AZD-KRD（AZ系列小型驅動器）開發(fā)

近年來，關節(jié)機器人等自動化設備變得越來越小，越來越輕，因此越來越需要將驅動器放置在更靠近電機的位置以節(jié)省空間。由于其激進的設計，AZD-KRD 緊湊型驅動器的體積比傳統(tǒng)產(chǎn)品更小。這是通過以下方式實現(xiàn)的：取消開關，用 RS-485 通信取代 I/O 控制，并重新設計連接器和外殼的結構。此外，為減少布線，驅動器采用菊花鏈連接，將電源線和通信線組合到一個連接器中。為了進一步增強產(chǎn)品，AZD-KRD 配備了無電池絕對系統(tǒng)和多種操作功能。本文將詳細解釋小型化是如何實現(xiàn)的。

一、簡介

替代人工的自動化設備的引入取得了進展。在前幾代產(chǎn)品中，驅動器安裝在控制面板內(nèi)，接線連接到電機。這種布線占用大量空間并且可能難以布線。此外，電纜會給電機增加額外的負載，這可能需要更大的電機來滿足更高的需求。布線是影響設備尺寸的因素之一。為了減少接線，需要將驅動器靠近電機放置，如圖 1 所示。

Oriental Motor 開發(fā)了 AZ 系列緊湊型驅動器（AZD-KRD），以滿足小型、輕量、減少接線的驅動器的需求。

2.驅動器小型化

2.1 優(yōu)化驅動界面

使驅動器更小的挑戰(zhàn)之一是如何減少連接器和開關占用的空間。AZD-KRD 將電源線和通信線整合到一個連接器中，將電機、編碼器和電磁制動器整合到另一個連接器中。AZD-KRD 由 RS-485 通信控制，因此可以移除開關和 I/O 連接器。通過使用我們的 MEXE02 支持軟件，可以通過專用 USB 連接從 PC 更改驅動程序設置。表 1 比較了傳統(tǒng)的 AZD-KD 和 AZD-KRD 迷你接口。圖 4 顯示了 AZD-KRD 連接器的布局。

2.2 高密度貼裝元器件

減小印刷電路板的尺寸可以減少電子元件的安裝面積。因此，有效利用板空間對于使驅動器更小是必不可少的。KRD采用表面貼裝連接器和無螺絲結構，有效利用電路板空間。使用通孔連接器時，電路板另一側的元件需要遠離焊點。這會導致 PBC 板上的空間浪費。AZD-KRD 采用表面貼裝型連接器，因此可以在同一區(qū)域安裝更多組件（圖 5）。

PCB 和散熱器通常用螺絲固定。用螺釘固定需要孔周圍有死角，從而防止元件或走線放置在附近，這實際上減少了元件的安裝表面。AZD-KRD 采用無螺絲設計，可實現(xiàn)最大的安裝表面。

外殼的所有四個側面都有閂鎖。PCB和散熱片夾在外殼和散熱器之間。外殼和散熱器在四個側面鎖定，如圖 7 所示。

2.3. 熱量措施

由于元器件的高密度貼裝，會增加發(fā)熱量，需要采取散熱措施。AZD-KRD 采用對策，將所有發(fā)熱元件放置在 PCB 的背面，在那里它們可以直接通過散熱片散熱（圖 9）。

當與 150x150x2 mm 鋁散熱器一起使用時，AZD-KRD 環(huán)境溫度規(guī)格為 0~50°C。但是，也可以使用其他尺寸和材料。散熱量難以預測，因此最好通過網(wǎng)絡通訊或專用軟件監(jiān)測 AZD-KRD 的內(nèi)部溫度。
在產(chǎn)生過熱警報之前，驅動器內(nèi)部溫度的閾值是 85°C。圖 10 顯示了環(huán)境溫度與散熱器尺寸不同時的工作負載之間的關系。
無論負載如何，步進電機驅動器都以恒定電流控制電機。然而，當轉速變高時，由于電機產(chǎn)生的反電動勢，流向電機的電流會減少。由于這種行為，驅動器在低速、恒定電流區(qū)域產(chǎn)生的熱量最多。圖 10 顯示了觸發(fā)過熱保護之前的工作限制。例如，使用 100x100x2 毫米散熱器的 48VDC 輸入驅動器可以在高達 50°C 的溫度下以 85% 的占空比運行。

