yě)有助于機構的(de)定位精度和(hé)可(kě)重複性。精度是衡量偏離理(lǐ)想狀況的(de)指标。例如，如果命令機器移動90度，它是否正好移動90.000 度？或者如果你從外部測量，它是否隻移動了(le)89.999度？通(tōng)常更重要的(de)是可(kě)重複性，也(yě)稱爲精度。

如果指令爲90.000時(shí)，機器可(kě)以重複移動89.999，那麽就調整指令，直到重複移動到所需的(de)位置。

控制系統測量編碼器的(de)位置。剛性和(hé)間隙給這(zhè)些測量增加了(le)不确定性因素。此外，齒輪箱或皮帶系統的(de)制造過程也(yě)會影(yǐng)響精度和(hé)可(kě)重複性。隻有采用(yòng)自然設計的(de)直接驅動電機，才能直接測量負載并移動負載，而不會出現旋轉驅動變速器中存在的(de)間隙和(hé)柔性問題。

如果應用(yòng)需要，爲什(shén)麽不通(tōng)過在負載上添加旋轉編碼器來(lái)補償齒輪箱或皮帶傳動裝置的(de)間隙和(hé)剛性？是的(de)，這(zhè)是可(kě)能的(de)，業内使用(yòng)的(de)一個(gè)術語是全閉環。

全閉環運行允許旋轉電機的(de)位置環，通(tōng)過直接安裝在負載上的(de)附加旋轉編碼器來(lái)閉合。這(zhè)提高(gāo)了(le)可(kě)重複性和(hé)精确性，但對(duì)提高(gāo)剛性、穩定時(shí)間和(hé)磨損沒有太大(dà)作用(yòng)。由于會顯著增加成本和(hé)複雜(zá)性，所以很少會像這(zhè)樣添加外部旋轉編碼器。

實際上，機器可(kě)能會由于穩定時(shí)間性能不佳而浪費錢，在伺服電機選型過程中很少會考慮這(zhè)一點。在圖 14所示的(de)裝置中，具有相似功率容量的(de)直接驅動電機和(hé)齒輪電機，以相同的(de)運動曲線運行相同的(de)負載。

行星齒輪減速比爲 50:1，額定間隙小于5弧分(fēn)。移動曲線要求兩個(gè)電機在接近其峰值扭矩額定值時(shí)加速和(hé)減速，并且 RMS 扭矩剛好低于連續額定值。兩台電機都經過調諧，直到電機編碼器測量的(de)穩定時(shí)間接近 50 毫秒。在兩個(gè)裝置中，外部環形編碼器都安裝在負載上，以從外部測量負載位置以進行分(fēn)析。這(zhè)揭示了(le)由齒輪電機驅動負載中的(de)振蕩，否則電機的(de)編碼器看不到這(zhè)些。

在直接驅動電機上，兩個(gè)編碼器報告的(de)位置始終基本相同。在齒輪電機上，您會看到負載在最終減速期間位于編碼器之前，并在移動結束時(shí)振蕩。

這(zhè)種低頻(pín)振蕩源于齒輪箱的(de)間隙和(hé)柔性，而不是負載本身的(de)振蕩。直到大(dà)約 130 毫秒，它才會穩定在 0.05 度以内。電機編碼器不會顯示這(zhè)種振蕩，因此在編程序列中需要額外的(de)延遲來(lái)等待它穩定下(xià)來(lái)。

讓我們将這(zhè)個(gè)案例研究置于真實應用(yòng)場(chǎng)景中，看看帶來(lái)的(de)實際效益情況（以美(měi)元表示）。假設這(zhè)台機器代表一個(gè)生産小部件的(de) 8 站分(fēn)度工作台。理(lǐ)論上，每一個(gè)45 度分(fēn)度，都在 200 毫秒内完成移動，位置公差爲 0.05 度。然後在每個(gè)站，有一個(gè)持續2 秒的(de)外部工作過程。在最後一站，生産一個(gè)小部件，帶來(lái) 50 美(měi)分(fēn)的(de)收入。

