机器人伺服驱动器散热分析和计算.pdf

科学技术创新 2023.25引言机器人的应用需求呈不断上升的趋势；如何在机器人有限的空间内满足功率器件的散热需求，已成为机器人设计的关键技术和技术突破点之一。为避免高温引起的电子产品失效，必须对电力电子设备采用合理的散热技术1。在保证系统功能的同时，达到经济、体积小、高效和有效的散热越来越受到机器人行业的重视2。伺服驱动器是机器人系统中的核心部件，将直流电转化为驱动电的过程中，会产生大量的热量3。伺服驱动器需依靠散热器将绝大部分热量散发到外界热层中4，其中因为发热、散热引起的可靠性问题是关注的焦点5。本文以伺服驱动器的散热模型分析为起点，分析伺服驱动器在机器人腔体内的散热模型；并通过工程仿真的方式验证了理论分析和计算的合理性和可行性；为机器人伺服驱动系统的散热设计提供了理论指导依据。1伺服驱动器热系统驱动器热系统示意如图 1 所示。1.1驱动器热系统等效模型(见图 2)根据热阻-温升公式分别计算：（1）（2）（3）s1am aTTT107601.05KRPP45WWV机器人伺服驱动器散热分析和计算陈理辉*（东莞市李群自动化技术有限公司，广东 东莞）摘要：针对如何在机器人有限的空间满足伺服驱动器的散热，开展了机器人伺服驱动器的散热模型搭建、分析和计算。先对驱动器的散热系统进行了模型化分析和理论推导计算；接着，对机器人腔体散热系统进行了等效模型设计和散热理论计算；通过工程散热仿真，验证了分析和计算的合理性及可行性，为相关的机器人散热可靠性设计提供参考思路。关键词：机器人；伺服驱动；散热分析；散热计算；热系统中图分类号院TP242文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤25-0200-04s1s2s1 s2TTT10798.5R0.2K/WPP45WV通讯作者院陈理辉（1987-），男，硕士研究生，中级工程师，主要从事机器人驱控系统研究与开发。图 1驱动器热系统示意cac s1mas1 s2s2 s3naTTTRPRR/RRRP V总热阻200-2023.25 科学技术创新化简（4）（5）（6）注：Rjc 在本文未使用，因为温度传感器测量的是Tc 的温度，但在堵转、过载设计和测试过程中，需要依靠 Rjc 来反向计算 Tj 是否超温或有超温的趋势6。注：如果公式（6）分母小于等于 0 则表示：发热功率太小，无任何外置散热器也满足不了温升；如果 Rn-a臆0则表示：发热功率过大，无论多小热阻的散热器都无法满足该温升。1.2驱动器散热器热阻计算继续计算图 3 热阻分别为：（7）（8）（9）（10）化简公式（6）为：（11）2机器人热系统机器人腔体热系统示意见图 3。与驱动器热系统示意图不同的是，机器人热系统中多了两项参数：Rnp-a1与Ta1。2.1机器人热系统等效模型机器人热系统等效模型见图 4。2.2机器人散热热阻计算计算图 4 中热阻分别为：（12）（13）（14）化简为：（16）（17）因散热器的热阻 Rnq-a逸0，公式（16）可得：驻T臆0.26535*P；影响 IGBT 的壳温主要是腔体温度与外环境温度 驻Ta 的温升；只要改变机器人的散热能力，就控制了 IGBT 的壳温极限；在机器人模型设计中，可按照以下步骤评估散热能力：a.由 Ta1=Tc-0.26535*P 算出腔体允许最高温度；b.由 驻Ta=Ta1-Ta 算出腔体与外环境允许的最高图 2驱动器热系统（带外置散热器）等效模型图 3机器人腔体热系统示意图 4机器人热系统等效模型c s1s1 s2s2 s3nam am amas1 s2s2 s3naRRRRTRPRRRRRVc s1s1 s2s2 s3nam am am as1 s2s2 s3naTPRRRRRRRRRRV2m an am as1 s2s2 s3m ac s1RPRRRRRRPT Vcs1pastepaste333hRhss0.15*10m0.07 K/W30*10m38*10m2.0W/m km aR1.05K/W()1计算过程见公式s1 s2R0.2K/()W2计算过程见公式s2s3paste333hRs0.5*10m0.04K/W160*10m40*10m2.0W/mkna1.1025PR1.291.12PT Vcs1pastepaste333hRhss0.15*10m0.07K/W30*10m38*10m2.0W/m kma1R1.05K/W1)计算过程见公式(s1 s2R0.2K/W2)计算过程见公式(3s2 s333pasteh0.5*10mR0.04K/Ws160*10m40*10m2.0W/mknq a0.252PR1.29T0.07PV2aaanq aTTT1.531.535.16PPPR2VVV（15）201-科学技术创新 2023.25温升；c.由 驻Ta、P 代入公式（17），估算机器人的外表面散热热阻；d.由 Rn-a=0.5*Rnq-a等效实际机器人的散热热阻。3机器人散热设计流程第一步：机器人发热器件发热功率统计（见表 1）表 1机器人发热器件发热功率统计第二步：计算功率器件允许的最大 Ts3外置散热器高温区域温度公式：母线电源：驱动器 1：驱动器 2：注：根据逻辑电源产品规格书，其通常可以满足需求，故在此忽略计算。