此文是國奧科技(深圳)有限公司CTO鄒宇博士在12月17日“智能制造&中國運(yùn)動(dòng)控制/直驅(qū)行業(yè)發(fā)展高峰論壇直驅(qū)分論壇的主題演講《直驅(qū)技術(shù)研發(fā)技術(shù)瓶頸與解決方案的探索》整理。

正文|直驅(qū)技術(shù)研發(fā)技術(shù)瓶頸與解決方案的探索

我今天主要講一下我們公司直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)開發(fā)的一些產(chǎn)品和未來開發(fā)的方向。

狀態(tài)

伺服電機(jī)產(chǎn)業(yè)狀態(tài)

關(guān)于伺服電機(jī)的產(chǎn)業(yè)狀態(tài)，根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，伺服電機(jī)在2020年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到130億，主要體現(xiàn)在新智能制造、新基建、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療、激光、3C、新能源等領(lǐng)域。

國外占據(jù)中國直驅(qū)電機(jī)的60%以上的市場，主要是集中在高端市場。為什么呢？主要是國外的產(chǎn)品穩(wěn)定性更高，一致性更好，用戶能友好地開發(fā)或使用。大多數(shù)公司考慮不能讓設(shè)備出問題，所以就需要有穩(wěn)定的產(chǎn)品，有穩(wěn)定的供應(yīng)商，服務(wù)態(tài)度和服務(wù)質(zhì)量也會(huì)好很多。

發(fā)展

直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)展?fàn)顟B(tài)

直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)既可以做直線運(yùn)動(dòng)，也可以做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)是控制精度高，體積小，重量輕。以前我們有一些行業(yè)，比如說貼片機(jī)、插線機(jī)、貼插機(jī)，都可以一臺(tái)直線電機(jī)結(jié)合一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)部分很大，很笨重。

如果單用我們一個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它的體積會(huì)變得很小，右邊圖是我們公司做的一體式的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，可以用于芯片的貼合、封裝，這些都可以用。

未來直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)用場景，從市場反饋情況來看，未來半導(dǎo)體、封裝、加工、測(cè)試，以及光學(xué)模組貼裝都需要直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，特點(diǎn)是精密、小巧。第二，工業(yè)機(jī)器人和精密數(shù)控機(jī)床也需要用到直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，這個(gè)要比現(xiàn)在做的產(chǎn)品功率大很多。我剛才說到做芯片的貼合、貼裝，將芯片貼在基板上進(jìn)行焊接，這就是很典型的應(yīng)用。未來的話，像芯片這種封裝，以及芯片內(nèi)部的封測(cè)，這些問題都需要高精密的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)來進(jìn)行。因?yàn)樾酒旧矸浅Ｐ。詧?zhí)行裝置精度要求很高。第三個(gè)是機(jī)械臂上面需要用到一些直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)。這一點(diǎn)我們的電機(jī)與傳統(tǒng)的兩個(gè)電機(jī)組合在一起的方式是比較有優(yōu)勢(shì)的。

這是我們公司今年開發(fā)的部分產(chǎn)品，我們初步開發(fā)了八九個(gè)類型類似于競品結(jié)構(gòu)的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，并且我們的旋轉(zhuǎn)精度是17位的，這個(gè)精度比競品的部分電機(jī)產(chǎn)品還高一些。

直線精度，直線軸的偏擺達(dá)到3至4微米，因?yàn)閺奈覀兛蛻舴答伒男畔砜矗Ч欠浅：玫?。我們通過改進(jìn)初軸的方式，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)，把偏擺做到3至4個(gè)微米，這個(gè)性能比競品性能高一些。當(dāng)然市場上其他公司是否可以做到這么高的精度呢？可以做到，但是它的成本也會(huì)提高。其他公司能做的，我們公司也能做。

