圖片來源：CEChina
作者 | Dakota Miller
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齒輪伺服電機對於旋轉運動控制非常有用，但使用者需要了解其存在的挑 戰和侷限性。直驅式旋轉伺服電機具有更高的效能，系統複雜性最低， 但成本卻高於齒輪電機。
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數十年來，齒輪伺服電機一直是工業自動化工具箱中最常用的工具之一。齒輪伺服電機可提供定位、速度匹配、電子凸輪、繞線、 張緊、擰緊應用，並可有效地將伺服電機功率與負載相匹配。這就帶來一個問題：齒輪伺服電機是旋轉運動控制技術的最佳選擇嗎？還是有更好的解決方案嗎？
在理想情況下，旋轉伺服系統具有與應用相匹配的額定扭矩和速度，因此電機既不會過 大，也不會過小。電機、傳動元件和負載的組合應具有無限的扭轉剛度和零齒隙。不幸的是在現實世界中，旋轉伺服系統一般無法達到這 一理想狀態。
在典型的伺服系統中，齒隙（backlash） 是由傳動元件的機械公差引起的電機與負載之間的運動損失。這包括整個齒輪箱、皮帶、鏈條和聯軸器的運動損失。在機器啟動時，負載 將落在機械公差中間的某個位置（圖 1A）。
在電機帶動負載之前，電機必須旋轉以消除傳動元件中存在的所有鬆弛部分（圖 1B）。當電機在運轉結束開始減速時，動量會將負載 帶到電機位置以外，因此負載位置實際上可能會超過電機位置。
在向負載施加扭矩以使其減速之前，電機必須再次沿相反方向拉筋鬆弛部分（圖 1C）。這種運動損失稱為齒隙，通常以弧分為單位來衡量量，相當於 1/60 度。在工業應用中與伺服系統一起配套使用的齒輪箱通常具有 3 至 9 弧分的齒隙規格。
扭轉剛度是對電機軸、傳動元件和負載施加扭矩時產生的抗扭阻力。剛性無窮大的系 統可以將轉矩傳遞到負載，而不會繞旋轉軸發生角偏斜。但是，即使是最堅固的鋼製軸在過載工況下也會發生略微扭曲。撓度隨所施加的扭矩、傳動元件的材料及其形狀而變化。從直覺上講，長而薄的零件比短而粗的零件更易彎曲。這種對扭轉的抵抗是螺旋彈簧工作的原理，因為壓縮會在彈簧的每一匝中產生輕微扭轉；較粗的鋼絲使彈簧更硬。扭轉剛度不是無窮大時，系統會像彈簧一 樣，這意味著當負載抵抗扭轉時， 勢能會儲存在系統中。
當兩者結合在一起時，有限的扭轉剛度和齒隙會大大降低伺服系統的效能。齒隙會帶來不確定性，因為電機編碼器顯示的電機軸的位置，而不是齒隙允許負載穩定的位置。齒隙還會引起調諧問題，因為當負載和電機的相對方向相反時，負載會短暫地與電機耦合和解耦。
除了齒隙的影響之外，有限的扭轉剛度還會將電機和負載的一些動能轉換為勢能，然後釋放 儲存的能量。能量的延遲釋放會導致負載振盪，甚至會引起共振，從而降低最大可用調諧增益，並對伺服系統的響應速度和穩定時間產生負面影響。在任何工況下，減少齒隙並增加系統的剛度對提高伺服效能並簡化調諧工作都將有所幫助。
旋轉伺服電機的配置
最常見的一種旋轉軸配置是 旋轉伺服電機，該電機配置了用於位置反饋的內建編碼器和齒輪箱，以使電機的可用轉矩和速度與所需的負載轉矩和速度相匹配。齒輪箱是一種恆定功率裝置，是負載匹配變壓器的機械模擬。
一種改進的硬體配置是使用直接驅動的旋轉伺服電機，它透過直接將負載與電機耦合，消除了傳動元件。齒輪電機配置使用 聯軸器連線到相對較小的軸，而直接驅動系統則將負載直接透過螺栓連線到更大的轉子法蘭上。這種配置消除了齒隙並大大提高了扭轉剛度。直驅電機的極數更高，繞組的轉矩也更高，與齒輪電機的轉矩和速度特性相比，比 率為 10 ：1 或更高（圖 2）。
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圖 2 ：將齒輪電機和直接驅動伺服電機分別安裝到模擬高慣性旋轉分度臺的共同負載上，以對其效能進行測試。
最不常見、最複雜的配置是全閉環系統，其中常規旋轉伺服電機和齒輪箱或其它傳動元件與第二個編碼器結合在一起，用於測量負載的位置，它掩蓋但不能消除齒隙的影響。同時還增加了第二個編碼器的成本和複雜性，需要額外的機械加工和硬體安裝， 並增加了電纜連線以及維護工作。
在這三種系統設計中，直接驅動式旋轉伺服電機具有最佳的效能，系統複雜性最低，但成本卻高於齒輪電機解決方案。然而，試圖透過製造商手冊和目錄來量化效能優勢幾乎是不可能的，因為這些電機在規格方面似乎非常相似。
關鍵概念：
■ 由於技術限制，現實世界中的旋轉伺服系統無法達到理想效能。
■ 多種型別的旋轉伺服電機都可為使用者帶來好處，但是每種都有其特定的挑戰或 侷限性。
■ 直驅式旋轉伺服電機具有最佳效能，但比齒輪電機貴。
思考一下：
在選擇伺服電機時，您會考慮哪些因素？
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本文來自於控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）2021年7月刊《聚焦自動化》欄目：直驅 vs。 齒輪旋轉伺服電機 ：設計優勢的量化
