伺服電機如何進行選型

伺服電機如何進行選型 伺服電機選型技術(shù)指南1、機電領(lǐng)域中伺服電機的選擇原則現(xiàn)代機電行業(yè)中經(jīng)常會碰到一些復雜的運動，這對電機的動力荷載有很大影響。伺服驅(qū)動裝置是許多機電系統(tǒng)的核心，因此，伺服電機的選擇就變得尤為重要。首先要選出滿足給定負載要求的電動機，然后再從中按價格、重量、體積等技術(shù)經(jīng)濟指標選擇最適合的電機。各種電機的T-曲線（1）傳統(tǒng)的選擇方法 這里只考慮電機的動力問題，對于直線運動用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表示，對于旋轉(zhuǎn)運動用角速度(t)，角加速度(t)和所需扭矩T(t)表示，它們均可以表示為時間的函數(shù)，與其他因素無關(guān)。很顯然。電機的最大功率P電機，最大應(yīng)大于工作負載所需的峰值功率P峰值，但僅僅如此是不夠的，物理意義上的功率包含扭矩和速度兩部分，但在實際的傳動機構(gòu)中它們是受限制的。用峰值，T峰值表示最大值或者峰值。電機的最大速度決定了減速器減速比的上限，n上限=峰值，最大/峰值，同樣，電機的最大扭矩決定了減速比的下限，n下限=T峰值/T電機，最大，如果n下限大于n上限，選擇的電機是不合適的。反之，則可以通過對每種電機的廣泛類比來確定上下限之間可行的傳動比范圍。只用峰值功率作為選擇電機的原則是不充分的，而且傳動比的準確計算非常繁瑣。（2）新的選擇方法一種新的選擇原則是將電機特性與負載特性分離開，并用圖解的形式表示，這種表示方法使得驅(qū)動裝置的可行性檢查和不同系統(tǒng)間的比較更方便，另外，還提供了傳動比的一個可能范圍。這種方法的優(yōu)點：適用于各種負載情況；將負載和電機的特性分離開；有關(guān)動力的各個參數(shù)均可用圖解的形式表示并且適用于各種電機。因此，不再需要用大量的類比來檢查電機是否能夠驅(qū)動某個特定的負載。在電機和負載之間的傳動比會改變電機提供的動力荷載參數(shù)。比如，一個大的傳動比會減小外部扭矩對電機運轉(zhuǎn)的影響，而且，為輸出同樣的運動，電機就得以較高的速度旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大的加速度，因此電機需要較大的慣量扭矩。選擇一個合適的傳動比就能平衡這相反的兩個方面。通常，應(yīng)用有如下兩種方法可以找到這個傳動比n，它會把電機與工作任務(wù)很好地協(xié)調(diào)起來。一是，從電機得到的最大速度小于電機自身的最大速度電機，最大；二是，電機任意時刻的標準扭矩小于電機額定扭矩M額定。

2、一般伺服電機選擇考慮的問題（1）電機的最高轉(zhuǎn)速 電機選擇首先依據(jù)機床快速行程速度。快速行程的電機轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。式中，為電機的額定轉(zhuǎn)速（rpm）；n為快速行程時電機的轉(zhuǎn)速（rpm）；為直線運行速度（m/min）；u為系統(tǒng)傳動比，u=n電機/n絲杠；絲杠導程（mm）。（2）慣量匹配問題及計算負載慣量 為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求,負載慣量JL應(yīng)限制在2.5倍電機慣量JM之內(nèi)，即。式中，為各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；為各轉(zhuǎn)動件角速度，rad/min；為各移動件的質(zhì)量，kg；為各移動件的速度，m/min；為伺服電機的角速度，rad/min。（3）空載加速轉(zhuǎn)矩空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時。一般應(yīng)限定在變頻驅(qū)動系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80%以內(nèi)。式中，為與電機匹配的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（N.m）；為空載時加速轉(zhuǎn)矩（N.m）；為快速行程時轉(zhuǎn)換到電機軸上的載荷轉(zhuǎn)矩（N.m）；為快速行程時加減速時間常數(shù)（ms）。（4）切削負載轉(zhuǎn)矩 在正常工作狀態(tài)下，切削負載轉(zhuǎn)矩不超過電機額定轉(zhuǎn)矩的80%。式中，為最大切削轉(zhuǎn)矩（N.m）；D為最大負載比。（5）連續(xù)過載時間 連續(xù)過載時間應(yīng)限制在電機規(guī)定過載時間之內(nèi)。3、根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩選擇伺服電機 根據(jù)伺服電機的工作曲線，負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：當機床作空載運行時，在整個速度范圍內(nèi)，加在伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即在工作曲線的連續(xù)工作區(qū)；最大負載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過載時間應(yīng)在特性曲線的允許范圍內(nèi)。加在電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩可以折算出加到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩。式中，為折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩（N.m）；F為軸向移動工作臺時所需的力（N）；L為電機每轉(zhuǎn)的機械位移量（m）；為滾珠絲杠軸承等摩擦轉(zhuǎn)矩折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩（N.m）；為驅(qū)動系統(tǒng)的效率。 式中，為切削反作用力（N）；為齒輪作用力（N）；W為工作臺工件等滑動部分總重量（N）；為由于切削力使工作臺壓向?qū)к壍恼龎毫Γ∟）；為摩擦系數(shù)。無切削時，。計算轉(zhuǎn)矩時下列幾點應(yīng)特別注意。（a）由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來計算的轉(zhuǎn)矩很小的。請?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生的力矩。（b）由于軸承，螺母的預(yù)加載，以及絲杠的預(yù)緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設(shè)備。這樣的轉(zhuǎn)矩回應(yīng)影響整個轉(zhuǎn)矩。所以要特別注意。（c）切削力的反作用力會使工作臺的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點與承受驅(qū)動力的點通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面的負載也增加。當計算切削期間的轉(zhuǎn)矩時，由于這一載荷而引起的摩擦轉(zhuǎn)矩的增加應(yīng)給予考慮。（d）摩擦轉(zhuǎn)矩受進給速率的影響很大，必須研究測量因速度工作臺支撐物(滑塊，滾珠，壓力)，滑塊表面材料及潤滑條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數(shù)值。（e）通常，即使在同一臺的機械上，隨調(diào)整條件，周圍溫度，或潤滑條件等因素而變化。當計算負載轉(zhuǎn)矩時，請盡量借助測量同種機械上而積累的參數(shù)，來得到正確的數(shù)據(jù)。4、根據(jù)負載慣量選擇伺服電機 為了保證輪廓切削形狀精度和低的表面加工粗糙度，要求數(shù)控機床具有良好的快速響應(yīng)特性。隨著控制信號的變化，電機應(yīng)在較短的時間內(nèi)完成必須的動作。負載慣量與電機的響應(yīng)和快速移動ACC/DEC時間息息相關(guān)。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(chǎn)生的誤差會比小慣量的大一些。因此，加在電機軸上的負載慣量的大小，將直接影響電機的靈敏度以及整個伺服系統(tǒng)的精度。當負載慣量5倍以上時，會使轉(zhuǎn)子的靈敏度受影響，電機慣量和負載慣量必須滿足： 由電機驅(qū)動的所有運動部件，無論旋轉(zhuǎn)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(qū)動的部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到。（a）圓柱體慣量如滾珠絲杠，齒輪等圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時的慣量可按下面公式計算：（kgcm2）式中，γ為材料的密度(kg/cm3)；D為圓柱體的直經(jīng)(cm)；L為圓柱體的長度(cm)。（b）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：（kgcm2）式中，W為直線移動物體的重量(kg)；L為電機每轉(zhuǎn)在直線方向移動的距離(cm)。

