伺服電機的選型計算方法

1、伺服電機的選型計算方法2012-4-17 10:51:00來源：kingservo1、 伺服電機和步進電機的性能比較步進電機作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數字控制技術有著本質的聯(lián)系。在目前國內的數字控制系統(tǒng)中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統(tǒng)中。為了適應數字控制的發(fā)展趨勢， 運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二 者的使用性能作一比較。一、控制精度不同兩相混合式步進電機步距角一般為1.8 、0.9 ,五相混

2、合式步進電機步距角一般為0.72 、0.36。也有一些高性能的步進電機通過細分后步距角更小。如山洋公司（SANYO DENKI生產的二相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8 、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036,兼容了兩相和五相混合 式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以京伺服（KINGSERVO）全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360 /10000=0.036。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收131072個脈沖電機轉一圈，即

3、其脈沖當量為360 /131072=0.0027466 ,是步距角為1.8的步進電機的脈沖當量的1/655。二、低頻特性不同步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能（FFT）,可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)

4、調整。三、矩頻特性不同步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300600RPM交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。四、過載能力不同步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以京伺服（KINGSERVO流伺服系統(tǒng)為例， 它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的

5、轉矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。五、運行性能不同步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。六、速度響應性能不同步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以京伺服(KINGSERVO)400快流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。綜上所

6、述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。1.負載慣量的計算。由電機驅動的所有運動部件，無論旋轉運動的部件，還是直線運動的部件， 都成為電機的負載慣量。電機軸上的負載總慣量可以通過計算各個被驅動的 部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到。1)圓柱體慣量如滾珠絲杠，齒輪等圍繞其中心軸旋轉時的慣量可按下面公式計算：J=(兀丫/32)*D4L(kg cm2)如機構為鋼材，則可按下面公式計算：J=(0.78*10-6)*D4L(kg cm2)式中：丫材料的密

7、度(kg/cm2)D圓柱體的直經(cm) L圓柱體的長度(cm)2)軸向移動物體的慣量工件，工作臺等軸向移動物體的慣量，可由下面公式得出：J=W*(L/2兀)2 (kg cm2)式中：W直線移動物體的重量(kg)L電機每轉在直線方向移動的距離(cm)3)圓柱體圍繞中心運動時的慣量如圖所示：圓柱體圍繞中心運動時的慣量屬于這種情況的例子：如大直經的齒輪，為了減少慣量，往往在圓盤上挖出分布均勻的孔這時的慣量可以這樣計算： J=Jo+W*R2(kg cm2)式中:Jo為圓柱體圍繞其中心線旋轉時的慣量(kgcm2)W圓柱體的重量(kg)R旋轉半徑(cm)4)相對電機軸機械變速的慣量計算將上圖所示的負載慣

8、量Jo折算到電機軸上的計算方法如下：J=(N1/N2)2Jo式中：N1 N2為齒輪的齒數2. 53.電機加速或減速時的轉矩電機加速或減速時的轉矩1)按線性加減速時加速轉矩計算如下： Ta=(2兀Vm/60*104) *1/ta(Jm+JL)(1-e-ks。ta) Vr=Vm(1-1/ta.ks(1-e-ksta) Ta加速轉矩(N.M) Vm快速移動時的電機轉速(r/min) Ta加速時間(sec) Jm電機慣量(N.m.s2)JL負載慣量(N.m.s2) V r加速轉矩開始減少的點Ks伺服系統(tǒng)位置環(huán)增益(sec-1)電機按指數曲線加速時的加速轉矩曲線此時，速度為零的轉矩To可由下面公式給出：

9、To=(2兀Vm/60*104) *1/te(Jm+JL)Te指數曲線加減速時間常數2)當輸入階段性速度指令時。這時的加速轉矩Ta相當于To,可由下面公式求得(ts=ks) ,Ta=(2兀Vm/60*104)*1/ts(Jm+JL)。1.工作機械頻繁啟動，制動時所需轉矩。當工作機械作頻繁啟動，制動時，必須檢查電機是否過熱，為此需計算在一 個周期內電機轉矩的均方根值，并且應使此均方根值小于電機的連續(xù)轉矩。電機的均方根值：Trms=/ (Ta+Tf)2t1+Tf2t2+(Ta-Tf)2t1+To2t3/T周式中：Ta加速轉矩(N.M) Tf摩擦轉矩(N.M) To在停止期間的轉矩(N。M) t1t

10、2t3t周 所知的時間。t1t2t3t周 所知的時間示意圖4.負載周期性變化的轉矩計算也需要計算出一個周期中的轉矩均方根值Trms。且該值小于額定轉矩。這樣電機才不會過熱，正常工作。負載慣量與電機的響應和快速移動ACC/DEC寸間息息相關。帶大慣量負載時，當速度指令變化時，電機需較長的時間才能到達這一速度，當二軸同步插補 進行圓弧高速切削時大慣量的負載產生的誤差會比小慣量的大一些。通常，當負載慣量小于電機慣量時上述提及的問題一般不會發(fā)生。如果高于5倍馬達轉子慣量，一般伺服會出現(xiàn)不良反應，像高速激光切割機床，在設計 時就要考慮負載慣量低于電機轉子慣量。伺服電機的選型計算方法注意三點：轉數 扭矩

11、慣量最主要的就是扭矩，無論電機如何安裝，都要計算轉動扭矩，停 止及啟動電機轉動慣量轉數其次:一般伺服電機沒有直接安裝使用，都要配減速頭使用， 配減速頭使用有兩個目的，第一增加傳動使用扭矩，第二保護電 機在轉動時不讓電機軸受力如圖所示要計算使用電機功率方法如下1首先要知道主動盤直徑，重量，知道直徑是計算轉動慣量，知道重量是計算轉動盤 如果轉動需要多大扭矩，由于電機白身扭矩不大，所以選用伺服 電機時配合上減速頭使用，就能有效提高輸出扭矩。2經過計算 已知伺服電機功率是多少，下面開始選擇電機轉速，電機轉速是 根據電機使用工況決定，例如：客戶要求轉動節(jié)拍5秒一圈，已 經計算出轉動轉盤需要50N那么就選用200w電機，電機白身輸出扭矩1.2Nm在這個扭矩值上加一個減速頭，放大輸出扭矩 值，該減速頭選用1:20使用這個減速頭可以將輸出扭矩放大到70Nm，大于實際使用扭矩值。如果選用3000轉