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

DDR直驅(qū)電機選型要素

1.峰值力和持續(xù)力

    DDR直驅(qū)電機扭矩必須要符合應(yīng)用需要，或者說電機的峰值扭矩和持續(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，電機將不能達到所需要的最大加速度，或者有時電機會過熱。

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

    對于實際應(yīng)用，可以計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=加速時間tc=勻速時間

td=減速時間tw=停頓時間

    電機的選擇要基于計算出的峰值扭矩和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。雅科貝思提供的電機選型軟件，輸入相應(yīng)的應(yīng)用參數(shù)之后，可以自動計算出峰值扭矩和RMS扭矩，并推薦可供選擇的電機型號。雅科貝思的DDR電機以高扭矩密度為目標設(shè)計，相比較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計理念，可以提供更高的峰值扭矩和持續(xù)扭矩。

2.電機慣量——越小越好

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

圖1電機慣量與負載慣量示意圖

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

    這種情況會給設(shè)計工程師造成設(shè)計障礙。為獲取更高的性能，更大加速度和更短的運行周期，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的電機。然而，電機越大，電機本身的轉(zhuǎn)動慣量就會越大，會導(dǎo)致需要更高的扭矩。有可能更大型號的電機也不能達到更高性能的目標。因此，DDR電機本身轉(zhuǎn)動慣量小是一個優(yōu)點。應(yīng)該注意，DDR電機若使用外部轉(zhuǎn)子設(shè)計，自然會有更大的轉(zhuǎn)動慣量。雅科貝思的ADR-A系列電機采用最佳的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計，扭矩密度與電機慣量的比率極佳。

3.電機的轉(zhuǎn)動慣量是否一定要匹配負載慣量？

    當使用傳統(tǒng)的伺服電機和機械傳動系統(tǒng)時，有一個慣例，電機慣量和負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)。對于DDR電機，不需要電機慣量和負載慣量匹配，或者說DDR的電機使用不受電機慣量和負載慣量比例的影響，可以是任意比值。

    在傳統(tǒng)的伺服電機應(yīng)用中，皮帶、滑輪、齒條和齒輪等等機械傳動都存在背隙。因此，在小型快速運動中，需要變換運動方向時，可能會出現(xiàn)負載與電機瞬間解耦(脫離)的問題，這會造成控制方面不夠穩(wěn)定。慣量匹配就是要解決這個問題，使控制部分能在穩(wěn)定的范圍內(nèi)運行。

    在使用DDR電機時，電機與負載直接連接，中間沒有任何傳動機構(gòu)，不存在背隙的問題。因此，DDR電機不需要慣量匹配。

4.齒槽效應(yīng)或穩(wěn)定扭矩

    DDR電機定子的疊片式鐵芯的齒部會造成齒槽效應(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)電機來感受齒槽效應(yīng)，會在特定的位置感覺到阻礙力，使電機轉(zhuǎn)動起來不是特別的平滑。齒槽扭矩的缺點在于它會促使運動中產(chǎn)生扭矩波動，從而造成速度波動。運動控制器一定程度上可以彌補這種影響，但是在低速的勻速運動中，齒槽效應(yīng)的影響是非常不利的。齒槽效應(yīng)的另一個缺點是影響運動的整定性能，在目標位置會有抖動現(xiàn)象。雅科貝思的ADR系列電機設(shè)計時對槽/極進行了優(yōu)化，并在定子疊片式鐵芯的齒部做了特別設(shè)計，實現(xiàn)最低的齒槽扭矩。最大的齒槽扭矩，即峰峰值數(shù)據(jù)均標示在電機資料手冊中。其中ACD和ACW系列電機采用無鐵芯設(shè)計，也就是說這兩種電機沒有任何齒槽扭矩。

5.最大速度

    在快速的運動應(yīng)用中，可以達到很高的峰值速度。根據(jù)應(yīng)用情況，需要考慮合適的繞組類型，確保驅(qū)動器的總線電壓可以充分的克服反電動勢電壓。簡單的說，總線電壓要大于由反電動勢產(chǎn)生的電壓和峰值電流乘于電機電阻總和：

V>(Kv*Speed+Ip*R)

其中：

V是總線電壓，單位為VDc；

Kv是電機的反電動勢常數(shù)；

Ip是峰值電流，單位是Apk；

R是電機的終端電阻。

    雅科貝思的DDR電機通常提供兩種繞組，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)動電路。用戶可以根據(jù)實際應(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)動電路。

6.軸向和徑向跳動

    DDR電機的軸向和徑向跳動由其使用的軸承精度、機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。雅科貝思DDR電機的軸向和徑向跳動標示在電機資料手冊上。對標準電機，給予正常的軸向和徑向跳動值，也提供更高規(guī)格的指標可供用戶選擇。

