1、伺服電機(jī)的選型計(jì)算方法2012-4-17 10:51:00 來(lái)源：kingservo伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的性能比較在目前國(guó)步進(jìn)電機(jī)作為一種開(kāi)環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的岀現(xiàn)，流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號(hào))，但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)電機(jī)步距角一般為1.8 、0.9 ，五相混合式步進(jìn)

2、電機(jī)步距角一般為0.72、0.36 。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)細(xì)分后步距角更小。如山洋公司(SANYO DENK)生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為1.8 、0.036 ，兼容了兩相和五相混合0.9 、0.72、0.36、0.18 、0.09、0.072式步進(jìn)電機(jī)的步距角。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以京伺服(KINGSERVO)全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360 /10000=0.036 。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，1/655。驅(qū)動(dòng)器每接收 131072個(gè)脈沖電機(jī)

3、轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360 /131072=0.0027466 ，是步距角為1.8 的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的二、低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易岀現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)岀現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能( 測(cè)岀機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。三、矩頻特性不同交流伺服

4、系統(tǒng)具有FFT),可檢所以其最高工步進(jìn)電機(jī)的輸岀力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM交流伺服電機(jī)為恒力矩輸岀，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為 2000RPM或3000RPM以?xún)?nèi)，都能輸岀額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸岀。四、過(guò)載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以京伺服(KINGSERVO交流伺服系統(tǒng)為例， 它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么

5、大的轉(zhuǎn)矩，便岀現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。五、運(yùn)行性能不同步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易岀現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易岀現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，不會(huì)岀現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。六、速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以京伺服(KINGSERVO)400V交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000R PMI僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)

6、合。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。1.負(fù)載慣量的計(jì)算。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)論旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件，還是直線運(yùn)動(dòng)的部件， 都成為電機(jī)的負(fù)載慣量。電機(jī)軸上的負(fù)載總慣量可以通過(guò)計(jì)算各個(gè)被驅(qū)動(dòng)的 部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到。J=( nY /32)*D4L(kg cm2)1)圓柱體慣量如滾珠絲杠，齒輪等圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣量可按下面公式 計(jì)算：J=( nY /32)*D4L(kg cm2)如機(jī)構(gòu)為鋼材，則可按下面公式計(jì)算：J=

7、(0.78*10-6)*D4L(kg cm2)式中：丫 材料的密度(kg/cm2)D圓柱體的直經(jīng)(cm) L圓柱體的長(zhǎng)度(cm)2)軸向移動(dòng)物體的慣量工件，工作臺(tái)等軸向移動(dòng)物體的慣量，可由下面公式得出：J=W*(L/2 n )2 (kg cm2)式中：W 直線移動(dòng)物體的重量 (kg)L電機(jī)每轉(zhuǎn)在直線方向移動(dòng)的距離 (cm)3)圓柱體圍繞中心運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣量如圖所示 ： 量 屬于這種情況的例子：如大直經(jīng)的齒輪, 挖出分布均勻的孔這時(shí)的慣量可以這樣計(jì)算圓柱體圍繞中心運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣為了減少慣量，往往在圓盤(pán)上式中:Jo為圓柱體圍繞其中心線旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣量(kgcm2)J=Jo+W*R2(kg cm2)W圓柱體的重

8、量(kg) R旋轉(zhuǎn)半徑(cm)4)相對(duì)電機(jī)軸機(jī)械變速的慣量計(jì)算將上圖所示的負(fù)載慣量 的計(jì)算方法如下：J=(N1/N2)2Jo式中:N1 N2Jo折算到電機(jī)軸上J=(N1/N2)2Jo為齒輪的齒數(shù)2. 53.電機(jī)加速或減速時(shí)的轉(zhuǎn)矩電機(jī)加速或減速時(shí)的轉(zhuǎn)矩1)按線性加減速時(shí)加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下TaTa=(2 n Vm/60*104) *1/ta(Jm+JL)(1 -e-ks。ta) Vr=Vm1-1/ta.ks(1-e-ks ta) Ta加速轉(zhuǎn)矩(N.M) Vm快速移動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)加速時(shí)間(sec) Jm電機(jī)慣量(N.m.s2) JL負(fù)載慣量(N.m.s2)r加速轉(zhuǎn)矩開(kāi)始減少的點(diǎn)Ks伺服系