2.4. 有效利用再生能源

AZD-KD內(nèi)置再生處理電路，產(chǎn)生的再生電力可消耗在各驅動器中。相反，由于驅動器旨在用于多軸菊花鏈連接，因此可以在驅動器之間有效地使用電機產(chǎn)生的再生電力。因此，電機產(chǎn)生的再生電能通過電源線配置回饋電源，每臺AZD-KRD驅動器都沒有內(nèi)置再生處理電路。
另一方面，根據(jù)運行條件、負載條件和連接臺數(shù)，驅動器之間可能無法完全消耗再生電力。為了滿足軸驅動和節(jié)拍時間短的運轉等產(chǎn)生更大再生功率的運轉的要求，我們計劃提供再生處理電路作為選項。

3.使用更少的接線

3.1. AZD-KRD接線

圖 11 是 AZD-KRD 接線示意圖的示例。電源和主機控制器放置在控制面板內(nèi)。電源和通信可以連接到同一個連接器。AZD-KRD 的菊花鏈功能允許驅動器為下一個驅動器供電并與其通信。距離主機控制器最遠的驅動器也需要一個終端電阻。

3.2. 減少布線的示例

圖 12 顯示了使用傳統(tǒng)驅動器與 AZD-KRD 的 7 軸機器人的接線比較。傳統(tǒng)的驅動器安裝在控制面板內(nèi)，每臺電機和傳感器電纜都將連接到單獨的電機。由于多根線纜捆綁布線，布線繁瑣，占用空間，增加機械臂質量。另一方面，AZD-KRD 可以靠近電機放置，并且通過簡化驅動器之間的布線，運動部件的總質量是傳統(tǒng)系統(tǒng)的四分之一。

3.3. 電纜延長距離

AZD-KRD為了減少配線，電源線和通信線使用共用電纜。但是，這會給系統(tǒng)帶來噪聲。
為此，AZD-KRD 在其電路中設計了一個噪聲濾波器。電纜越長，越容易受到噪音的影響，因此所有菊花鏈連接的總長度必須小于 5 米。電機電纜、編碼器電纜、電磁制動器電纜以配線的簡易性為中心，使用無屏蔽的導線。因此最大延伸距離為0.5米。

3.4. AZD-KRD直聯(lián)電機

為了減輕重量、減少布線并提高連接的便利性，傳統(tǒng)的屏蔽電纜被導線類型取代。AZD-KRD 的直接連接電機陣容可以直接連接到驅動器，也可以使用轉換電纜將標準 AZ 電機連接到 AZD-KRD。

4.功能

4.1. AZ 系列特點

AZD-KRD 是一種內(nèi)置于緊湊型驅動器中的無電池絕對系統(tǒng)。此外，還有各種操作和功能可用，例如存儲數(shù)據(jù)操作和簡單序列功能。
關節(jié)型機器人采用步進電機的優(yōu)點是：定位精度高、響應性高、調(diào)諧少、使用無電池絕對式編碼器可快速歸位。AZ 系列的標準安裝尺寸適用于 20 毫米至 60 毫米的電機尺寸。Oriental Motor 還提供齒輪電機、電動滑塊、電動缸、中空旋轉執(zhí)行器、電動夾具等多種產(chǎn)品系列。

4.2. 支持

ROS（機器人操作系統(tǒng)）是一種用于機器人的開源操作系統(tǒng)，由于它可以輕松地同時移動傳感器、執(zhí)行器和機器人，因此在全球范圍內(nèi)變得越來越流行。Oriental Motor 有一個 ROS 包，可以讓我們的產(chǎn)品通過 Modbus RTU 進行通信。圖 15 顯示了控制節(jié)點和 Modbus RTU 節(jié)點之間的配置示例。

主機設備和驅動程序之間的通信需要更高級別的設備創(chuàng)建查詢、發(fā)送查詢和處理響應。由于Modbus RTU包中包含了通訊定時、錯誤校驗等功能，因此無需編寫通訊代碼。

5.總結

AZD-KRD 是一種產(chǎn)品，具有更小、更輕的驅動器，減少了布線，專注于機器人應用。通過重新審視接口和結構，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，我們實現(xiàn)了尺寸的顯著減小。此外，驅動器可以安裝在電機附近，布線可以菊花鏈式連接，從而進一步減小系統(tǒng)尺寸。盡管體積小，AZD-KRD 配備了與其較大的兄弟姐妹相同的功能。有了可用的 ROS 包，它可以用于各種機器人應用程序。今后，我們將繼續(xù)開發(fā)滿足客戶需求的產(chǎn)品和技術。

審核編輯：湯梓紅