（c）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(jīng)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：（kgcm2）式中，為圓柱體圍繞其中心線旋轉(zhuǎn)時的慣量(kgcm2)；W為圓柱體的重量(kg)；R為旋轉(zhuǎn)半徑(cm)。（d）相對電機軸機械變速的慣量計算將上圖所示的負載慣量Jo折算到電機軸上的計算方法如下：（kgcm2）式中，、為齒輪的齒數(shù)。5、電機加減速時的轉(zhuǎn)矩（1）按線性加減速時加速轉(zhuǎn)矩電機加速或減速時的轉(zhuǎn)矩按線性加減速時加速轉(zhuǎn)矩計算如下：（N.m）式中，為電機的穩(wěn)定速度；為加速時間；為電機轉(zhuǎn)子慣量（kg.cm2）；為折算到電機軸上的負載慣量（kg.cm2）；為位置伺服開環(huán)增益。 加速轉(zhuǎn)矩開始減小時的轉(zhuǎn)速如下：（2）按指數(shù)曲線加速電機按指數(shù)曲線加速時的加速轉(zhuǎn)矩曲線此時，速度為零的轉(zhuǎn)矩To可由下面公式給出：（N.m） 式中，為指數(shù)曲線加速時間常數(shù)。（3）輸入階段性速度指令 這時的加速轉(zhuǎn)矩Ta相當于To，可由下面公式求得（ts=Ks）。（N.m）6、根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩均方根值選擇電機工作機械頻繁啟動，制動時所需轉(zhuǎn)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(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值，并且應(yīng)使此均方根值小于電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。電機的均方根值由下式給出： 式中，為加速轉(zhuǎn)矩（Nm）；為摩擦轉(zhuǎn)矩（Nm）；在停止期間的轉(zhuǎn)矩（Nm）；，，，如下圖所示。，，，的轉(zhuǎn)矩曲線負載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計算，也需要計算出一個周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值，且該值小于額定轉(zhuǎn)矩。這樣電機才不會過熱，正常工作。負載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計算圖 設(shè)計時進給伺服電機的選擇原則是：首先根據(jù)轉(zhuǎn)矩－速度特性曲線檢查負載轉(zhuǎn)矩，加減速轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，然后對負載慣量進行校合，對要求頻繁起動、制動的電機還應(yīng)對其轉(zhuǎn)矩均方根進行校合，這樣選擇出來的電機才能既滿足要求，又可避免由于電機選擇偏大而引起的問題。8、伺服電機選擇的步驟、方法以及公式（1）決定運行方式根據(jù)機械系統(tǒng)的控制內(nèi)容，決定電機運行方式，啟動時間ta、減速時間td由實際情況合機械剛度決定。典型運行方式時間，必須小于機械系統(tǒng)要求值。加速時間：減速時間：上兩式中使用電機的機械數(shù)值求出，故求出加入起動信號后的時間，必須加算作為控制電路滯后的時間5～10ms。負載加速轉(zhuǎn)矩可由起動時間求出，若大于初選電機的