精密轉矩電機定位平臺原理及應用
1,前言
近年來，隨著機械設備、工具機等向更高速、更精密、更可靠的方向發展，采用直接驅動(direct-driven)電機-的成功案例有越來越多的趨勢，尤其國外一些電子、半導體、面板、甚至太陽能行業的加工設備都已經大量采用直接驅動電機作為其主要傳動單元，國內的一些激光加工設備、半導體、PCB廠商經過金融危機的洗禮也正在朝此方向大步邁進。直接驅動電機主要分線性電機(LM: Linear Motor)與轉矩電機(TM: Torque Motor)。在此主要介紹HIWIN 轉矩電機定位平臺(TMS: Torque Motor Stage)的技術原理及應用。
2,特色與優點
與傳統結合旋轉伺服電機與減速齒輪的平臺比較：
如圖1，直接驅動，沒有減速齒輪
圖1 HIWIN轉距電機與傳統伺服電機加齒輪箱的比較
TMS的優點有：
體積小，安裝容易；
較少磨耗與發塵，可靠性、效率與壽命提高；
減少中間減速齒輪旋轉質量與齒輪背隙，定位反應快，重復定位精度與定位精度高；
也因免除了減速齒輪，整體平臺散熱均勻，且結構熱膨脹旋轉對稱，可得較穩定的定位精度。且可加裝水冷裝置，使系統在大扭力高負載下，溫度更加穩定，精度表現更加出色。
3,應用領域
HIWIN-TMS轉矩電機的主要應用領域包含半導體與面板設備、工具機、工業自動設備與航天與國防。典型半導體與面板設備的應用包含快速的工件檢測與分類，晶圓與面板的傳輸定位等。如圖2所示，一客戶結合本公司線性電機定位平臺(水平軸)、螺桿定位模塊(垂直軸)與TMS成一快速晶圓取放機械手臂，與傳統取放平臺比較，這非傳統、低成本機械手臂不但定位精度提升，且產出提高2倍以上。
圖2 HIWIN精密轉矩電機平臺的應用
主要工具機應用有三項：A/C軸旋轉定位、五軸加工機旋轉加工頭與快速刀具轉換模塊。早期工業自動化使用TMS的是產業機器人、近期興起的則是電動汽車的使用。TMS于國防的應用如載具的控制與模擬訓練，在航天上應用如天文望眼鏡的控制。另外值得一提近期TM的應用是家電洗衣機滾筒的驅動與居家電梯的驅動。
4,動作原理、種類與主要構成
由于沒用減速齒輪，為達到相當輸出扭矩，TMS采用較一般旋轉伺服電機更多磁極的高扭矩輸出電機，HIWIN-TMS采用多級3相永磁馬達。其優點主要表現在：
高扭矩容積比
高效率，發熱量低
可搭配市面伺服馬達驅動器，系統整合限制低
圖3為大銀TMS系列定位平臺構成剖面圖，其主要構成組件為：軸承、中空旋轉主軸、永磁動子、線圈定子與位置編碼器。其中位置編碼器是以影響TMS定位性能的關鍵組件之一。常用兩種位置編碼器：光學式 (optical type)與分解器式 (resolver type)。光學式分辨率較高，但是單價高，而分解器成本低，且可在惡劣環境操作。
圖3 精密轉矩電機的結構
5,轉矩電機定位平臺選用
圖4為轉矩電機定位平臺的一電控配置布局例，圖中轉矩電機平臺采大銀TMS系列平臺，電機驅動使用美商COPLEY XENUS 型驅動器。
圖4 HIWIN轉矩電機達平臺系統
轉矩電機定位平臺選用與傳統伺服電機選用步驟類似如下：
第一步：確認需求的最大轉速與負荷旋轉貫量沒超過額定值
第二步：確認需求的定位分辨率與重現度沒超過額定值
第三步：依據應用的運動速度曲線圖(Motion Profile)計算等效扭矩
第四步：確認所求等效扭矩小于額定馬達連續扭矩
第五步：確認應用煞車時是否需要回升電阻
6,結論
以上本文簡介轉矩電機定位平臺的特色與應用、動作原理、種類結構與選用步驟，希望能對國內廣大的機械、電氣設計工程師設計設備時提供一條新思路，在未來機械設備高精度、高速度、潔凈環保的高要求下，提升自身設備的附加值，提升市場競爭力。東莞凡一五金機電公司將在上銀HIWIN集團的帶領下，全力為國內廣大設備生產廠商提供更高性價比的產品、更加優質周到的服務。
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