驱动系统——跨学科合作成果丰硕

驱动装置技术是机械、机器人和手持式设备性能的基本组成部分。但是，除了设计和电机选择之外，还有其他许多必须考虑的因素。跨学科的思维方式、专业的工程设计知识、丰富的经验以及对各项要求的准确理解，都是重要关键。

任何技术上的进步都应专注在应用上。在某些情况下，改进的性能特征或新型技术必须带来更好的结果：提高质量和/或降低成本。对于机械装置和手持式设备的驱动装置技术来说，这代表的是：

• 更优异的动态性能可以提高产量。
• 更快速的驱动装置控制可以提高精度和产品质量。
• 更高效的驱动系统可以改善整体系统的能源效率。

为了实现这些目标，在选择驱动系统时，必须考虑到应用的整体环境和各种要求。

整体环境

在制定驱动系统技术规格和进行优化时，第一步就是理解最终系统（可以是机械、机器人或手持式设备）的技术和商业需求，并正确订立各项要求的优先顺序。然而，设计人员在选择驱动系统时，有时很容易忽略大局，只单方面关注与自己专业领域相关的要素。一般来说，会在工程设计过程中选择驱动装置。然而，驱动装置解决方案的性能、成本和局限性会受到多种因素的影响，也会受到其他系统部件的影响。因此，在构思和概念化阶段，善用不同领域专家的专业知识至关重要。

专业联手

从概念设计到批量生产实施，系统方法和跨学科合作都是必须考虑的两个关键成功因素。在通常情况下，一个公司内部不太可能涵盖所有专业领域，现有各个领域的水平也可能不尽相同。这时，具有广泛经验的外部合作伙伴便能为更宽广的跨学科思想交流提供很好的机会。在理想的情况下，合作伙伴还能参与到部分系统研发和生产过程中，从而达到降低研发风险并加快上市时间的目的。

maxon = 驱动系统和工程设计

凭借50多年的经验以及全球超过2,800名员工，maxon的知识范围远远超出“纯”驱动电机。maxon内部可以研发和生产各种无刷和有刷DC电机、齿轮箱、主轴、编码器、电机控制器、主控制器和电池管理系统。maxon所提供的部件和客户定制的驱动系统被广泛应用在机器人技术、医疗和实验室工程设计、工业自动化、汽车行业以及从地球到火星的航空航天应用中。对于许多项目来说，关键因素不仅在于可以提供广泛的产品组合，更在于maxon应用团队的跨学科合作和深厚经验，以及研发全新驱动解决方案的能力。maxon拥有电机、齿轮箱、电子装置和控制系统等各个方面的专家，他们在项目研发的早期阶段就参与到讨论之中，而且他们非常熟悉特定应用领域的各项要求，必能提供各种启发性的建议。因此，当我们详细分析各个部件及其影响因素时，就不难发现：掌握不同专业领域的知识对于驱动系统的研发具有决定性的意义。

自上而下：聚焦主机

被称为主机的顶层“智能”会将运动命令传输到电机控制器并查询过程信息（例如转矩、转速、位置、状态）。

• 主机与电机控制器之间如何共享任务，对于评估所需性能以及主机、电机控制器和通讯接口的选择至关重要。
• 如果机器需要快速循环的数据交换（例如每毫秒一次），则需要具有实时操作系统（例如PLC）和快速接口（例如CAN、EtherCAT）的主机。
• 如果可以在电机控制器中预先配置和自动执行复杂的运动序列，则使用一台PC（常见于实验室自动化应用）或一个微型控制器（适用于手持式设备，例如工业自动化或医疗技术中使用的螺丝刀和钻头）足矣。

maxon：DC/BLDC电机和位置控制器。

焦点：电机控制器

电机控制器是顶层主机和电机以及反馈设备（例如编码器）之间的链接。控制器和输出级用于将电流、转速和位置命令转换为电机相位中的电压和电流。

• 通过快速的控制器周期和复杂的算法可实现精确和动态的驱动装置运动。
• 最先进的输出级可以为快速加速提供所需的峰值电流。它们的能源效率非常高。集成的电机和信号滤波器进一步改善电磁兼容性 (EMC) 和抗噪性

焦点：编码器

转速和位置控制需要反馈设备（所谓的编码器或线性标度），以反馈有关电机和/或输出轴实际位置的信息。

• 这些编码器的分辨率和位置决定了定位的理论精度极限值。

焦点：电机

电机可以将电能转换为机械能，例如运动和转矩。

• 具有较高过载能力的DC电机或BLDC电机可以采用紧凑型设计，因为高转矩可用于短时间的动态加速阶段。
• 具有较低转子惯量的电机会降低加速转子所需的转矩，从而提高能源效率和动态性能。
• 因此，电机效率高也会提高整体能源效率并减少生热，尤其对于手持式设备来说，这是一个非常重要的因素。

焦点：齿轮箱

齿轮箱和机械组件的精确度、空回、弹性和效率…

• …决定输出定位精度。
• …会影响动态性能，例如达到目标位置并稳定之后的时间。
• …有利于改善能源效率。

挑战：集成

为了将所有部件都集成到一个极尽紧凑的单元中，必须考虑负载条件下各个部件相互加热的问题。电机和电子装置的工作点计算和热评估应该在概念验证阶段内尽早完成，以避免重新设计的高昂成本。

挑战：电池运行

各种采用电池供电的应用需要有能源效率优化和电池管理方面的专业知识。

maxon门驱动装置：BLDC电机、齿轮箱、编码器、位置控制器整合在一个紧凑型单元中。

示例：集成式门驱动系统

每天有数十亿人乘坐电梯。除了主驱动装置外，电梯还需要安装在门上方狭小空间内的紧凑型电梯门驱动装置。“智能”驱动装置通过总线系统接收开门和关门的命令。驱动装置需要可靠执行这些命令，并满足严格的安全要求。

maxon与领先的电梯制造商合作研发了电梯门驱动装置，可移动重达400公斤的电梯门。这套低噪音、高能效的驱动系统在一个紧凑型单元中集成配备编码器的高转矩maxon EC 90-flat盘式电机、可选配的皮带传动装置以及EPOS位置控制器。数据交换通过CAN总线实现。特定的控制和力监控算法可确保平稳、动态的门运动、精确的定位以及电梯门防夹保护。

maxon与客户合作设计和研发了这套系统，其中汇集应用和安全技术、结构设计、控制器、电子装置开发、热力学和软件方面等各类专家的跨学科知识。这类解决方案不能简单地通过将单个部件组装在一起来实现：它需要为特定的应用案例设计全新的驱动解决方案。maxon是驱动系统、控制器和电池管理方面的理想合作伙伴。

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