3.6.3多轴机器人应用中DIPIPM™的健康管理
多轴机器人在工业控制领域是一个比较时髦的应用，也是工业4.0，中国制造2025里的重要内容。图11就是一个典型的多轴机器人。其一共有6个受伺服电机控制的转动轴，所以也被称为6轴机器人。
图11 6轴机器臂示意图
前一节我们是针对一个已经设计好的门机变频器进行校验。看它是否能满足多年的运行的条件。这次我们换个方向。如何从设计之初就考虑寿命问题。如何确定设计一款伺服驱动器能满足多年运行的要求。
首先，重中之重的第一步是确定一下基本条件，就像表2这样。
表2 伺服驱动器相关应用条件
然后是运行周期。同样是运行50000小时，是以10s一个循环走还是以20s一个循环走，对循环次数的影响非常明显。多轴机器人的最常见运动以急加速、急减速为特征的往复运动。图12为伺服驱动器的运行模式示意图。
图12 伺服驱动器的运行模式示意图
其中：
黄色：速度曲线
灰色：输出电流曲线。
T1：加速时间。一般此时伺服驱动器会以允许的最大电流工作。我们假设T1=3s。
T2：整个运行循环的时间。我们假设T2=20s
那么在50000小时的寿命中，我们的伺服驱动器需要运行50000小时/20s=9M次
根据图5的功率循环曲线和表2的1000ppm的损坏率要求。那么单次运行中ΔTj-c需要低于25℃。
可能有些读者要说了，你都整了这么多了，模块用哪个啊？是时候介绍我们的主角了。接下来有请我们新一代明星，PSS50S73F6。它是三菱电机第7代小型DIPIPM™。在兼容以前同封装器件的基础上，又把最大结温提升到了175℃。让我们看看，在表2的条件下PSS50S73F6可以跑到多少电流。
图13 PSS50S73F6仿真界面
答案来了。Io=24Arms。也就是说PSS50S73F6在上述这些工况下，每10s跑一个24A有效值的电流，可以跑50000小时。
另外需要说明的是这个电流是在无限散热支持下，需要重复运行的电流。怎么理解？
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伺服驱动器并不具备无限散热能力。设计条件中的Ts=90℃是需要实践验证的，你设计的散热器､风道､风扇是否足以将相应的热量带走。
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既然是需要重复运行，那就涉及到周期，多久跑一次。如果周期更短，周期数更多，相应需要更低的ΔTj-c和更低的运行电流。
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对于伺服驱动器来说除了需要重复运行的电流，还有不需要重复运行的电流，比如堵转。此类工况的仿真主要涉及到Tjmax的仿真。待会我们来详细说说。
我们现在中场休息。广告之后马上回来。
好了，我们下半场开始。下半场我们详细讲讲堵转工况的仿真。
首先什么是堵转？字面意义上理解，电机由于外部机械原因导致不能转动。没错，这是被动的堵转。相应的还会有主动的“堵转”。当然一般也不会叫这个名字。一般会被叫做‘驱动器使能’或者‘力矩保持’等等。两者的异同主要如表3所示。
表3 主动堵转和被动堵转的异同
这一节呢，我们主要讲一讲由于机械原因导致的被动堵转。当这种堵转发生时，我们需要以怎么样的方式去设置保护点。我们还是罗列一下工作条件，如表4。
表4 堵转工况仿真条件
好了，我们来看一下仿真结果，图14。由于PSS50S73F6最大结温为175℃，它的最大运行结温可以到150℃。当Io=23.5Arms或者说Io=33.2Apeak时，ΔTj-c(max)=52.36℃，Tj(max)=150.87℃。这基本上就是我们的堵转保护的极限值。
图14 PSS50S73F6堵转仿真
既然如此，我就再说说这其中的其他几个坑。
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首先，交流还是直流？驱动器中常见的电流计算方式是电流峰值/1.414=交流有效值。当在交流情况下，这样的计算没有问题。但是如果出现堵转，情况就不一样了。我们来看表5。发现问题了么？你以为是10Arms的交流电，实际上可能是14Arms/peak的直流电。
表5 交流电还是直流电
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接下来是仿真频率的问题。首先当Fo<10Hz以下时，ΔTj-c(max)和Tj(max)逐渐变大到不可忽视的程度。其次选用多少频率进行上述仿真，各个公司习惯不太一样。我的习惯是伺服驱动器用1Hz来仿真，通用变频器用5Hz来仿真。
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刚才仿真出来的ΔTj-c(max)=52.36℃，对应循环次数大约是10万次。对于单次堵转来说无所谓。但是如果该工况是需要重复出现的，可以考虑限制ΔTj-c(max)≤40℃。对应的寿命大约为100万次。
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最后是散热器温度事情。如前所述，Ts=90℃是一个理想散热下能够维持的温度。但是没有一个散热系统是理想的。如果堵转只发生1-2s，我们可以忽略散热器温度的变化。毕竟150℃到175℃还有25℃的余量。但是如果这个堵转要持续10s，散热器温度的变化不可忽视。在这10s里，散热器温度会逐渐升高，并推动Tj逐渐升高，直到最终损坏。
好了，就这样吧，下课。