9、統(tǒng)位置環(huán)增益(sec-1)電機(jī)按指數(shù)曲線加速時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩曲線面公式給出：To=(2 n Vm/60*104) *1/te(Jm+JL)2)當(dāng)輸入階段性速度指令時(shí)。當(dāng)于To,可由下面公式求得(ts=ks),此時(shí)，速度為零的轉(zhuǎn)矩 To可由下Te指數(shù)曲線加減速時(shí)間常數(shù)這時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩Ta相Ta=(2 n Vm/60*104)*1/ts(Jm+JL)。1.工作機(jī)械頻繁啟動(dòng)，制動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩。當(dāng)工作機(jī)械作頻繁啟動(dòng)，制動(dòng)時(shí)，必須檢查電機(jī)是否過(guò)熱，為此需計(jì)算在一 個(gè)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值，并且應(yīng)使此均方根值小于電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的均方根值：Trms=V (Ta+Tf)2t1+Tf2t2+(Ta-Tf)2t1

10、+To2t3/T式中：Ta加速轉(zhuǎn)矩(N.M) Tf摩擦轉(zhuǎn)矩(N.M)t1t2t3t 周所知的時(shí)間。To在停止期間的轉(zhuǎn)矩(N。M)t1t2t3t周所知的時(shí)間示意圖4.負(fù)載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計(jì)算也需要計(jì)算出一個(gè)周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值Trmso且該值小于額定轉(zhuǎn)矩。這樣電機(jī)才不會(huì)過(guò)熱，正常工作。負(fù)載慣量與電機(jī)的響應(yīng)和快速移動(dòng)ACC/DEC寸間息息相關(guān)。帶大慣量負(fù)載時(shí),當(dāng)速度指令變化時(shí)，電機(jī)需較長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)這一速度，當(dāng)二軸同步插補(bǔ) 進(jìn)行圓弧高速切削時(shí)大慣量的負(fù)載產(chǎn)生的誤差會(huì)比小慣量的大一些。如果高于5通常，當(dāng)負(fù)載慣量小于電機(jī)慣量時(shí)上述提及的問(wèn)題一般不會(huì)發(fā)生。倍馬達(dá)轉(zhuǎn)子慣量，一般伺服會(huì)出現(xiàn)不良反應(yīng)，像高速

11、激光切割機(jī)床，在設(shè)計(jì) 時(shí)就要考慮負(fù)載慣量低于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量。伺服電機(jī)的選型計(jì)算方法注意三點(diǎn)：轉(zhuǎn)數(shù) 扭矩 慣量 最主要的就是扭矩，無(wú)論電機(jī)如何安裝，都要計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，停 止及啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 轉(zhuǎn)數(shù)其次：一般伺服電機(jī)沒(méi)有直接安裝使用，都要配減速頭使用,配減速頭使用有兩個(gè)目的，第一增加傳動(dòng)使用扭矩，第二保護(hù)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不讓電機(jī)軸受力如圖所示要計(jì)算使用電機(jī)功率方法如下1 首先要知道主動(dòng)盤(pán)直徑，重量，知道直徑是計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，知道重量是計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán) 如果轉(zhuǎn)動(dòng)需要多大扭矩，由于電機(jī)自身扭矩不大，所以選用伺服 電機(jī)時(shí)配合上減速頭使用，就能有效提高輸出扭矩。2經(jīng)過(guò)計(jì)算 已知伺服電機(jī)功率是多少，下面開(kāi)始選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速是 根據(jù)電機(jī)使用工況決定，例如：客戶要求轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)拍5秒一圈，已 經(jīng)計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)需要50N那么就選用200W電機(jī)，電機(jī)自身輸出扭矩1.2Nm在這個(gè)扭矩值上加一個(gè)減速頭，放大輸出扭矩 值，該減速頭選用1:20使用這個(gè)減速頭可以將輸出扭矩放大到70Nm，大于實(shí)際使用扭矩值。如果選用 3000轉(zhuǎn)電機(jī)