伺服电机的选择：直驱 vs. 齿轮旋转伺服电机

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作者 | Dakota Miller“

齿轮伺服电机对于旋转运动控制非常有用，但用户需要了解其存在的挑 战和局限性。直驱式旋转伺服电机具有更高的性能，系统复杂性最低， 但成本却高于齿轮电机。

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数十年来，齿轮伺服电机一直是工业自动化工具箱中最常用的工具之一。齿轮伺服电机可提供定位、速度匹配、电子凸轮、绕线、 张紧、拧紧应用，并可有效地将伺服电机功率与负载相匹配。这就带来一个问题：齿轮伺服电机是旋转运动控制技术的最佳选择吗？还是有更好的解决方案吗？

在理想情况下，旋转伺服系统具有与应用相匹配的额定扭矩和速度，因此电机既不会过 大，也不会过小。电机、传动元件和负载的组合应具有无限的扭转刚度和零齿隙。不幸的是在现实世界中，旋转伺服系统一般无法达到这 一理想状态。

在典型的伺服系统中，齿隙（backlash） 是由传动元件的机械公差引起的电机与负载之间的运动损失。这包括整个齿轮箱、皮带、链条和联轴器的运动损失。在机器启动时，负载 将落在机械公差中间的某个位置（图 1A）。

在电机带动负载之前，电机必须旋转以消除传动元件中存在的所有松弛部分（图 1B）。当电机在运转结束开始减速时，动量会将负载 带到电机位置以外，因此负载位置实际上可能会超过电机位置。

在向负载施加扭矩以使其减速之前，电机必须再次沿相反方向拉筋松弛部分（图 1C）。这种运动损失称为齿隙，通常以弧分为单位来衡量量，相当于 1/60 度。在工业应用中与伺服系统一起配套使用的齿轮箱通常具有 3 至 9 弧分的齿隙规格。

扭转刚度是对电机轴、传动元件和负载施加扭矩时产生的抗扭阻力。刚性无穷大的系 统可以将转矩传递到负载，而不会绕旋转轴发生角偏斜。但是，即使是最坚固的钢制轴在重载工况下也会发生略微扭曲。挠度随所施加的扭矩、传动元件的材料及其形状而变化。从直觉上讲，长而薄的零件比短而粗的零件更易弯曲。这种对扭转的抵抗是螺旋弹簧工作的原理，因为压缩会在弹簧的每一匝中产生轻微扭转；较粗的钢丝使弹簧更硬。扭转刚度不是无穷大时，系统会像弹簧一 样，这意味着当负载抵抗扭转时， 势能会存储在系统中。

当两者结合在一起时，有限的扭转刚度和齿隙会大大降低伺服系统的性能。齿隙会带来不确定性，因为电机编码器显示的电机轴的位置，而不是齿隙允许负载稳定的位置。齿隙还会引起调谐问题，因为当负载和电机的相对方向相反时，负载会短暂地与电机耦合和解耦。

除了齿隙的影响之外，有限的扭转刚度还会将电机和负载的一些动能转换为势能，然后释放 存储的能量。能量的延迟释放会导致负载振荡，甚至会引起共振，从而降低最大可用调谐增益，并对伺服系统的响应速度和稳定时间产生负面影响。在任何工况下，减少齿隙并增加系统的刚度对提高伺服性能并简化调谐工作都将有所帮助。

旋转伺服电机的配置

最常见的一种旋转轴配置是 旋转伺服电机，该电机配置了用于位置反馈的内置编码器和齿轮箱，以使电机的可用转矩和速度与所需的负载转矩和速度相匹配。齿轮箱是一种恒定功率设备，是负载匹配变压器的机械模拟。

一种改进的硬件配置是使用直接驱动的旋转伺服电机，它通过直接将负载与电机耦合，消除了传动元件。齿轮电机配置使用 联轴器连接到相对较小的轴，而直接驱动系统则将负载直接通过螺栓连接到更大的转子法兰上。这种配置消除了齿隙并大大提高了扭转刚度。直驱电机的极数更高，绕组的转矩也更高，与齿轮电机的转矩和速度特性相比，比 率为 10 ：1 或更高（图 2）。

▎图 2 ：将齿轮电机和直接驱动伺服电机分别安装到模拟高惯性旋转分度台的共同负载上，以对其性能进行测试。

最不常见、最复杂的配置是全闭环系统，其中常规旋转伺服电机和齿轮箱或其它传动元件与第二个编码器结合在一起，用于测量负载的位置，它掩盖但不能消除齿隙的影响。同时还增加了第二个编码器的成本和复杂性，需要额外的机械加工和硬件安装， 并增加了电缆连接以及维护工作。

在这三种系统设计中，直接驱动式旋转伺服电机具有最佳的性能，系统复杂性最低，但成本却高于齿轮电机解决方案。然而，试图通过制造商手册和目录来量化性能优势几乎是不可能的，因为这些电机在规格方面似乎非常相似。