這是個(gè)典型的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，這個(gè)電機(jī)行程為15毫米。普通直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)的軸偏擺是1至2個(gè)絲，我們的電機(jī)只有3-5個(gè)微米。我們電機(jī)厚度是20個(gè)毫米，也是做得很薄。有的公司能做到16毫米、13毫米，我們目前雖然還做不到，但對(duì)于絕大部分應(yīng)用場景來說，這樣的厚度，這樣的參數(shù)，是可以用的。

對(duì)于軸的精度偏擺的問題，我們嘗試將軸進(jìn)行處理，其他競品公司是沒有這種處理方式的。我們現(xiàn)在已經(jīng)申請(qǐng)專利，包括所有的電機(jī)結(jié)構(gòu)，控制、驅(qū)動(dòng)、算法都已經(jīng)申請(qǐng)專利。今年在電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器上總共申請(qǐng)專利技術(shù)有60項(xiàng)。60項(xiàng)有十幾項(xiàng)是發(fā)明專利，已經(jīng)授權(quán)的專利是達(dá)到四至五項(xiàng)。一至兩款驅(qū)動(dòng)器，一共是80、90項(xiàng)專利，多少人完成呢？我們只用7、8個(gè)人來完成，這是公司目前的研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)公司新產(chǎn)品的開發(fā)和知識(shí)層面的保護(hù)。

我們跟競品精度做了一個(gè)對(duì)比，這個(gè)軸偏擺精度是正負(fù)3個(gè)微米，我們?cè)谥本€旋轉(zhuǎn)電機(jī)方面還是比較靠前。目前在國內(nèi)做直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)不多，但是我們發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有很多公司開始布局，對(duì)這方面進(jìn)行了開發(fā)。

我們前面講的這些東西都是兩個(gè)電機(jī)拼湊在一起，形成一個(gè)直線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)形式。未來的旋轉(zhuǎn)電機(jī)是什么樣，其實(shí)應(yīng)該是一體式的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

我在讀書期間對(duì)直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)做過一些開發(fā)和研究，我發(fā)現(xiàn)一體式的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)會(huì)更加緊湊，一體式裝配的零件越少，裝配的誤差就越少，同樣電機(jī)整體的裝配誤差、公差、推測(cè)誤差等，從理論上來講，更容易達(dá)到高精度。

這是我原來做的一個(gè)功率很大的一體式直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它既可以做直線運(yùn)動(dòng)，也可以做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

我們把電機(jī)優(yōu)化之后，做成體積更小一些的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，國奧第二代電機(jī)分為內(nèi)外兩層，外面一層負(fù)責(zé)直線運(yùn)動(dòng)，里面負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

這是我們做的第二代一體式直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)的視頻。同樣做了力控制的測(cè)試。當(dāng)時(shí)我們力控在0.1N，現(xiàn)在已經(jīng)可以做到0.01N。

我們也取得了一些檢測(cè)的報(bào)告，這是深圳計(jì)量院幫我們打的精度，取得的相關(guān)報(bào)告。

這是今年在一體式直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)方面做的更小重量的直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直徑為40mm。前面兩個(gè)個(gè)頭比較大，用于實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)備里面并不太多，未來我們力求將這個(gè)產(chǎn)品做得更小、更緊密。

我們?yōu)橹本€旋轉(zhuǎn)電機(jī)開發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。此驅(qū)動(dòng)器第一個(gè)特點(diǎn)就是集成了兩個(gè)軸，主流驅(qū)動(dòng)一般有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)負(fù)責(zé)直線，一個(gè)負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)。我們是一個(gè)驅(qū)動(dòng)帶兩個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器的性能不亞于現(xiàn)在市面上的主流驅(qū)動(dòng)器，而成本是它的一半。

這個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以支持PMSM、音圈電機(jī)、BLDC直流有刷/無刷電機(jī)。我們也有相關(guān)的軟著陸、自抗擾、參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)等算法。還有獨(dú)特精準(zhǔn)力控補(bǔ)償算法。現(xiàn)在力控精度在0.01N這個(gè)范圍已經(jīng)非常高。

