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&中國運動控制/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)技術研發(fā)技術瓶頸與解決方案的探索》整理。

正文|直驅(qū)技術研發(fā)技術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)

伺服電機產(chǎn)業(yè)狀態(tài)

關于伺服電機的產(chǎn)業(yè)狀態(tài)，根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，伺服電機在2020年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到130億，主要體現(xiàn)在新智能制造、新基建、工業(yè)機器人、醫(yī)療、激光、3C、新能源等領域。

國外占據(jù)中國直驅(qū)電機的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)公司考慮不能讓設備出問題，所以就需要有穩(wěn)定的產(chǎn)品，有穩(wěn)定的供應商，服務態(tài)度和服務質(zhì)量也會好很多。

發(fā)展

直線旋轉(zhuǎn)電機發(fā)展狀態(tài)

直線旋轉(zhuǎn)電機既可以做直線運動，也可以做旋轉(zhuǎn)運動。特點是控制精度高，體積小，重量輕。以前我們有一些行業(yè)，比如說貼片機、插線機、貼插機，都可以一臺直線電機結合一臺旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運動，它的運動部分很大，很笨重。

如果單用我們一個電機，實現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運動，它的體積會變得很小，右邊圖是我們公司做的一體式的直線旋轉(zhuǎn)電機，可以用于芯片的貼合、封裝，這些都可以用。

未來直線旋轉(zhuǎn)電機應用場景，從市場反饋情況來看，未來半導體、封裝、加工、測試，以及光學模組貼裝都需要直線旋轉(zhuǎn)電機，特點是精密、小巧。第二，工業(yè)機器人和精密數(shù)控機床也需要用到直線旋轉(zhuǎn)電機，這個要比現(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行焊接，這就是很典型的應用。未來的話，像芯片這種封裝，以及芯片內(nèi)部的封測，這些問題都需要高精密的直線旋轉(zhuǎn)電機來進行。因為芯片本身非常小，所以執(zhí)行裝置精度要求很高。第三個是機械臂上面需要用到一些直線旋轉(zhuǎn)電機。這一點我們的電機與傳統(tǒng)的兩個電機組合在一起的方式是比較有優(yōu)勢的。

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

直線精度，直線軸的偏擺達到3至4微米，因為從我們客戶反饋的信息來看，效果是非常好的。我們通過改進初軸的方式，以及機械結構，把偏擺做到3至4個微米，這個性能比競品性能高一些。當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，但是它的成本也會提高。其他公司能做的，我們公司也能做。

這是個典型的直線旋轉(zhuǎn)電機，這個電機行程為15毫米。普通直線旋轉(zhuǎn)電機的軸偏擺是1至2個絲，我們的電機只有3-5個微米。我們電機厚度是20個毫米，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，但對于絕大部分應用場景來說，這樣的厚度，這樣的參數(shù)，是可以用的。

對于軸的精度偏擺的問題，我們嘗試將軸進行處理，其他競品公司是沒有這種處理方式的。我們現(xiàn)在已經(jīng)申請專利，包括所有的電機結構，控制、驅(qū)動、算法都已經(jīng)申請專利。今年在電機及驅(qū)動器上總共申請專利技術有60項。60項有十幾項是發(fā)明專利，已經(jīng)授權的專利是達到四至五項。一至兩款驅(qū)動器，一共是80、90項專利，多少人完成呢？我們只用7、8個人來完成，這是公司目前的研發(fā)團隊對公司新產(chǎn)品的開發(fā)和知識層面的保護。

我們跟競品精度做了一個對比，這個軸偏擺精度是正負3個微米，我們在直線旋轉(zhuǎn)電機方面還是比較靠前。目前在國內(nèi)做直線旋轉(zhuǎn)電機不多，但是我們發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有很多公司開始布局，對這方面進行了開發(fā)。

我們前面講的這些東西都是兩個電機拼湊在一起，形成一個直線旋轉(zhuǎn)的運動形式。未來的旋轉(zhuǎn)電機是什么樣，其實應該是一體式的直線旋轉(zhuǎn)電機。

