1. 前言

NSK從1985年開始發(fā)售商品名稱定為“大扭矩馬達(dá)”的能夠直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的直驅(qū)馬達(dá)（以下簡稱DD馬達(dá)） 【參考文獻(xiàn)^1),2),3)】。DD馬達(dá)去除了[伺服馬達(dá)+減速器]或機(jī)械式特征所導(dǎo)致的滯后或背隙。采用軸承內(nèi)藏的形式，作為驅(qū)動(dòng)直接承載，沒有必要設(shè)計(jì)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(xiàn)的傳動(dòng)裝置。
開發(fā)之始，DD馬達(dá)主要關(guān)注在產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的直接驅(qū)動(dòng)上，之后，作為FA用的直驅(qū)馬達(dá)被逐漸實(shí)用化，現(xiàn)在，以半導(dǎo)體及液晶裝置、CD/DVD制造裝置為開端，組裝設(shè)備、檢查設(shè)備等的引導(dǎo)，作為搬送機(jī)構(gòu)被越來越廣泛的使用【 參考文獻(xiàn)⁴⁾】，作為FA用的傳動(dòng)裝置的認(rèn)知度也在逐步提高。
隨著被使用的領(lǐng)域擴(kuò)大，導(dǎo)向作用根據(jù)對象產(chǎn)品的細(xì)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(dá)的新開發(fā)大扭矩PS系列進(jìn)行說明，著重介紹實(shí)現(xiàn)馬達(dá)技術(shù)和高速定位的新控制方法，其次介紹對應(yīng)用這些技術(shù)的開發(fā)產(chǎn)品的特長。

2. 大扭矩馬達(dá)的開發(fā)動(dòng)向

2.1. 永久磁鐵型同步馬達(dá)的開發(fā)

2.1.1. VR型馬達(dá)和永久磁鐵型同步馬達(dá)的比較

以前的大扭矩馬達(dá)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(shí)現(xiàn)多極化，可在低速時(shí)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(shí)施磨削加工產(chǎn)生，需要0.1mm左右的間隙管理。 VR型馬達(dá)由于繞組的電感變得大，在驅(qū)動(dòng)頻率變高的高速階段，根據(jù)電機(jī)繞組電流的響應(yīng)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(jìn)行磁盤傳送的搬送手臂構(gòu)成。搬送，送料并不會(huì)增加CD/DVD的附加價(jià)值，因此，此工序的搬送時(shí)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(shí)間，必須提高馬達(dá)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(dá)必須小型化和高速化，以前的VR型馬達(dá)就有一定的對應(yīng)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?yàn)閮r(jià)格低在一般馬達(dá)中逐漸被廣泛使用【參考文獻(xiàn)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(dá)。

2.1.2. 最合適磁極形狀的設(shè)計(jì)

針對馬達(dá)的設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)力矩脈沖、齒槽效應(yīng)力矩的高精度定位，在馬達(dá)核心添加磁通密度分布的解析，逐步改進(jìn)設(shè)計(jì)。
通過使用有限元法(FEM)進(jìn)行磁場分析，在實(shí)機(jī)中得到了驗(yàn)證。
為確認(rèn)大多數(shù)參數(shù)的影響，構(gòu)筑一個(gè)可能實(shí)施自動(dòng)解析的系統(tǒng)，該系統(tǒng)從做出一個(gè)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(shí)行解析，來提高設(shè)計(jì)的效率。自動(dòng)生成的FEM模型的磁通密度分布圖如圖2所示。

2.1.3. 馬達(dá)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(jìn)行比較，最大輸出力矩增大2倍，同時(shí)，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(fù)載慣量：0.007 kgm^2）在180°定位操作時(shí)，與定位時(shí)間進(jìn)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(shí)間內(nèi)即可完成定位。
為實(shí)現(xiàn)高速定位，就必須提高最高回轉(zhuǎn)速度以及實(shí)現(xiàn)馬達(dá)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(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)完成整合，要盡可能的減小馬達(dá)在回轉(zhuǎn)過程中的跟蹤誤差。因此，此次開發(fā)通過補(bǔ)償對定位動(dòng)作指令的相位延遲，采用了改善響應(yīng)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(lǐng)域存在相位延遲。
考慮到要進(jìn)行高速定位動(dòng)作，需要從目標(biāo)值及位置指令開始到控制輸出（馬達(dá)的回轉(zhuǎn)角度）都能延遲。假設(shè)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(jìn)行補(bǔ)償，從目標(biāo)值到輸出的傳導(dǎo)特性即是“1”，就能夠?qū)崿F(xiàn)按照指令進(jìn)行定位。

存在運(yùn)用 這種考慮方法的零相位差的跟蹤控制器（ZPETC） 【參考文獻(xiàn)⁸⁾】。
因反饋控制而得到穩(wěn)定化的控制對象的離散時(shí)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(jìn)行比例控制，速率控制循環(huán)進(jìn)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(shí)把比例控制的增益也提高。因?yàn)槿绻荒艹浞值靥岣弑壤鲆?，積分增益的上限必然會(huì)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(shí)間的縮短也存在對應(yīng)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(dá)的干擾 ，通過低通濾波器Q(s)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，來抵消干擾的影響的控制方式。
此時(shí)，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(jià)變換而得的結(jié)構(gòu)圖。

圖6所示，可以通過這種構(gòu)造進(jìn)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(shí)，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(jìn)行比較，構(gòu)成對干擾控制更強(qiáng)的系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)更快的整定。

2.3. 定位性能試驗(yàn)的結(jié)果

2.3.1. 高速定位試驗(yàn)

