精機產(chǎn)品?技術報告：直驅(qū)馬達的技術動向

1. 前言

NSK從1985年開始發(fā)售商品名稱定為“大扭矩馬達”的能夠直接驅(qū)動負載的直驅(qū)馬達（以下簡稱DD馬達） 【參考文獻^1),2),3)】。DD馬達去除了[伺服馬達+減速器]或機械式特征所導致的滯后或背隙。采用軸承內(nèi)藏的形式，作為驅(qū)動直接承載，沒有必要設計附加的支撐結(jié)構(gòu)，是一種為小型化和節(jié)省空間的裝置作出了貢獻的傳動裝置。
開發(fā)之始，DD馬達主要關注在產(chǎn)業(yè)機器人的直接驅(qū)動上，之后，作為FA用的直驅(qū)馬達被逐漸實用化，現(xiàn)在，以半導體及液晶裝置、CD/DVD制造裝置為開端，組裝設備、檢查設備等的引導，作為搬送機構(gòu)被越來越廣泛的使用【 參考文獻⁴⁾】，作為FA用的傳動裝置的認知度也在逐步提高。
隨著被使用的領域擴大，導向作用根據(jù)對象產(chǎn)品的細微化，要求高精度的定位，還有，搬送用途，從生產(chǎn)率提高上，也要求更高速的定位。
本稿，主要對作為永久磁鐵形同期馬達的新開發(fā)大扭矩PS系列進行說明，著重介紹實現(xiàn)馬達技術和高速定位的新控制方法，其次介紹對應用這些技術的開發(fā)產(chǎn)品的特長。

2. 大扭矩馬達的開發(fā)動向

2.1. 永久磁鐵型同步馬達的開發(fā)

2.1.1. VR型馬達和永久磁鐵型同步馬達的比較

以前的大扭矩馬達的力矩發(fā)生原理，采用小齒凸極結(jié)構(gòu)的磁阻變化而產(chǎn)生力矩的VR型（可變磁阻型）。通過不使用磁鐵，增加小齒數(shù)，更容易實現(xiàn)多極化，可在低速時得到高力矩。另一方面，轉(zhuǎn)子和加工狀態(tài)的間隙是通過實施磨削加工產(chǎn)生，需要0.1mm左右的間隙管理。 VR型馬達由于繞組的電感變得大，在驅(qū)動頻率變高的高速階段，根據(jù)電機繞組電流的響應遲滯，力矩有減少的傾向。
圖1是一般的CD/DVD的制造生產(chǎn)線上的搬送裝置。

磁盤的送料臺和程序裝置方面之間，由進行磁盤傳送的搬送手臂構(gòu)成。搬送，送料并不會增加CD/DVD的附加價值，因此，此工序的搬送時間要求極力縮短。特別是搬送手臂在搬送的角度大(180度以上)的情況下，為了盡可能縮短搬送時間，必須提高馬達的最大轉(zhuǎn)速，還有，也要盡可能抑制搬送需要的空間。因此，由于DD馬達必須小型化和高速化，以前的VR型馬達就有一定的對應界限。
另外，永久磁鐵中稀土類Nd2Fe14B磁鐵（釹磁鐵）能級高（約320～440 kJ/m3），最近因為價格低在一般馬達中逐漸被廣泛使用【參考文獻⁵⁾】。
根據(jù)以上的這種情況，開發(fā)出了可高速回轉(zhuǎn)的永久磁鐵型同步大扭矩馬達。

2.1.2. 最合適磁極形狀的設計

針對馬達的設計，為了實現(xiàn)力矩脈沖、齒槽效應力矩的高精度定位，在馬達核心添加磁通密度分布的解析，逐步改進設計。
通過使用有限元法(FEM)進行磁場分析，在實機中得到了驗證。
為確認大多數(shù)參數(shù)的影響，構(gòu)筑一個可能實施自動解析的系統(tǒng)，該系統(tǒng)從做出一個主要尺寸和各部件的表格開始，再做成FEM模型，然后到輸入條件并實行解析，來提高設計的效率。自動生成的FEM模型的磁通密度分布圖如圖2所示。

