機器人伺服驅動器散熱分析和計算

陳理輝*

（東莞市李群自動化技術有限公司，廣東 東莞）

引言

機器人的應用需求呈不斷上升的趨勢；如何在機器人有限的空間內滿足功率器件的散熱需求，已成為機器人設計的關鍵技術和技術突破點之一。為避免高溫引起的電子產品失效，必須對電力電子設備采用合理的散熱技術[1]。在保證系統功能的同時，達到經濟、體積小、高效和有效的散熱越來越受到機器人行業的重視[2]。伺服驅動器是機器人系統中的核心部件，將直流電轉化為驅動電的過程中，會產生大量的熱量[3]。伺服驅動器需依靠散熱器將絕大部分熱量散發到外界熱層中[4]，其中因為發熱、散熱引起的可靠性問題是關注的焦點[5]。本文以伺服驅動器的散熱模型分析為起點，分析伺服驅動器在機器人腔體內的散熱模型；并通過工程仿真的方式驗證了理論分析和計算的合理性和可行性；為機器人伺服驅動系統的散熱設計提供了理論指導依據。

1 伺服驅動器熱系統

驅動器熱系統示意如圖1 所示。

圖1 驅動器熱系統示意

1.1 驅動器熱系統等效模型(見圖2)

圖2 驅動器熱系統（帶外置散熱器）等效模型

根據熱阻-溫升公式分別計算：

1.2 驅動器散熱器熱阻計算

繼續計算圖3 熱阻分別為：

圖3 機器人腔體熱系統示意

2 機器人熱系統

機器人腔體熱系統示意見圖3。

與驅動器熱系統示意圖不同的是，機器人熱系統中多了兩項參數：[Rnp-a1]與[Ta1]。

2.1 機器人熱系統等效模型

機器人熱系統等效模型見圖4。

圖4 機器人熱系統等效模型

2.2 機器人散熱熱阻計算

計算圖4 中熱阻分別為：

化簡為：

因散熱器的熱阻Rnq-a≥0，公式（16）可得：ΔT≤0.26535*P；影響IGBT 的殼溫主要是腔體溫度與外環境溫度ΔTa 的溫升；只要改變機器人的散熱能力，就控制了IGBT 的殼溫極限；

在機器人模型設計中，可按照以下步驟評估散熱能力：a.由Ta1=Tc-0.26535*P 算出腔體允許最高溫度；b.由ΔTa=Ta1-Ta 算出腔體與外環境允許的最高溫升；c.由ΔTa、P 代入公式（17），估算機器人的外表面散熱熱阻；d.由Rn-a=0.5*Rnq-a等效實際機器人的散熱熱阻。

3 機器人散熱設計流程

第一步：機器人發熱器件發熱功率統計（見表1）

表1 機器人發熱器件發熱功率統計

第二步：計算功率器件允許的最大Ts3[外置散熱器高溫區域溫度]

公式：

注：根據邏輯電源產品規格書，其通常可以滿足需求，故在此忽略計算。

則功率器件最大Ts3 為：

第三步：計算非功率器件允許的最大Ts3[外置散熱器高溫區域溫度]

公式：

這里?。簁=3（機器人外面有散熱鰭片，且加額外的風扇，差距較大）；ka=0.1（主要通過金屬傳熱，空氣傳熱占發熱源的10%）；腔體環境溫度Ta1 最高為：85℃；

則：

第四步：評估機器人本體的最終散熱熱阻需求。

取兩個熱阻的最小值，機器人的外表面散熱熱阻不大于0.102K/W；

最后可得機器人的整體散熱熱阻

4 工程仿真與結論

為驗證本文計算推導的整體散熱熱阻是否合理，根據器件手冊的工作溫度范圍進行仿真參數設置[7]，為簡化仿真的模型，將發熱器件等效到一個驅動器內，對此進行仿真（見圖5）。

圖5 工程等效仿真

圖5 中，設定的環境溫度為60 °C，在仿真模型達到熱平衡后，經過記錄和測量伺服驅動器關鍵器件的溫升，滿足器件的可工作范圍，更是符合了設計的需求；驗證了此計算過程的合理性和可行性。

通過理論的分析和計算指導，以及工程仿真，驗證了理論推導的合理性。這對機器人的散熱設計提供了理論保障和指導意義，通過理論分析，可在設計中思考如何根據實際工程的客觀限制因素，合理化地設計適合自身系統所使用的散熱器。