则功率器件最大 Ts3 为：则满足功率器件：第三步：计算非功率器件允许的最大 Ts3外置散热器高温区域温度公式：这里取：k=3（机器人外面有散热鳍片，且加额外的风扇，差距较大）；ka=0.1（主要通过金属传热，空气传热占发热源的 10%）；腔体环境温度 Ta1 最高为：85益；则：得最大热阻为：第四步：评估机器人本体的最终散热热阻需求。取两个热阻的最小值，机器人的外表面散热热阻不大于 0.102K/W；最后可得机器人的整体散热热阻4工程仿真与结论为验证本文计算推导的整体散热热阻是否合理，根据器件手册的工作温度范围进行仿真参数设置7，为简化仿真的模型，将发热器件等效到一个驱动器内，对此进行仿真（见图 5）。图 5 中，设定的环境温度为 60 毅C，在仿真模型达到热平衡后，经过记录和测量伺服驱动器关键器件的温升，满足器件的可工作范围，更是符合了设计的需图 5工程等效仿真设备类型 发热功耗（W）自身散热能力（W）AC/DC 高压母线电源 47 W 70 W AC/DC 低压逻辑电源 30 W 30 W 驱动器 1 76 W 45 W 驱动器 2 95 W 45 W 总功率统计 248 W s3_maxc_maxc s1s1 s2s2 s3s1 s2s2 s3CPUTTRRRPRRP每个驱动器s3_QBUS 3kW_maxT1200.10.570.14783s3_Cell 2kW_maxT1200.070.20.04760.24 1093.6s3_Cell 2kW_maxT1200.070.20.04950.24 1087.6s3_robot_maxT83s3_sys_maxanq a_maxLogic_totalTTRP1P2P3P4P83450.137K/W248W15W2maxs3_maxa1nq aCPULogic_totalCPUTTkRkaP1P2P3P4PP1kaPNs3_maxnq anq aT853R0.1 258300.9 10285113.4Rmaxnq anq anq a_max40 113.4 R85 113.4 R45R0.102K/W278W278Wnanq ak3RR0.1020.0765K/W1k13202-2023.25 科学技术创新Thermal Analysis and Calculation of RobotServo DriverChen Lihui*(Dongguan QKM Technology Co.,Ltd.,Dongguan,China)Abstract:Aiming at how to meet the heat dissipation of servo drives in the limited space of robots,thispaper carried out the construction,analysis and calculation of the heat dissipation model of robot servodrives.Firstly,the model analysis and theoretical calculation of the heat dissipation system of the driver arecarried out.Then,the equivalent model of the robot cavity heat dissipation system was designed and the heatdissipation theory calculation was carried out.Finally,the rationality and feasibility of the analysis and calcu原lation are verified by using the simulation for engineering heat dissipation test,which provides reference forthe related robot heat dissipation reliability design.Key words:robot;servodriver;thermal analysis;thermal calculation;thermal system求；验证了此计算过程的合理性和可行性。通过理论的分析和计算指导，以及工程仿真，验证了理论推导的合理性。这对机器人的散热设计提供了理论保障和指导意义，通过理论分析，可在设计中思考如何根据实际工程的客观限制因素，合理化地设计适合自身系统所使用的散热器。参考文献1章晓沛,余淑慧,王尧.伺服驱动器热设计研究J.东方汽轮械,2015,9（3）：69.2杨正绪,刘伟东,李悦韡.伺服驱动器散热设计J.机电一体化,2010（4）：78.3岳宗帅,林强强,李宏,等.伺服控制驱动模块热学仿真分析和散热系统设计J.中阿科技论坛（中英文），2022（5）：128.4史贤忠,杜佳星,刘缵阁,等.伺服驱动器散热器的热设计优化J.机电工程，2014,31（4）：473.5SEMIKRON,SEMIKRON_SKiiP_26AC066V1_25230710DBdatasheet.6尚斌,莫冰,王春川,等.伺服驱动器热仿真分析方法研究J.仿真建模与分析，2022，40（2）：1-5.7张志伟,王新才.硬件系统工程师宝典M.北京:电子工业出版社,2016.203-