2.1.3. 馬達的輸出特性

PS1006的摩擦力矩-轉(zhuǎn)速特性（N-T特性曲線）如圖3所示。

與原有產(chǎn)品A和B進行比較，最大輸出力矩增大2倍，同時，高速范圍內(nèi)的摩擦力矩特性有了大幅的改善。
圖4所示為重量較輕的物體（負載慣量：0.007 kgm^2）在180°定位操作時，與定位時間進行比較的結(jié)果。

以前產(chǎn)品的最高轉(zhuǎn)速大約是3s^-1。PS1006系列的最高回轉(zhuǎn)速度是10s^-1，在原有產(chǎn)品A的約50%時間內(nèi)即可完成定位。
為實現(xiàn)高速定位，就必須提高最高回轉(zhuǎn)速度以及實現(xiàn)馬達的高力矩化。

2.2. 開發(fā)新的控制方式

2.2.1. 高跟蹤控制

為了實現(xiàn)在短時間內(nèi)完成整合，要盡可能的減小馬達在回轉(zhuǎn)過程中的跟蹤誤差。因此，此次開發(fā)通過補償對定位動作指令的相位延遲，采用了改善響應能力的高跟蹤控制系統(tǒng)。
根據(jù)反饋控制使控制對象更穩(wěn)定，一般在高頻領域存在相位延遲。
考慮到要進行高速定位動作，需要從目標值及位置指令開始到控制輸出（馬達的回轉(zhuǎn)角度）都能延遲。假設在反饋控制系統(tǒng)前，能夠通過擁有與之相反的特性的前饋控制器來進行補償，從目標值到輸出的傳導特性即是“1”，就能夠?qū)崿F(xiàn)按照指令進行定位。

存在運用 這種考慮方法的零相位差的跟蹤控制器（ZPETC） 【參考文獻⁸⁾】。
因反饋控制而得到穩(wěn)定化的控制對象的離散時間模型 如下所示。

2.2.2. 干擾探測器

以前的P-PI方式⁹⁾ ，通過定位控制循環(huán)進行比例控制，速率控制循環(huán)進行比例控制和積分控制，把由摩擦等干擾產(chǎn)生的定態(tài)誤差化作為0。如果使用積分控制，為提高積分增益，需要同時把比例控制的增益也提高。因為如果不能充分地提高比例增益，積分增益的上限必然會受到限制，無法滿足期望的抑制干擾特性，控制性能的退化和整合時間的縮短也存在對應界限。
為此，本開發(fā)為了提高抑制干擾特性，采用了干擾探測器（如圖5）。

這樣就可以從力矩命令τ 和位置輸出θ推測出力矩對馬達的干擾 ，通過低通濾波器Q(s)進行前饋補償，來抵消干擾的影響的控制方式。
此時，位置輸出θ通過以下傳遞函數(shù)表示。

圖6是圖5通過等價變換而得的結(jié)構(gòu)圖。

圖6所示，可以通過這種構(gòu)造進行抑制低通濾波器Q(s)的濾波頻率外的干擾影響。
如果在用干擾探測器時，根據(jù)在速率控制循環(huán)的增益受到規(guī)定的積分控制方式進行比較，構(gòu)成對干擾控制更強的系統(tǒng)，能實現(xiàn)更快的整定。

2.3. 定位性能試驗的結(jié)果

2.3.1. 高速定位試驗

圖7是相同尺寸的新舊大扭矩馬達的定位性能對比的試驗結(jié)果。

原產(chǎn)品A為大扭矩馬JS1003，新的大扭矩馬為PS1006。 針對180°的定位動作，JS1003的定位時間是330ms，PS1006是146.5ms，是原產(chǎn)品A的1/2以下。同時，相比新開發(fā)出的高跟蹤特性控制方式，運行時的跟蹤偏差量PS1006大約為40脈沖（從與原產(chǎn)品同樣的位置傳感器分辨率614400點數(shù)/rev換算而來的情況），約是原來方式的1/500，實現(xiàn)了非常小的偏差量的高跟蹤性。
另外，整合時間也由原產(chǎn)品的50ms大幅縮短到了PS1006的1ms。

