DDR直驅(qū)電機(jī)工作平臺(tái)，利用直線電機(jī)或力矩直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，將動(dòng)子部分的能量直接作用于工作平臺(tái)上，中間無傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此避免了傳統(tǒng)上獲得直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)方式，如絲杠螺母機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、皮帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等，較易獲得高速度、加速度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無摩擦、傳動(dòng)效率高等效果，同時(shí)可以提供較傳統(tǒng)方式高得多的性能指標(biāo)，如長(zhǎng)行程（模塊化生產(chǎn)，行程可根據(jù)需要任意搭接）、高精度（最大定位精度達(dá)納米級(jí)）等特點(diǎn)，適合于傳統(tǒng)形式不能解決的長(zhǎng)行程、高精度、高速度等精密直線運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。

DDR直驅(qū)電機(jī)選型要素

1.峰值力和持續(xù)力

    DDR直驅(qū)電機(jī)扭矩必須要符合應(yīng)用需要，或者說電機(jī)的峰值扭矩和持續(xù)扭矩要高于應(yīng)用需要的峰值扭矩和RMS（均方根）扭矩，否則，電機(jī)將不能達(dá)到所需要的最大加速度，或者有時(shí)電機(jī)會(huì)過熱。

    其中，直線電機(jī)遵照牛頓第二定律：F=ma，F(xiàn)是負(fù)載運(yùn)動(dòng)需要的力，單位為N；m是運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量，單位為Kg；a是加速度，單位為m/s2。同理，對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，T=Jα，T是負(fù)載選擇需要的扭矩，單位是Nm；J是負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位Kgm2；α是角加速度，單位為rad/s2(360°=2πrad)。

    對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，可以計(jì)算需要的峰值扭矩和RMS扭矩：

    峰值扭矩取決于加速度/減速度，T=Jα，

其中：

Ta=加速扭矩Tc=勻速扭矩

Td=減速扭矩Tw=停頓扭矩

ta=加速時(shí)間tc=勻速時(shí)間

td=減速時(shí)間tw=停頓時(shí)間

    電機(jī)的選擇要基于計(jì)算出的峰值扭矩和RMS扭矩。另外需要增加20-30%的安全系數(shù)，特別是假設(shè)摩擦力和反向作用力為零時(shí)。雅科貝思提供的電機(jī)選型軟件，輸入相應(yīng)的應(yīng)用參數(shù)之后，可以自動(dòng)計(jì)算出峰值扭矩和RMS扭矩，并推薦可供選擇的電機(jī)型號(hào)。雅科貝思的DDR電機(jī)以高扭矩密度為目標(biāo)設(shè)計(jì)，相比較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)理念，可以提供更高的峰值扭矩和持續(xù)扭矩。

2.電機(jī)慣量——越小越好

    根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程式，T=Jα，如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，就可以獲得更高的角加速度。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包括兩部分：電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖1電機(jī)慣量與負(fù)載慣量示意圖

    在很多的案例中，電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在總的慣量中占有很大比例。這意味著電機(jī)扭矩有大部分用于自身轉(zhuǎn)動(dòng)，只有小部分扭矩用于負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。

    這種情況會(huì)給設(shè)計(jì)工程師造成設(shè)計(jì)障礙。為獲取更高的性能，更大加速度和更短的運(yùn)行周期，就需要更大扭矩，為了取得更大的扭矩，工程師就要選擇更大型號(hào)的電機(jī)。然而，電機(jī)越大，電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就會(huì)越大，會(huì)導(dǎo)致需要更高的扭矩。有可能更大型號(hào)的電機(jī)也不能達(dá)到更高性能的目標(biāo)。因此，DDR電機(jī)本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該注意，DDR電機(jī)若使用外部轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，自然會(huì)有更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。雅科貝思的ADR-A系列電機(jī)采用最佳的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)，扭矩密度與電機(jī)慣量的比率極佳。

3.電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是否一定要匹配負(fù)載慣量？

    當(dāng)使用傳統(tǒng)的伺服電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，有一個(gè)慣例，電機(jī)慣量和負(fù)載慣量的比率要匹配，比率要控制在1:5以內(nèi)，或者已提高到1:10以內(nèi)。對(duì)于DDR電機(jī)，不需要電機(jī)慣量和負(fù)載慣量匹配，或者說DDR的電機(jī)使用不受電機(jī)慣量和負(fù)載慣量比例的影響，可以是任意比值。

