傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極對(duì)數(shù)成反比，因而高轉(zhuǎn)速在很多應(yīng)用領(lǐng)域是不能直接使用的，減速機(jī)就不可或缺。增加減速機(jī)不僅可以降低輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度，而且可以將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩成比例地放大至減速機(jī)的輸出軸。
減速機(jī)帶來的負(fù)面影響是：效率降低、噪音增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、潤(rùn)滑油泄漏、傳動(dòng)間隙、磨損、維護(hù)頻繁等。不同的應(yīng)用要求需要不同的減速機(jī)構(gòu)。但工程師們追求設(shè)計(jì)出一種低速、大輸出力矩的電機(jī)，使之直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，讓系統(tǒng)更簡(jiǎn)單一些、精密一些。
一、高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)的性能特點(diǎn)
調(diào)速范圍是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，它是指電機(jī)在100%額定負(fù)載變動(dòng)范圍內(nèi)，從額定速度向下調(diào)節(jié)，最低的是不爬行轉(zhuǎn)速，對(duì)于好的伺服系統(tǒng)，它在速度閉環(huán)條件下調(diào)速比一般在5000倍以上。由于力矩電機(jī)直接運(yùn)行于低速狀態(tài)，當(dāng)速度向下調(diào)5000倍時(shí)，系統(tǒng)對(duì)低速的速度識(shí)別就存在問題，這是由于常用的編碼器受沒周脈沖數(shù)量的限制，在很低速時(shí)脈沖間隔過長(zhǎng)帶來的反饋滯后誤差乃至振蕩。
以額定轉(zhuǎn)速200r/min的力矩伺服電機(jī)為例，想達(dá)到5000倍的調(diào)速比，就必須在0.04r/min時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。如果電機(jī)上的反饋編碼器用通常的2500線，此時(shí)的脈沖頻率僅為1.67Hz，在0.6 s鐘才反饋一個(gè)脈沖的情況下，要想得到好的控制特性，顯然是不可能的。為此，國(guó)內(nèi)專攻大功率動(dòng)力伺服系統(tǒng)的星辰伺服在國(guó)家科技型企業(yè)創(chuàng)新基金的支持下，成功開發(fā)出混合磁測(cè)速編碼器，使星辰伺服的高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從200r/min向下調(diào)10000倍的調(diào)速指標(biāo)。低速力矩伺服系統(tǒng)對(duì)極小速度給定信號(hào)的響應(yīng)和對(duì)極低速度的檢測(cè)，無疑是直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度速度、位置控制的前提條件。
由于采用了直接驅(qū)動(dòng)的方式，電機(jī)軸上輸出的任何力矩脈動(dòng)，都會(huì)直接反映到被控對(duì)象上。而在這種電機(jī)上產(chǎn)生力矩脈動(dòng)的因素有很多，比如：磁阻效應(yīng)、齒槽效應(yīng)、高次諧波脈動(dòng)等。這要求力矩伺服系統(tǒng)能有效地抑制這些脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。星辰伺服采用的方法有：交流電機(jī)三相電流平滑控制裝置、永磁同步電機(jī)的非線性動(dòng)態(tài)校正方法、交流伺服電機(jī)力矩?cái)_動(dòng)的補(bǔ)償控制方法
二、高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)的典型應(yīng)用
平網(wǎng)印花機(jī)導(dǎo)帶定位控制中，由于傳輸輥與伺服電機(jī)之間一般存在20～30倍的減速機(jī)構(gòu)，不可避免地存在齒輪傳動(dòng)間隙，伺服電機(jī)快速的啟停動(dòng)作會(huì)引起減速機(jī)構(gòu)磨損，從而進(jìn)一步加大傳動(dòng)間隙。
三、注塑機(jī)和精密擠出機(jī)擠出螺桿驅(qū)動(dòng)
在注塑機(jī)行業(yè)，現(xiàn)有預(yù)塑和擠出動(dòng)力配制通常為油馬達(dá)和液壓注射推進(jìn)系統(tǒng)，在注塑機(jī)電動(dòng)化的大趨勢(shì)下，交流力矩式伺服系統(tǒng)已經(jīng)被日本、韓國(guó)等廣泛采用，使得新一代電動(dòng)注塑機(jī)高速、環(huán)保、節(jié)能。
在螺桿擠塑機(jī)行業(yè)，現(xiàn)有擠出動(dòng)力配制通常為：
1．Z4系列直流電機(jī)+直流調(diào)速器+齒輪減速機(jī)
2．三相異步電機(jī)+變頻器+齒輪減速機(jī)
3．高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)
三者的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較如附表
附表三者的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較
四、高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)的典型應(yīng)用
1．無齒傳動(dòng)電梯
高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)應(yīng)用于電梯行業(yè)，構(gòu)成了無齒傳動(dòng)電梯，掀起了電梯行業(yè)的“第三次浪潮”。無齒傳動(dòng)電梯具有高效節(jié)能、整體體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速能出大轉(zhuǎn)矩以及低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，并且，電梯傳動(dòng)的無齒化使得電梯無條件解困、直接平層運(yùn)行成為現(xiàn)實(shí)。
2．其它領(lǐng)域
如直驅(qū)式電動(dòng)車輪轂、輪轉(zhuǎn)式飛剪系統(tǒng)、航空、航天測(cè)試平臺(tái)等。
五、高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)
高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)應(yīng)用于自動(dòng)化裝備，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1．效率高，節(jié)能顯著
典型的減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率大致為：圓柱齒輪減速機(jī)70%～90%不等，蝸輪蝸桿減速器20%～70%，采用高性能直接驅(qū)動(dòng)式交流力矩伺服系統(tǒng)，連同驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)，額定點(diǎn)總效率可大85%以上，即使遠(yuǎn)離額定工作點(diǎn)，在很寬的功率范圍內(nèi)，總體效率也在80%左右。與普通交流永磁同步伺服系統(tǒng)+減速機(jī)的方案相比，經(jīng)驗(yàn)評(píng)估的節(jié)能效果可達(dá)30%左右。
2．噪音降低
在這種力矩伺服機(jī)構(gòu)中，減速機(jī)構(gòu)齒輪嚙合帶來的機(jī)械噪音不復(fù)存在，并且由于設(shè)備中沒有了高速轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，轉(zhuǎn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡帶來的振動(dòng)、噪音大為降低，由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致的磨損、機(jī)件松動(dòng)、變形、疲勞失效等故障大為降低。
3．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)要求低
減速機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑油脂的泄漏一直是困擾機(jī)械行業(yè)的難題，由于省去了減速機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。潤(rùn)滑油泄漏問題不復(fù)存在，并且設(shè)備對(duì)安裝、調(diào)試、維護(hù)的要求也大為降低。
4．傳動(dòng)無間隙，提高控制精度
減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)齒隙不但帶來傳動(dòng)控制誤差的加大，而且使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率降低，在進(jìn)行快速、精密的速度、位置控制時(shí)，由于間隙的存在，控制系統(tǒng)的響應(yīng)頻帶嚴(yán)重受限，不穩(wěn)定區(qū)段的頻率降低，使得運(yùn)動(dòng)控制易出現(xiàn)振蕩乃至控制失敗。采用力矩伺服后，整個(gè)軸系采用套軸方法聯(lián)為一體，系統(tǒng)增益可以進(jìn)一步提高，控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)誤差都得到有效控制。