2.3.2. 高精度定位（斷續(xù)進給定位）試驗

PS系列的馬達位置檢測分辨率是2,621,440脈沖。圖8所示為1脈沖對應的斷續(xù)進給定位的試驗結(jié)果。

在每1秒的時間內(nèi)進行1脈沖定位，先按照順時針方向回轉(zhuǎn)，之后，在同一條件下按照逆時針方向回轉(zhuǎn)，如此進行重復動作，共計10脈沖。測量數(shù)據(jù)是從馬達中心200mm的位置通過間隙傳感器測量的。
對2,621,440脈沖中的1脈沖的移動進行確認，能獲得高精度的定位。

2.3.3. 低剛度承載時的定位試驗

馬達和負載作用在很細的軸上時，或者是剛度低的懸臂負載作用的情況時，馬達因共振點的影響產(chǎn)生振動，越是在剛度高的負載作用的場合，越是不能過高設定增益。
在這種情況下，按照以下方法進行對應。

• ① 在馬達輸出軸附近安裝惰輪圓盤，將共振點將反共振點側(cè)移動，從而減小共振的影響。這種情況下根據(jù)直接驅(qū)動的惰輪圓盤來提高伺服增益，使提高定位的穩(wěn)定性成為可能。
• ② 用陷波濾波器等的差動裝置，改善受控系統(tǒng)的特性，降低諧振點的增益。

此處，通過安裝在懸臂上的花鍵，介紹相對于懸臂的定位試驗結(jié)果。

試驗裝置的頻譜特性（如圖10）中的反共振點為68Hz，而該裝置的共振點為260Hz。

以前的陷波濾波器把消除頻帶的尖銳度Q值固定,不過此次，為與適用的負荷特性相匹配，條件參數(shù)可以隨意設定，進行最優(yōu)化的調(diào)整(如圖11)。

圖12中的(1)、 (2)、 (3)分別是無任何其他對策，采用惰輪圓盤以及采用陷波濾波器時，在 90°定位試驗下的試驗結(jié)果。

圖（1）沒有任何對策時，因共振頻率的影響，定位無法完成并會存在殘留的振動。圖（2）安裝惰輪圓盤時，在通過陷波濾波器降低共振點的增益的條件下，任何位置都幾乎沒有振動殘留并且能夠完成定位。圖（3）在采用陷波濾波器進行補償?shù)臈l件下，與安裝惰輪圓盤時相比，因轉(zhuǎn)動慣量的影響，能夠提高設定的加減速度，進而實現(xiàn)縮短定位時間。

3. 大扭矩馬達的特點

3.1.PS系列DD馬達的特點

大扭矩馬達PS系列（如圖13）有以下特點。

• ① 可縮短定位時間
  最高轉(zhuǎn)速從原來的3s ^-1提高到10s^-1。運行到目標位置的整合時間縮短到原來的1/5以下。
• ② 馬達的小型化?高扭矩化
  使用高能量積的永久磁鐵，并采用最優(yōu)化的設計，使單位面積的推力（推力密度）提高到了原來的馬達的2倍。因此，得以實現(xiàn)馬達的小型化及高扭矩化。
• ③ 搭載小型?高精度的絕對位置檢測器
  采用與原機型相同的耐環(huán)境性好的分相器。通過磁極構(gòu)造的最優(yōu)化設計，與原產(chǎn)品相比減小了2/3，檢測精度達到了90秒（1秒 = 1度 / 3600）。
• ④ 驅(qū)動單元的小型化
  通過采用專用模塊，與過去相比實現(xiàn)了65％的小型化。