直接驅動系統的(de)周期爲 2225 毫秒，每小時(shí)産生 809 美(měi)元的(de)收入。由于穩定時(shí)間較長(cháng)，齒輪電機需要兩個(gè) 2305 毫秒，每小時(shí)産生 772 美(měi)元的(de)收入。每小時(shí) 37 美(měi)元的(de)差異，似乎并不大(dà)。但再仔細算(suàn)一算(suàn)，8小時(shí)輪班的(de)差價爲 293 美(měi)元，每周工作 5 天的(de)差價接近 1500 美(měi)元，每年的(de)差價超過 73,000 美(měi)元。即使每個(gè)小部件的(de)收入隻有 10 美(měi)分(fēn)，這(zhè)台機器仍然可(kě)以在相同的(de)運營時(shí)間内每年多(duō)産生近15,000美(měi)元的(de)收入。本案例研究說明(míng)：在爲應用(yòng)選型和(hé)選擇伺服電機時(shí)，考慮可(kě)實現的(de)穩定時(shí)間的(de)影(yǐng)響是多(duō)麽重要。

磨損和(hé)維護也(yě)是機器性能需要考慮的(de)一部分(fēn)因素。在直接驅動電機中，主電機軸承是唯一的(de)摩擦和(hé)磨損點。這(zhè)些電機軸承的(de)規格通(tōng)常适用(yòng)于極重的(de)負載。齒輪箱和(hé)皮帶傳動裝置的(de)其它運動部件都會磨損，可(kě)能需要潤滑或其它定期維護。

與直接驅動電機相比，可(kě)聽(tīng)見的(de)噪音(yīn)也(yě)更大(dà)。随著(zhe)它們的(de)磨損，這(zhè)些基于傳動機構的(de)性能開始下(xià)降。間隙和(hé)剛性每天都會變得(de)更糟。期望的(de)位置穩定時(shí)間、準确性和(hé)可(kě)重複性也(yě)會随著(zhe)時(shí)間的(de)推移而不斷下(xià)降。

一般在設計低速、旋轉伺服應用(yòng)時(shí)，強烈建議(yì)考慮直接驅動電機。前期成本很容易被性能的(de)提高(gāo)、設計的(de)簡單性和(hé)維護的(de)便利性所抵消。以下(xià)是設計時(shí)的(de)一些注意事項。

首先，請記住直接驅動電機上的(de)軸承很堅固，可(kě)以支撐整個(gè)負載的(de)重量。不需要額外的(de)軸承，就像使用(yòng)齒輪箱或皮帶傳動時(shí)一樣。這(zhè)節省了(le)整個(gè)系統的(de)部件成本、設計、工程和(hé)維護。

到目前爲止，關于剛性的(de)討(tǎo)論僅僅限于傳動部件。然而，機器本身的(de)剛性也(yě)發揮了(le)作用(yòng)。直接驅動電機的(de)穩定性，取決于負載和(hé)轉子之間的(de)剛性連接，以及從定子到機器底座的(de)剛性連接。

轉接闆和(hé)框架結構件必須盡可(kě)能堅固。在直接驅動電機施加的(de)極端扭矩下(xià)，看起來(lái)剛性的(de)東西，可(kě)能也(yě)會彎曲和(hé)偏轉。在任何應用(yòng)中，不僅僅是直接驅動電機，安裝框架和(hé)負載闆都可(kě)能成爲機器振動的(de)來(lái)源。

最後，考慮采用(yòng)超大(dà)齒輪電機解決方案來(lái)降低直接驅動電機的(de)初始成本，目的(de)是通(tōng)過編程實現更快(kuài)的(de)移動來(lái)補償較長(cháng)的(de)穩定時(shí)間，這(zhè)種方案可(kě)能很誘人(rén)。

但請記住，更快(kuài)的(de)加速需要更大(dà)的(de)扭矩，因此需要更大(dà)的(de)放大(dà)器、聯軸器和(hé)變速器，還(hái)可(kě)能需要改變機器的(de)框架。确保不要超過負載本身或運動中零件和(hé)組件的(de)限制。雖然在相同負載下(xià)更大(dà)的(de)電機會導緻更低的(de)慣量比，但諧振和(hé)反諧振頻(pín)率會降低，并且更有可(kě)能導緻振蕩和(hé)調諧複雜(zá)化(huà)。

使用(yòng)直接驅動電機解決低速旋轉伺服應用(yòng)，可(kě)避免隐藏的(de)初始成本，同時(shí)可(kě)以在機器的(de)整個(gè)生命周期内提供卓越和(hé)穩定的(de)性能，從長(cháng)遠(yuǎn)來(lái)看可(kě)以節省成本。