    在傳統(tǒng)的伺服電機(jī)應(yīng)用中，皮帶、滑輪、齒條和齒輪等等機(jī)械傳動(dòng)都存在背隙。因此，在小型快速運(yùn)動(dòng)中，需要變換運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)載與電機(jī)瞬間解耦(脫離)的問題，這會(huì)造成控制方面不夠穩(wěn)定。慣量匹配就是要解決這個(gè)問題，使控制部分能在穩(wěn)定的范圍內(nèi)運(yùn)行。

    在使用DDR電機(jī)時(shí)，電機(jī)與負(fù)載直接連接，中間沒有任何傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不存在背隙的問題。因此，DDR電機(jī)不需要慣量匹配。

4.齒槽效應(yīng)或穩(wěn)定扭矩

    DDR電機(jī)定子的疊片式鐵芯的齒部會(huì)造成齒槽效應(yīng)。如圖2所示，說明了齒槽效應(yīng)是由定子齒部和磁鐵之間的吸引力產(chǎn)生的。

圖2導(dǎo)致齒槽效應(yīng)的吸引力

    可以用手去旋轉(zhuǎn)電機(jī)來感受齒槽效應(yīng)，會(huì)在特定的位置感覺到阻礙力，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來不是特別的平滑。齒槽扭矩的缺點(diǎn)在于它會(huì)促使運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生扭矩波動(dòng)，從而造成速度波動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器一定程度上可以彌補(bǔ)這種影響，但是在低速的勻速運(yùn)動(dòng)中，齒槽效應(yīng)的影響是非常不利的。齒槽效應(yīng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是影響運(yùn)動(dòng)的整定性能，在目標(biāo)位置會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象。雅科貝思的ADR系列電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)槽/極進(jìn)行了優(yōu)化，并在定子疊片式鐵芯的齒部做了特別設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最低的齒槽扭矩。最大的齒槽扭矩，即峰峰值數(shù)據(jù)均標(biāo)示在電機(jī)資料手冊(cè)中。其中ACD和ACW系列電機(jī)采用無鐵芯設(shè)計(jì)，也就是說這兩種電機(jī)沒有任何齒槽扭矩。

5.最大速度

    在快速的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，可以達(dá)到很高的峰值速度。根據(jù)應(yīng)用情況，需要考慮合適的繞組類型，確保驅(qū)動(dòng)器的總線電壓可以充分的克服反電動(dòng)勢(shì)電壓。簡(jiǎn)單的說，總線電壓要大于由反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電壓和峰值電流乘于電機(jī)電阻總和：

V>(Kv*Speed+Ip*R)

其中：

V是總線電壓，單位為VDc；

Kv是電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；

Ip是峰值電流，單位是Apk；

R是電機(jī)的終端電阻。

    雅科貝思的DDR電機(jī)通常提供兩種繞組，以迎合不同的速度和電壓需求。串聯(lián)式繞組適用于較低的電流、較高的電壓驅(qū)動(dòng)電路；并聯(lián)式繞組適用于較高的電流、比較低的電壓驅(qū)動(dòng)電路。用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中需要的最大速度來選擇繞組類型，并基于電流和供電電壓匹配驅(qū)動(dòng)電路。

6.軸向和徑向跳動(dòng)

    DDR電機(jī)的軸向和徑向跳動(dòng)由其使用的軸承精度、機(jī)械加工件和零部件的安裝精度決定。在高精度的應(yīng)用中需要考慮軸向和徑向跳動(dòng)。雅科貝思DDR電機(jī)的軸向和徑向跳動(dòng)標(biāo)示在電機(jī)資料手冊(cè)上。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，給予正常的軸向和徑向跳動(dòng)值，也提供更高規(guī)格的指標(biāo)可供用戶選擇。

