交流伺服直接驱动技术优化方案

1.机械装备的组成

机械装备主要由本体与控制两大部分组成。

本体部分主要由动力、传动、工作三大部分组成。动力部分主要包括电动机、内燃机等；传动部件是把原动机输出的能量和运动经过转换后提供给工作部件，如机械、液压、气动等传动方式，只有当动力装置输出的能量和运动不能满足工作部件的要求时，才需要设置传动部件这一中间环节；工作部件是执行机器规定功能的装置，如曲柄压力机中的曲柄连杆滑块机构，液压机中的液压缸，螺旋压力机中的螺旋部件。

控制部件是依据工作部分的功能要求，对动力和传动系统及工作部分的相关参数与状态进行设定、显示、检测、调节和操控的电气系统。

2.交流异步电动机驱动的不足

机械装备在运行时会出现高能耗、可控性差等现象，原因之一是动力装置采用的交流异步电动机存在以下不足：①起动与停止耗时太长；②起动电流过大（是额定电流的5～7倍），若频繁起停，电动机发热严重；③输出的转矩小；④调速性能差。由此导致了电动机与工作部件之间的传动系统的复杂化和诸多问题。

所以一直以来，对机械传动环节的传动性能在进行不断的改进，并且获得了显著的效果，但并未从根本上解决问题。原动机的运动和动力特性越好，则传动部件越简单。现代原动机的综合性能越来越好，伺服直接驱动与近零传动已成为发展趋势。

3.直接驱动与近零传动

“直接驱动与近零传动”的内涵，是指取消动力装置到工作机构间的机械传动环节，由电动机直接驱动工作部件，实现所谓“近零传动”。图7-31所示为采用高性能交流伺服电动机直接驱动负载，省掉了原来复杂的传动带与齿轮传动系统。

图7-31 原传动系统与直接驱动系统的原理示意图(www.xing528.com)

a）原传动带与齿轮传动系统 b）直接驱动系统

在交流伺服直驱系统中，交流伺服电动机的驱动能力至关重要。对新型高性能交流伺服电动机的要求是：响应速度快、带载能力强（特别是低速大转矩）、输出线性好、耐高压、耐高温、可靠性高。目前可用的直驱电动机主要有：永磁同步电动机、交流变频电动机、步进电动机、直流力矩电动机、变磁阻电动机、开关磁阻电动机（SMR）、横向磁场电动机（TFM）、开关磁通电动机等。随着钕铁硼永磁材料的出现及其发展，永磁同步电动机已成为直驱形式常用的主流电动机。

“直接驱动与零传动”的外延是指通过对新型伺服电动机输出状态的自动调节控制，来代替传统的机械传动中的变速、变量、变向方式，进而通过相关的工作部件实现新型机电装备高效、精密、节能、柔性和可靠地运行。

4.直接驱动与近零传动系统的特点

（1）定位精度高 直接驱动实现了电动机与负载间的刚性耦合，因此消除了原中间传动机构的传动误差、如齿轮误差、丝杠螺母误差等，从而提高了传动精度；从根本上消除了非线性摩擦力和弹性变形的影响，不存在爬行现象，也提高了定位精度和重复定位精度。

（2）高速大功率和低速大转矩 数控机床要求具有超高速运转的大功率精密主轴，并具有很高的加（减）速度，才能瞬时达到设定的高速状态，或在高速状态下瞬时准确停止，以保证加工要求的定位精度。数控冲压设备需要的驱动系统转速不高，但要有低速大转矩性能，也同样需要较高的加（减）速度。

（3）动态响应速度快 直接驱动的响应能力可高于机械变速驱动100倍以上，因为电磁时间常数远小于机械时间常数。这意味着直接驱动有更大的加（减）速度和更短的定位时间，以及更高的控制精度。传统的驱动方式不可避免地存在间隙死区、非线性摩擦力等，特别是细长的滚珠丝杠会产生弹性变形，这些都使系统的阶次变高，增加了非线性因素，限制了系统的带宽，降低了系统的动态性能，严重时可能产生机械谐振。

（4）机械刚度和可靠性高 由于取消了中间传动环节，不存在滞后，传动刚度可大为提高，保证了系统的传动精度和定位精度；并减少了机械磨损，提高了系统可靠性。

（5）噪声低、保养费用低 由于运动部件减少，降低了噪声；磨损部件只剩下旋转或直线轴承，保养费用大大降低。即使考虑到电气部分增加保养的费用，也低于原传动系统的保养费用。