7.反饋

    雅科貝思DDR電機通常使用光學(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電機無論多大型號，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，標準的插值倍率是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。

直線電機選型

    直線電機的選型包括最大推力和持續(xù)推力需求的計算。最大推力由移動負載質(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）當移動負載是2.5千克（包括動子），所需加速度為30m/s2時，電機將產(chǎn)生75N的力。

    通常，不知道實際加速度需求，但是，有電機運行時間要求。給定運動行程距離和所需行程時間，便可以此計算出所需的加速度。一般，對于短行程來說，可推薦使用三角型速度模式（無勻速）；長行程的話，梯形速度模式會更有效率。在三角型速度模式中，電機的運動無勻速段。

    在三角型速度模式中，加速度=4×位移/運動時間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/（運動時間-位移/勻速）

相類似的，計算減速度大小與計算加速度相類似。除非存在一個不平衡的力（重力）作用在電機上。

    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)力的施力也需要計算。（注：為了維持勻速，電機會對抗摩擦力和外界應(yīng)力。電機上使能停滯時則會對抗外界應(yīng)力。）

計算持續(xù)推力公式如下：

RMSForce=持續(xù)推力

Fa=加速度力Ta=加速時間

Fc=勻速段力Tc=勻速時間

Fd=減速度力Td=減速時間

Fw=停滯力Tw=停滯時間

    根據(jù)最大推力和持續(xù)推力選擇一個電機?？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。舉個例子，一個應(yīng)用中，電機需要在三角模式下讓電機在0.2秒內(nèi)，讓4KG的負載移動0.3米。電機同行程中返程前停滯時間為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，合適的電機為AUM3-S4。

直線電機常見問題

1.電機可以驅(qū)動的最大有效負載是多大？

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/負載也可以用很小的力推動，只是加速度會比較小。如：AUM2-S2電機的峰值力是88N，推動10Kg的負載橫向移動時，最大加速度可以到8.8m/s2。

2.在垂直方向上（電機垂直安裝時）最大有效負載如何？

A：垂直運動時，電機除了克服重力、還要提供推力向上運動（F=mg+ma），在這種情況下，最大的負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)，最大的負載就是電機的持續(xù)力。如：對于AUM2-S2的持續(xù)力是22N，最大的垂直負載是2Kg。如果負載裝有平衡裝置（如彈簧），AUM2-S2就可以推動更重的負載。

3.電機/模組的最大速度是多少？

A：由于直線電機沒有直接接觸，理論上沒有速度限制。然而，機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現(xiàn)更高的速度。

4.最大加速度如何？

A：對于加速度，可以通過牛頓定律（F=ma）來解釋，它取決于電機的最大推力（峰值力）和運動質(zhì)量。

5.直線電機的最大長度是多長？

A：對于AUM和ACM直線電機來說沒有長度限制，因為電機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。因此直線電機的長度可以到20m，甚至更長。

6.突然斷電時，直線電機會怎么樣？

A：當突然斷電時，直線電機會由于慣性繼續(xù)向前運動，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)用中會存在隱患?？梢园惭b制動裝置，當電源切斷時激活該裝置，這樣電機就可以立即停下來。這種制動裝置通常安裝在直線制導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)軌上。

7.直線電機是否適用于潔凈室？

A：是的，直線電機適用于潔凈室。事實上，許多前端半導(dǎo)體應(yīng)用都使用直線電機。如：在晶圓制造工廠，高精度光刻機放置在在等級為10的潔凈室里，直線電機應(yīng)用于其中XY定位平臺，使用納米分辨率來實現(xiàn)亞微米級精度。直線電機在更多的應(yīng)用領(lǐng)域中越來越受歡迎，另外直線電機也應(yīng)用在其它領(lǐng)域中，如半導(dǎo)體后端包裝，測試，拾取與放置，硬盤的裝配與測試等等，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，直線電機的優(yōu)勢：

•驅(qū)動機構(gòu)沒有接觸。因此沒有磨損而導(dǎo)致粒子生成；

•直線電機不需要潤滑劑。潤滑劑也是污染源。

8.直線電機的磁場有什么影響？

A：在一些應(yīng)用中，用戶會擔心直線電機磁場會破壞敏感的組件。一般來說，在一些應(yīng)用中，推薦使用無鐵芯直線電機（AUM），AUM電機磁軌的磁場是閉合的，磁通量外泄的基本可以忽略不計。對于有鐵芯直線電機（如ACM），在磁軌50-60mm的范圍內(nèi)會有磁場，磁場強度會隨著距離的增加而衰減，而且特定區(qū)域的磁場是恒定的，不會產(chǎn)生射頻干擾。