AZD-KRD（AZ系列小型驅動器）開發

近年來，關節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產品更小。這是通過以下方式實現的：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。為了進一步增強產品，AZD-KRD 配備了無電池絕對系統和多種操作功能。本文將詳細解釋小型化是如何實現的。

一、簡介

替代人工的自動化設備的引入取得了進展。在前幾代產品中，驅動器安裝在控制面板內，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 優化驅動界面

使驅動器更小的挑戰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，會增加發熱量，需要采取散熱措施。AZD-KRD 采用對策，將所有發熱元件放置在 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 環境溫度規格為 0~50°C。但是，也可以使用其他尺寸和材料。散熱量難以預測，因此最好通過網絡通訊或專用軟件監測 AZD-KRD 的內部溫度。
在產生過熱警報之前，驅動器內部溫度的閾值是 85°C。圖 10 顯示了環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、恒定電流區域產生的熱量最多。圖 10 顯示了觸發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內置再生處理電路，產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生的再生電力。因此，電機產生的再生電能通過電源線配置回饋電源，每臺AZD-KRD驅動器都沒有內置再生處理電路。
另一方面，根據運行條件、負載條件和連接臺數，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拍時間短的運轉等產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。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 顯示了使用傳統驅動器與 AZD-KRD 的 7 軸機器人的接線比較。傳統的驅動器安裝在控制面板內，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系統的四分之一。

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直聯電機

為了減輕重量、減少布線并提高連接的便利性，傳統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 是一種內置于緊湊型驅動器中的無電池絕對系統。此外，還有各種操作和功能可用，例如存儲數據操作和簡單序列功能。
關節型機器人采用步進電機的優點是：定位精度高、響應性高、調諧少、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、中空旋轉執行器、電動夾具等多種產品系列。

4.2. 支持

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

主機設備和驅動程序之間的通信需要更高級別的設備創建查詢、發送查詢和處理響應。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，與傳統產品相比，我們實現了尺寸的顯著減小。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，我們將繼續開發滿足客戶需求的產品和技術。

審核編輯：湯梓紅