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

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

我們把電機優(yōu)化之后，做成體積更小一些的直線旋轉(zhuǎn)電機，國奧第二代電機分為內(nèi)外兩層，外面一層負責直線運動，里面負責旋轉(zhuǎn)運動。

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

我們也取得了一些檢測的報告，這是深圳計量院幫我們打的精度，取得的相關報告。

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

我們?yōu)橹本€旋轉(zhuǎn)電機開發(fā)了相應的驅(qū)動。此驅(qū)動器第一個特點就是集成了兩個軸，主流驅(qū)動一般有兩個驅(qū)動，一個負責直線，一個負責旋轉(zhuǎn)。我們是一個驅(qū)動帶兩個維度的運動。這個驅(qū)動器的性能不亞于現(xiàn)在市面上的主流驅(qū)動器，而成本是它的一半。

這個驅(qū)動器可以支持PMSM、音圈電機、BLDC直流有刷/無刷電機。我們也有相關的軟著陸、自抗擾、參數(shù)自動辨識等算法。還有獨特精準力控補償算法。現(xiàn)在力控精度在0.01N這個范圍已經(jīng)非常高。

那么要把力控的精度做高，可能需要將電機要設計得好，還有通過驅(qū)動控制算法要把力控進行補償。我這里分享一下我們做的一個力控的補償。

電機力控補償需要辨識很多參數(shù)的變化，包括動子質(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)電機的話，最終的競爭點會在這里，這個適合高校和研究院做這個事情，這個是需要花點時間。目前很多公司在做應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)槭裁醋觯P于算法的開發(fā)，我們覺得這一塊是可以實現(xiàn)的，未來就是一個趨勢。力推算法就需要對電機溫度、質(zhì)量辨識，電阻電感這些東西很容易辨識，但是需要更準確、更高效的辨識及控制算法。

剛才說了，我們公司的電機，包括驅(qū)動器，在今年一年，跟電機相關的就增加了60多項專利，其中發(fā)明專利19項。這個成績不是30、40個人去做，我們只是7、8個人做，所以這個工作強度很大

未來

直線旋轉(zhuǎn)電機發(fā)展目標和前景

未來的話，我相信不管是直線電機，還是直線旋轉(zhuǎn)電機，首先在結構上會有新突破，電機的結構只是一部分，結構優(yōu)化對電機出力只能提高多少呢？如果優(yōu)化好的話，可以提高5%至10%。還有一個是新材料，這個突破比電機機構上突破要更難。對于新材料的話，如果這一塊性能更好，我相信電機方面有質(zhì)的突破。比如說電機散熱的材料，結構件，導軌或承軌的鋼等，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用，應用市場的拓展。第四個是電機一體化，集成在一起，包括電機集成、驅(qū)控，電機集成可能有很多弊病，維護起來很難。所以電機要穩(wěn)定之后，再考慮集成。第五個是智能化，通過簡化通訊手段，人機交互手段等，來減少設備開發(fā)的難度。這是未來直線電機或直線旋轉(zhuǎn)電機未來的發(fā)展方向。

簡介

國奧科技

國奧科技（深圳）有限公司，由香港理工大學電力電子研究中心的博士團隊組成，并結合了華南理工大學、深圳大學及廣東工業(yè)大學的教授及博士團隊，專注于高精度運動控制設備及驅(qū)動、高精度直線電機及驅(qū)動、直線旋轉(zhuǎn)電機及驅(qū)動、智能制造、新能源，節(jié)能環(huán)保等領域的高、精、尖科技產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)，注重產(chǎn)品的先進性、高精度、智能化及可靠性，其中“一體式直線旋轉(zhuǎn)電機”在全球范圍內(nèi)處于行業(yè)領先的地位。“高精度直線電機”在定位精度方面處于全國領先。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)對進口設備的長期依賴，改變中國國產(chǎn)自動化設備水平低的現(xiàn)狀，改變半導體行業(yè)核心制造技術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