3.6.3多軸機器人應用中DIPIPM™的健康管理
多軸機器人在工業控制領域是一個比較時髦的應用，也是工業4.0，中國制造2025里的重要內容。圖11就是一個典型的多軸機器人。其一共有6個受伺服電機控制的轉動軸，所以也被稱為6軸機器人。
圖11 6軸機器臂示意圖
前一節我們是針對一個已經設計好的門機變頻器進行校驗。看它是否能滿足多年的運行的條件。這次我們換個方向。如何從設計之初就考慮壽命問題。如何確定設計一款伺服驅動器能滿足多年運行的要求。
首先，重中之重的第一步是確定一下基本條件，就像表2這樣。
表2 伺服驅動器相關應用條件
然后是運行周期。同樣是運行50000小時，是以10s一個循環走還是以20s一個循環走，對循環次數的影響非常明顯。多軸機器人的最常見運動以急加速、急減速為特征的往復運動。圖12為伺服驅動器的運行模式示意圖。
圖12 伺服驅動器的運行模式示意圖
其中：
黃色：速度曲線
灰色：輸出電流曲線。
T1：加速時間。一般此時伺服驅動器會以允許的最大電流工作。我們假設T1=3s。
T2：整個運行循環的時間。我們假設T2=20s
那么在50000小時的壽命中，我們的伺服驅動器需要運行50000小時/20s=9M次
根據圖5的功率循環曲線和表2的1000ppm的損壞率要求。那么單次運行中ΔTj-c需要低于25℃。
可能有些讀者要說了，你都整了這么多了，模塊用哪個啊？是時候介紹我們的主角了。接下來有請我們新一代明星，PSS50S73F6。它是三菱電機第7代小型DIPIPM™。在兼容以前同封裝器件的基礎上，又把最大結溫提升到了175℃。讓我們看看，在表2的條件下PSS50S73F6可以跑到多少電流。
圖13 PSS50S73F6仿真界面
答案來了。Io=24Arms。也就是說PSS50S73F6在上述這些工況下，每10s跑一個24A有效值的電流，可以跑50000小時。
另外需要說明的是這個電流是在無限散熱支持下，需要重復運行的電流。怎么理解？
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伺服驅動器并不具備無限散熱能力。設計條件中的Ts=90℃是需要實踐驗證的，你設計的散熱器､風道､風扇是否足以將相應的熱量帶走。
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既然是需要重復運行，那就涉及到周期，多久跑一次。如果周期更短，周期數更多，相應需要更低的ΔTj-c和更低的運行電流。
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對于伺服驅動器來說除了需要重復運行的電流，還有不需要重復運行的電流，比如堵轉。此類工況的仿真主要涉及到Tjmax的仿真。待會我們來詳細說說。
我們現在中場休息。廣告之后馬上回來。
好了，我們下半場開始。下半場我們詳細講講堵轉工況的仿真。
首先什么是堵轉？字面意義上理解，電機由于外部機械原因導致不能轉動。沒錯，這是被動的堵轉。相應的還會有主動的“堵轉”。當然一般也不會叫這個名字。一般會被叫做‘驅動器使能’或者‘力矩保持’等等。兩者的異同主要如表3所示。
表3 主動堵轉和被動堵轉的異同
這一節呢，我們主要講一講由于機械原因導致的被動堵轉。當這種堵轉發生時，我們需要以怎么樣的方式去設置保護點。我們還是羅列一下工作條件，如表4。
表4 堵轉工況仿真條件
好了，我們來看一下仿真結果，圖14。由于PSS50S73F6最大結溫為175℃，它的最大運行結溫可以到150℃。當Io=23.5Arms或者說Io=33.2Apeak時，ΔTj-c(max)=52.36℃，Tj(max)=150.87℃。這基本上就是我們的堵轉保護的極限值。
圖14 PSS50S73F6堵轉仿真
既然如此，我就再說說這其中的其他幾個坑。
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首先，交流還是直流？驅動器中常見的電流計算方式是電流峰值/1.414=交流有效值。當在交流情況下，這樣的計算沒有問題。但是如果出現堵轉，情況就不一樣了。我們來看表5。發現問題了么？你以為是10Arms的交流電，實際上可能是14Arms/peak的直流電。
表5 交流電還是直流電
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接下來是仿真頻率的問題。首先當Fo<10Hz以下時，ΔTj-c(max)和Tj(max)逐漸變大到不可忽視的程度。其次選用多少頻率進行上述仿真，各個公司習慣不太一樣。我的習慣是伺服驅動器用1Hz來仿真，通用變頻器用5Hz來仿真。
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剛才仿真出來的ΔTj-c(max)=52.36℃，對應循環次數大約是10萬次。對于單次堵轉來說無所謂。但是如果該工況是需要重復出現的，可以考慮限制ΔTj-c(max)≤40℃。對應的壽命大約為100萬次。
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最后是散熱器溫度事情。如前所述，Ts=90℃是一個理想散熱下能夠維持的溫度。但是沒有一個散熱系統是理想的。如果堵轉只發生1-2s，我們可以忽略散熱器溫度的變化。畢竟150℃到175℃還有25℃的余量。但是如果這個堵轉要持續10s，散熱器溫度的變化不可忽視。在這10s里，散熱器溫度會逐漸升高，并推動Tj逐漸升高，直到最終損壞。
好了，就這樣吧，下課。
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