7.反饋

    雅科貝思DDR電機(jī)通常使用光學(xué)增量編碼器反饋。但是，也有其它反饋類型可以選擇，如：旋變編碼器、絕對(duì)值編碼器和感應(yīng)式編碼器。光學(xué)編碼器相比較旋變編碼器可提供更好的精度和更高的分辨率。雅科貝思DDR電機(jī)無論多大型號(hào)，通常使用的光學(xué)編碼器光柵尺的光柵間距是20微米。通過插值，可以獲得非常高的分辨率，以達(dá)到應(yīng)用所需精度。

    比如：ADR135，光柵間距20微米，每轉(zhuǎn)有12000線，標(biāo)準(zhǔn)的插值倍率是40倍，每轉(zhuǎn)的分辨率為480000單位，或者說以光柵為反饋的分辨率是0.5微米。采用SINCOS（模擬量編碼器），4096倍的插值之后，可以得到的分辨率為每轉(zhuǎn)49152000單位，或者說以光柵為反饋的分辨率是5納米。

直線電機(jī)選型

    直線電機(jī)的選型包括最大推力和持續(xù)推力需求的計(jì)算。最大推力由移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量和最大加速度大小決定。

    推力=總質(zhì)量×加速度+摩擦力+外界應(yīng)力

    例如:（假定摩擦力和外界應(yīng)力忽略不計(jì)）當(dāng)移動(dòng)負(fù)載是2.5千克（包括動(dòng)子），所需加速度為30m/s2時(shí)，電機(jī)將產(chǎn)生75N的力。

    通常，不知道實(shí)際加速度需求，但是，有電機(jī)運(yùn)行時(shí)間要求。給定運(yùn)動(dòng)行程距離和所需行程時(shí)間，便可以此計(jì)算出所需的加速度。一般，對(duì)于短行程來說，可推薦使用三角型速度模式（無勻速）；長(zhǎng)行程的話，梯形速度模式會(huì)更有效率。在三角型速度模式中，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)無勻速段。

    在三角型速度模式中，加速度=4×位移/運(yùn)動(dòng)時(shí)間²。

    在梯形速度模式中，預(yù)設(shè)勻速度可以幫助決定加速度。

加速度=勻速/（運(yùn)動(dòng)時(shí)間-位移/勻速）

相類似的，計(jì)算減速度大小與計(jì)算加速度相類似。除非存在一個(gè)不平衡的力（重力）作用在電機(jī)上。

    通常為了要維持勻速過程(Cruising)和停滯階段(Dwelling)，摩擦力和外界應(yīng)力的施力也需要計(jì)算。（注：為了維持勻速，電機(jī)會(huì)對(duì)抗摩擦力和外界應(yīng)力。電機(jī)上使能停滯時(shí)則會(huì)對(duì)抗外界應(yīng)力。）

計(jì)算持續(xù)推力公式如下：

RMSForce=持續(xù)推力

Fa=加速度力Ta=加速時(shí)間

Fc=勻速段力Tc=勻速時(shí)間

Fd=減速度力Td=減速時(shí)間

Fw=停滯力Tw=停滯時(shí)間

    根據(jù)最大推力和持續(xù)推力選擇一個(gè)電機(jī)?？蛻魬?yīng)該將安全系數(shù)設(shè)為20-30%，以便將摩擦力和外界應(yīng)力抵消為0。舉個(gè)例子，一個(gè)應(yīng)用中，電機(jī)需要在三角模式下讓電機(jī)在0.2秒內(nèi)，讓4KG的負(fù)載移動(dòng)0.3米。電機(jī)同行程中返程前停滯時(shí)間為0.15秒。假設(shè)摩擦力和其他不平衡力不存在，則：

加速度=減速度=4×0.3/(0.2)2=30m/s2

最大推力=加速度力=減速度力=負(fù)載×加速度=4×30=120N

假如安全緩沖系數(shù)設(shè)為30%，通過選型，合適的電機(jī)為AUM3-S4。

直線電機(jī)常見問題

1.電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)的最大有效負(fù)載是多大？

A：根據(jù)牛頓定律：F=ma，應(yīng)用的力與質(zhì)量和加速度成正比。因此，只要克服摩擦力，很大的質(zhì)量/負(fù)載也可以用很小的力推動(dòng)，只是加速度會(huì)比較小。如：AUM2-S2電機(jī)的峰值力是88N，推動(dòng)10Kg的負(fù)載橫向移動(dòng)時(shí)，最大加速度可以到8.8m/s2。