圖7是相同尺寸的新舊大扭矩馬達(dá)的定位性能對比的試驗(yàn)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(dòng)作，JS1003的定位時(shí)間是330ms，PS1006是146.5ms，是原產(chǎn)品A的1/2以下。同時(shí)，相比新開發(fā)出的高跟蹤特性控制方式，運(yùn)行時(shí)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(diǎn)數(shù)/rev換算而來的情況），約是原來方式的1/500，實(shí)現(xiàn)了非常小的偏差量的高跟蹤性。
另外，整合時(shí)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(jìn)給定位）試驗(yàn)

PS系列的馬達(dá)位置檢測分辨率是2,621,440脈沖。圖8所示為1脈沖對應(yīng)的斷續(xù)進(jìn)給定位的試驗(yàn)結(jié)果。

在每1秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行1脈沖定位，先按照順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，之后，在同一條件下按照逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，如此進(jìn)行重復(fù)動(dòng)作，共計(jì)10脈沖。測量數(shù)據(jù)是從馬達(dá)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(dòng)進(jìn)行確認(rèn)，能獲得高精度的定位。

2.3.3. 低剛度承載時(shí)的定位試驗(yàn)

馬達(dá)和負(fù)載作用在很細(xì)的軸上時(shí)，或者是剛度低的懸臂負(fù)載作用的情況時(shí)，馬達(dá)因共振點(diǎn)的影響產(chǎn)生振動(dòng)，越是在剛度高的負(fù)載作用的場合，越是不能過高設(shè)定增益。
在這種情況下，按照以下方法進(jìn)行對應(yīng)。

• ① 在馬達(dá)輸出軸附近安裝惰輪圓盤，將共振點(diǎn)將反共振點(diǎn)側(cè)移動(dòng)，從而減小共振的影響。這種情況下根據(jù)直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置，改善受控系統(tǒng)的特性，降低諧振點(diǎn)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(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)裝置的頻譜特性（如圖10）中的反共振點(diǎn)為68Hz，而該裝置的共振點(diǎn)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(fù)荷特性相匹配，條件參數(shù)可以隨意設(shè)定，進(jìn)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(shí)，在 90°定位試驗(yàn)下的試驗(yàn)結(jié)果。

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

3. 大扭矩馬達(dá)的特點(diǎn)

3.1.PS系列DD馬達(dá)的特點(diǎn)

大扭矩馬達(dá)PS系列（如圖13）有以下特點(diǎn)。

• ① 可縮短定位時(shí)間
  最高轉(zhuǎn)速從原來的3s ^-1提高到10s^-1。運(yùn)行到目標(biāo)位置的整合時(shí)間縮短到原來的1/5以下。
• ② 馬達(dá)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(shè)計(jì)，使單位面積的推力（推力密度）提高到了原來的馬達(dá)的2倍。因此，得以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)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(jī)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(shè)計(jì)，與原產(chǎn)品相比減小了2/3，檢測精度達(dá)到了90秒（1秒 = 1度 / 3600）。
• ④ 驅(qū)動(dòng)單元的小型化
  通過采用專用模塊，與過去相比實(shí)現(xiàn)了65％的小型化。

3.2.PN系列DD馬達(dá)的特點(diǎn)

大扭矩馬達(dá)PN系列（如圖14）有以下特點(diǎn)。

• ① 通過獨(dú)特的內(nèi)部構(gòu)造實(shí)現(xiàn)薄型化和高剛度
  與本公司原產(chǎn)品相比實(shí)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(xiàn)。
• ② 通過高轉(zhuǎn)矩可縮短定位時(shí)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(shí)間成為可能。另外，通過最優(yōu)化的繞組設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)較低發(fā)熱下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

另外，PN系列附帶剎車裝置（如圖15），還有以下特點(diǎn)。

• ① 反運(yùn)行剎車的采用對安全性作出的貢獻(xiàn)
  突然斷電時(shí)，安裝有反運(yùn)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(fù)載的馬達(dá)，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(xiàn)
  采用在剎車動(dòng)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(jìn)行剎車動(dòng)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(shí)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(dá)的特點(diǎn)

大扭矩馬達(dá)PNZ系列（如圖16）有以下特點(diǎn)。

• 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(dá)特有的保護(hù)機(jī)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(zhǔn)會(huì)議）規(guī)格中所規(guī)定的保護(hù)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(dá)。
  通過大扭矩馬達(dá)的高精度?大扭矩化技術(shù)以及信賴性高的薄型密封技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了適用于IP66M的世界最薄最小型化的（體積／扭矩）DD馬達(dá)（如圖17）。

※1 實(shí)現(xiàn)了國際電氣標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議（IEC）中的防止高壓噴射水侵入的保護(hù)等級IP66M的直驅(qū)馬達(dá)。（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(dá)的特點(diǎn)

大扭矩馬達(dá)PX系列（如圖18）有以下特點(diǎn)。

• ① 通過高加減速縮短定位時(shí)間
  由于在馬達(dá)的可動(dòng)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(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為止的時(shí)間）與過去相比提高了約2倍。
• ② 通過強(qiáng)化結(jié)構(gòu)提高運(yùn)行精度
  由于提高馬達(dá)的剛度，抑制回轉(zhuǎn)工作臺的振動(dòng)，可提高馬達(dá)的精度。還有，為了不對馬達(dá)產(chǎn)生不良影響，采用了馬達(dá)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(shè)。另外，因?yàn)轳R達(dá)外周部沒有突起，更容易配置周邊機(jī)器。

4. 后序

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

參考文獻(xiàn)

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