3.2.PN系列DD馬達的特點

大扭矩馬達PN系列（如圖14）有以下特點。

• ① 通過獨特的內(nèi)部構(gòu)造實現(xiàn)薄型化和高剛度
  與本公司原產(chǎn)品相比實現(xiàn)了最大32%的薄型化（125mm ? 85mm），抗彎剛度提高了25%，為裝置的小型化和輕量化作出了貢獻。
• ② 通過高轉(zhuǎn)矩可縮短定位時間
  與本公司原產(chǎn)品相比，轉(zhuǎn)矩最大可提高50%（120Nm ? 180Nm），因此使縮短定位時間成為可能。另外，通過最優(yōu)化的繞組設計可實現(xiàn)較低發(fā)熱下進行驅(qū)動。

另外，PN系列附帶剎車裝置（如圖15），還有以下特點。

• ① 反運行剎車的采用對安全性作出的貢獻
  突然斷電時，安裝有反運行型的剎車裝置能防止誤回轉(zhuǎn)。特別是安裝在墻壁上承受不平衡負載的馬達，能夠保證其安全性。
• ② 無齒隙的剎車裝置的采用對生產(chǎn)性作出了貢獻
  采用在剎車動作中沒有延遲等的無齒隙剎車裝置，通過在加工或組裝過程中進行剎車動作，保證即使在受到外力的條件下也能保持在正確的位置。因此，實現(xiàn)了高精度的加工或者是品質(zhì)的穩(wěn)定性。

3.3.PNZ系列DD馬達的特點

大扭矩馬達PNZ系列（如圖16）有以下特點。

• ① 世界首次適用于IEC規(guī)格的防塵?防水等級IP66M^※1,※2
  采用最適合DD馬達特有的保護機構(gòu)，可以防止高壓噴射水的侵入。由此，可適用于IEC（國際電氣基準會議）規(guī)格中所規(guī)定的保護等級IP66M ^※1。
• ② 世界范圍內(nèi)最薄最小型化的防塵?防水型DD馬達。
  通過大扭矩馬達的高精度?大扭矩化技術以及信賴性高的薄型密封技術的融合，實現(xiàn)了適用于IP66M的世界最薄最小型化的（體積／扭矩）DD馬達（如圖17）。

※1 實現(xiàn)了國際電氣標準會議（IEC）中的防止高壓噴射水侵入的保護等級IP66M的直驅(qū)馬達。（2010年6月　NSK調(diào)查結(jié)果）
※2 已經(jīng)被第三方テュフ ラインランド ジャパン所證明（IEC60529、IEC60034-5） 。

3.4. PX系列DD馬達的特點

大扭矩馬達PX系列（如圖18）有以下特點。

• ① 通過高加減速縮短定位時間
  由于在馬達的可動部件(轉(zhuǎn)子)外周配置高輸出的繞組，慣性偏轉(zhuǎn)力矩極小，使加減速性能（到達目標轉(zhuǎn)速為止的時間）與過去相比提高了約2倍。
• ② 通過強化結(jié)構(gòu)提高運行精度
  由于提高馬達的剛度，抑制回轉(zhuǎn)工作臺的振動，可提高馬達的精度。還有，為了不對馬達產(chǎn)生不良影響，采用了馬達的發(fā)熱不容易傳到回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)。
• ③ 緊湊的尺寸以及較大的中空徑
  把外徑尺寸限定在與原產(chǎn)品相同的Φ160mm，Φ35mm的空中孔可確保吸附噴嘴的配管或信號線的鋪設。另外，因為馬達外周部沒有突起，更容易配置周邊機器。

4. 后序

介紹說明了高速、高精度的大扭矩馬達PS系列所采用的技術。另外，運用PS系列技術開發(fā)出了PN系列、PNZ系列、PX系列，并對各系列的特點進行了介紹。
針對于收集到的對大扭矩馬達的各種各樣的要求或期待，F(xiàn)A用大扭矩馬達作為驅(qū)動裝置，為了使其使用變得更方便，用途變得更廣泛，今后還會繼續(xù)進行新技術和新產(chǎn)品的開發(fā)。

參考文獻

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