2.在垂直方向上（電機(jī)垂直安裝時(shí)）最大有效負(fù)載如何？

A：垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)除了克服重力、還要提供推力向上運(yùn)動(dòng)（F=mg+ma），在這種情況下，最大的負(fù)載由最大力除以重力加速度（9.81m/s2）決定。如果垂直力一直持續(xù)，最大的負(fù)載就是電機(jī)的持續(xù)力。如：對(duì)于AUM2-S2的持續(xù)力是22N，最大的垂直負(fù)載是2Kg。如果負(fù)載裝有平衡裝置（如彈簧），AUM2-S2就可以推動(dòng)更重的負(fù)載。

3.電機(jī)/模組的最大速度是多少？

A：由于直線電機(jī)沒有直接接觸，理論上沒有速度限制。然而，機(jī)械軸承的速度通常是有限的。如：線性制導(dǎo)系統(tǒng)使用導(dǎo)軌和滑塊，最大速度通常限制為5m/s，這就是為什么在大多數(shù)應(yīng)用案例中，直線電機(jī)的速度限制在5m/s；選擇陶瓷球軸承速度可提升至10m/s，使用空氣軸承可以實(shí)現(xiàn)更高的速度。

4.最大加速度如何？

A：對(duì)于加速度，可以通過牛頓定律（F=ma）來解釋，它取決于電機(jī)的最大推力（峰值力）和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。

5.直線電機(jī)的最大長(zhǎng)度是多長(zhǎng)？

A：對(duì)于AUM和ACM直線電機(jī)來說沒有長(zhǎng)度限制，因?yàn)殡姍C(jī)的定子可以分段拼接起來；直線導(dǎo)軌同樣可以拼接；作為反饋的直線光柵尺可以做到很長(zhǎng)。因此直線電機(jī)的長(zhǎng)度可以到20m，甚至更長(zhǎng)。

6.突然斷電時(shí)，直線電機(jī)會(huì)怎么樣？

A：當(dāng)突然斷電時(shí)，直線電機(jī)會(huì)由于慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，直至碰撞到末端或由于摩擦力停下來。通常這并不是問題，但在某些應(yīng)用中會(huì)存在隱患?？梢园惭b制動(dòng)裝置，當(dāng)電源切斷時(shí)激活該裝置，這樣電機(jī)就可以立即停下來。這種制動(dòng)裝置通常安裝在直線制導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)軌上。

7.直線電機(jī)是否適用于潔凈室？

A：是的，直線電機(jī)適用于潔凈室。事實(shí)上，許多前端半導(dǎo)體應(yīng)用都使用直線電機(jī)。如：在晶圓制造工廠，高精度光刻機(jī)放置在在等級(jí)為10的潔凈室里，直線電機(jī)應(yīng)用于其中XY定位平臺(tái)，使用納米分辨率來實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)精度。直線電機(jī)在更多的應(yīng)用領(lǐng)域中越來越受歡迎，另外直線電機(jī)也應(yīng)用在其它領(lǐng)域中，如半導(dǎo)體后端包裝，測(cè)試，拾取與放置，硬盤的裝配與測(cè)試等等，許多應(yīng)用都是在潔凈室里。在潔凈室里，相比較傳統(tǒng)的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)：

•驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)沒有接觸。因此沒有磨損而導(dǎo)致粒子生成；

•直線電機(jī)不需要潤(rùn)滑劑。潤(rùn)滑劑也是污染源。

8.直線電機(jī)的磁場(chǎng)有什么影響？

A：在一些應(yīng)用中，用戶會(huì)擔(dān)心直線電機(jī)磁場(chǎng)會(huì)破壞敏感的組件。一般來說，在一些應(yīng)用中，推薦使用無鐵芯直線電機(jī)（AUM），AUM電機(jī)磁軌的磁場(chǎng)是閉合的，磁通量外泄的基本可以忽略不計(jì)。對(duì)于有鐵芯直線電機(jī)（如ACM），在磁軌50-60mm的范圍內(nèi)會(huì)有磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增加而衰減，而且特定區(qū)域的磁場(chǎng)是恒定的，不會(huì)產(chǎn)生射頻干擾。