那么要把力控的精度做高，可能需要將電機(jī)要設(shè)計(jì)得好，還有通過驅(qū)動(dòng)控制算法要把力控進(jìn)行補(bǔ)償。我這里分享一下我們做的一個(gè)力控的補(bǔ)償。

電機(jī)力控補(bǔ)償需要辨識(shí)很多參數(shù)的變化，包括動(dòng)子質(zhì)量、摩擦力、電流的紋波、線圈溫度等。相信如果做成直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)的話，最終的競爭點(diǎn)會(huì)在這里，這個(gè)適合高校和研究院做這個(gè)事情，這個(gè)是需要花點(diǎn)時(shí)間。目前很多公司在做應(yīng)用方面的改變和拓展，真正做核心研發(fā)的公司非常少。我們?yōu)槭裁醋?，關(guān)于算法的開發(fā)，我們覺得這一塊是可以實(shí)現(xiàn)的，未來就是一個(gè)趨勢(shì)。力推算法就需要對(duì)電機(jī)溫度、質(zhì)量辨識(shí)，電阻電感這些東西很容易辨識(shí)，但是需要更準(zhǔn)確、更高效的辨識(shí)及控制算法。

剛才說了，我們公司的電機(jī)，包括驅(qū)動(dòng)器，在今年一年，跟電機(jī)相關(guān)的就增加了60多項(xiàng)專利，其中發(fā)明專利19項(xiàng)。這個(gè)成績不是30、40個(gè)人去做，我們只是7、8個(gè)人做，所以這個(gè)工作強(qiáng)度很大

未來

直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)展目標(biāo)和前景

未來的話，我相信不管是直線電機(jī)，還是直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)，首先在結(jié)構(gòu)上會(huì)有新突破，電機(jī)的結(jié)構(gòu)只是一部分，結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)電機(jī)出力只能提高多少呢？如果優(yōu)化好的話，可以提高5%至10%。還有一個(gè)是新材料，這個(gè)突破比電機(jī)機(jī)構(gòu)上突破要更難。對(duì)于新材料的話，如果這一塊性能更好，我相信電機(jī)方面有質(zhì)的突破。比如說電機(jī)散熱的材料，結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)軌或承軌的鋼等，這些東西我們公司研發(fā)不了，這些東西的研發(fā)是屬于比較大的公司考慮的或一些國家戰(zhàn)略，新材料是很重要的。我們公司要做的是新應(yīng)用，應(yīng)用市場的拓展。第四個(gè)是電機(jī)一體化，集成在一起，包括電機(jī)集成、驅(qū)控，電機(jī)集成可能有很多弊病，維護(hù)起來很難。所以電機(jī)要穩(wěn)定之后，再考慮集成。第五個(gè)是智能化，通過簡化通訊手段，人機(jī)交互手段等，來減少設(shè)備開發(fā)的難度。這是未來直線電機(jī)或直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)未來的發(fā)展方向。

簡介

國奧科技

國奧科技（深圳）有限公司，由香港理工大學(xué)電力電子研究中心的博士團(tuán)隊(duì)組成，并結(jié)合了華南理工大學(xué)、深圳大學(xué)及廣東工業(yè)大學(xué)的教授及博士團(tuán)隊(duì)，專注于高精度運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備及驅(qū)動(dòng)、高精度直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、智能制造、新能源，節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域的高、精、尖科技產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)，注重產(chǎn)品的先進(jìn)性、高精度、智能化及可靠性，其中“一體式直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)”在全球范圍內(nèi)處于行業(yè)領(lǐng)先的地位?！案呔戎本€電機(jī)”在定位精度方面處于全國領(lǐng)先。公司的理念是“因科技，而變革”，旨在用科技的力量，改變中國高端制造行業(yè)對(duì)進(jìn)口設(shè)備的長期依賴，改變中國國產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備水平低的現(xiàn)狀，改變半導(dǎo)體行業(yè)核心制造技術(shù)被西方國家壟斷的局面。

圖：演講人國奧科技(深圳)有限公司CTO鄒宇博士