許多應(yīng)用在相對(duì)較低的電機(jī)轉(zhuǎn)速下需要較高的轉(zhuǎn)矩并平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，例如EO/IR（光電/紅外）系統(tǒng)。EO/IR成像被廣泛用于各種安全、監(jiān)控場(chǎng)景中，這些應(yīng)用場(chǎng)景要求系統(tǒng)能在所有光照條件下提供情境意識(shí)和目標(biāo)定位，并且必須獲取和保持絕對(duì)穩(wěn)定的圖像，同時(shí)要能夠抵消由于加減速移動(dòng)、振動(dòng)、沖擊、空氣湍流等不可預(yù)知力造成的運(yùn)動(dòng)。
01 技術(shù)困境
對(duì)于任何必須滿足類似要求的應(yīng)用，工程師都會(huì)面臨兩難困境，而且這種困境經(jīng)常會(huì)因?yàn)閷?duì)電機(jī)技術(shù)和功能不夠深入了解而變得更加復(fù)雜。使用帶開槽疊片設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)無(wú)刷電機(jī)可提供優(yōu)秀的可用轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩密度，然而，這些電機(jī)固有的齒槽轉(zhuǎn)矩特性可能會(huì)影響低速運(yùn)行的平穩(wěn)性。無(wú)槽電機(jī)則不受齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，但它們?cè)谕姇r(shí)仍可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并且無(wú)法提供與傳統(tǒng)電機(jī)相同的單位體積轉(zhuǎn)矩。
那么，該如何實(shí)現(xiàn)在較低電機(jī)轉(zhuǎn)速下獲得較高的轉(zhuǎn)矩并平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)呢？快隨小科一起進(jìn)入今日的知識(shí)小課堂，從相關(guān)概念入手，一探究竟吧！
02 齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)
齒槽轉(zhuǎn)矩
齒槽轉(zhuǎn)矩主要是由安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體與定子疊片齒槽之間的吸引力引起的。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)傳統(tǒng)無(wú)刷電機(jī)的電機(jī)軸時(shí)，可以感覺(jué)到齒槽效應(yīng)是一種間歇性的“抖動(dòng)”運(yùn)動(dòng)。無(wú)槽電機(jī)則沒(méi)有這種特性。在未通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子可以自由旋轉(zhuǎn)，因?yàn)橛来朋w不會(huì)被非磁性定子線圈吸引。
轉(zhuǎn)矩波動(dòng)
轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是通電電機(jī)中轉(zhuǎn)子在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的不均勻轉(zhuǎn)矩，它是由電磁場(chǎng)變化以及轉(zhuǎn)子與定子間的電磁場(chǎng)相互作用變化所引起的。而這些變化是由傳統(tǒng)電機(jī)中的齒槽轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致的。
在傳統(tǒng)電機(jī)中，齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)影響轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。同時(shí)，所有電機(jī)（包括無(wú)槽電機(jī)）都會(huì)有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，這主要是由電樞反應(yīng)導(dǎo)致，而不是齒槽效應(yīng)。電樞反應(yīng)會(huì)造成電磁波形的諧波失真，從而導(dǎo)致無(wú)槽電機(jī)中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在低速應(yīng)用中，無(wú)論是使用傳統(tǒng)電機(jī)還是無(wú)槽電機(jī)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致被驅(qū)動(dòng)負(fù)載出現(xiàn)不必要的波動(dòng)。對(duì)于平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要的低速應(yīng)用，這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要解決的重要問(wèn)題。
了解了兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)概念，接下來(lái)讓我們?cè)賮?lái)看看如何做電機(jī)設(shè)計(jì)的選擇。
03 傳統(tǒng)開槽疊片設(shè)計(jì) OR 無(wú)槽設(shè)計(jì)
你可能會(huì)認(rèn)為無(wú)槽電機(jī)沒(méi)有齒槽轉(zhuǎn)矩是上訴類型應(yīng)用的理想特性。但是齒槽轉(zhuǎn)矩通常并不作為伺服電機(jī)的規(guī)格參數(shù)。電機(jī)通電狀態(tài)下的行為是最重要的影響因素。
因此，傳統(tǒng)的無(wú)刷電機(jī)通常是更好的選擇。對(duì)于相同尺寸的電機(jī)，傳統(tǒng)的開槽疊壓電機(jī)可提供更高的單位體積轉(zhuǎn)矩，這對(duì)于許多應(yīng)用所需的低轉(zhuǎn)速（通常低于500 rpm）尤為重要。同時(shí)，相比于同等尺寸的無(wú)槽電機(jī)，傳統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)生的恒定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩要大得多。
關(guān)鍵的概念和電機(jī)技術(shù)選擇方式已經(jīng)掌握，那么優(yōu)化系統(tǒng)性能的方法就變得清晰明了。
04 減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)
1. 通過(guò)改裝電機(jī)
由于齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，因此通過(guò)改裝電機(jī)來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩是一種方法。然而，這些設(shè)計(jì)變動(dòng)將或多或少地減小轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩密度，并且不能完全消除齒槽轉(zhuǎn)矩。
2. 通過(guò)相關(guān)算法
高分辨率反饋、高帶寬控制回路和先進(jìn)的負(fù)載干擾消除驅(qū)動(dòng)算法可以消除大部分轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在整個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中施加到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩/力的高分辨率反饋信號(hào)可以與驅(qū)動(dòng)器的命令信號(hào)疊加，以消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，并保持平穩(wěn)的加速度和速度。同樣，在速度和/或位置環(huán)模式下運(yùn)行時(shí)，速度環(huán)可以通過(guò)將電機(jī)的反饋信號(hào)與其命令信號(hào)疊加來(lái)抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。
3. 二者聯(lián)合使用
通過(guò)選擇適合應(yīng)用的正確電機(jī)技術(shù)，以及在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候使用改進(jìn)的電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用控制技術(shù)來(lái)減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，幾乎可以在任何應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩密度與平穩(wěn)性的正確平衡，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的系統(tǒng)應(yīng)用性能！