伺服電機運動控制系統(tǒng)的調(diào)試五元器件的選型025.2.6伺服電機的銘牌分析與選型交流伺服電動機一般為永磁同步伺服電機采用高性能優(yōu)質(zhì)稀土永磁材料、優(yōu)化的電磁設(shè)計、高精度傳感器（如光電編碼器）具有運行平穩(wěn)、低速性能好、控制精度高、響應(yīng)速度快、過載能力強、電磁噪音低、使用壽命長等優(yōu)點非常適用于高精度數(shù)控機床的進給控制，以及自動化生產(chǎn)線、專用設(shè)備等工業(yè)控制自動化領(lǐng)域。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型1、伺服電機銘牌數(shù)據(jù)以某型號交流伺服電機舉例：110

SJT

-B-M

040

30

①②③④⑤⑥其中：①電機機座號；②交流伺服同步電機；③有：電機帶鍵槽，無：電機不帶鍵槽；④光電編碼器反饋；⑤電機零速轉(zhuǎn)矩：數(shù)值×0.1Nm；⑥額定轉(zhuǎn)速：數(shù)值×100rpm。不同廠家，不同品牌的交流伺服電機銘牌描述方式有一定的差異，主要包括電機型號、電壓規(guī)格、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等。其中電機型號一般包含電機類型，額定功率，反饋方式等信息。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型某公司110系列電機的主要技術(shù)參數(shù)表型號110SJT-M04030110SJT-M06025額定功率（KW）11.21.5輸入電壓（V）AC220三相AC220三相零速轉(zhuǎn)矩（N·m）46額定電流（A）57額定轉(zhuǎn)矩（N·m）46最大轉(zhuǎn)矩（N·m）1218額定轉(zhuǎn)速（rpm）25002500最高轉(zhuǎn)速（rpm）33003000轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）0.66×10-31.0×10-3重量（kg）6.28.0編碼器線數(shù)131072線/5000線具體數(shù)據(jù)也可查閱相關(guān)技術(shù)手冊獲得詳細信息，如前述舉例的某公司110系列電機的主要技術(shù)參數(shù)可查表5-4獲得。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型2、伺服電機的選型伺服系統(tǒng)的動力選用是在一般機械設(shè)計基礎(chǔ)上進行的，其目的是確定伺服電機的型號以及電機與機械系統(tǒng)的參數(shù)相互匹配。本項目的沖壓機床進給部分要求負載速度vL≥15m/min，重復定位次數(shù)n≥40次/min，定位精度高于0.01mm，采用X軸、Y軸十字滑臺進給方式，滾珠絲杠螺距為5mm。要求由PLC控制，有工作狀態(tài)指示，完成運動控制系統(tǒng)的設(shè)計。分析可知，系統(tǒng)對位置精度、重復定位精度、移動速度、控制偏差等都有較高的要求因此，需要選用閉環(huán)伺服運動控制系統(tǒng)。首先要通過計算分析，進行伺服電動機的選型。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型設(shè)備的參數(shù)如表5-5所示。項目數(shù)值項目數(shù)值絲杠長度lB=800mm平臺運動質(zhì)量80kg負載速度vL=15m/min聯(lián)軸器質(zhì)量mc=0.3kg聯(lián)軸器的外徑Dc=30mm進給次數(shù)n=40次/min滾珠絲杠直徑dB=16mm進給長度l=250mm滾珠絲杠導程PB=5mm進給時間tm=1.2s以下滾珠絲杠材質(zhì)密度ρ=7.87*103kg/m3電氣停止精度δ≤±0.01mm機械效率η=0.9摩擦系數(shù)μ=0.2伺服電動機的選型可以遵循以下原則：扭矩，速度到達系統(tǒng)的要求，轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量相匹配。①電機的最大轉(zhuǎn)速＞系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速。②電機的轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量相匹配。負載慣量=電機的旋轉(zhuǎn)慣量×適合的慣量比。③連續(xù)負載工作扭力≤電機額定扭力。一般留有20%的余量。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型設(shè)備的參數(shù)如表5-5所示。項目數(shù)值項目數(shù)值絲杠長度lB=800mm平臺運動質(zhì)量80kg負載速度vL=15m/min聯(lián)軸器質(zhì)量mc=0.3kg聯(lián)軸器的外徑Dc=30mm進給次數(shù)n=40次/min滾珠絲杠直徑dB=16mm進給長度l=250mm滾珠絲杠導程PB=5mm進給時間tm=1.2s以下滾珠絲杠材質(zhì)密度ρ=7.87*103kg/m3電氣停止精度δ≤±0.01mm機械效率η=0.9摩擦系數(shù)μ=0.2④電機最大輸出扭力＞系統(tǒng)所需最大扭力（加速時扭力）。一般留有20%的余量。⑤編碼器的分辨率。編碼器的分辨率要滿足系統(tǒng)的規(guī)格要求；⑥環(huán)境要求。環(huán)境溫度、濕度、氣壓及振動沖擊等，要滿足商品的規(guī)格要求。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型3、伺服電機的選型計算選型計算遵循如圖5-26所示步驟。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型（1）電機轉(zhuǎn)速確定①運動曲線及速度伺服電動機按圖5-27所示的速度線圖運動。運動周期，即每次運動時間：t=60/n=60/40=1.5（s）；假設(shè)脈沖指令加速和減速的時間：ta=td；脈沖停止到運行實際速度停止時間差：ts=0.1（s）；假設(shè)運動部件返回行程所用時間為工作行程的1/4，則有：工作行程時間tm=1.2（s）；工作行程脈沖指令勻速控制時間：tc=60*l/vL=60*0.25/15=1.0（s）；5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型②旋轉(zhuǎn)速度確定負載軸的旋轉(zhuǎn)速度nL：電動機軸的旋轉(zhuǎn)速度nm：由于聯(lián)軸器直接連接，減速比為i=nm/nL=1/1，所以：r/minr/min5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型（2）轉(zhuǎn)矩確定轉(zhuǎn)矩選擇的依據(jù)是電動機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載兩種。直接啟動時（一般由低速）兩種負載均要考慮，加速啟動時主要考慮慣性負載，恒速運行只要考慮摩擦負載。負載（摩擦）轉(zhuǎn)矩。負載轉(zhuǎn)矩計算公式為：（Nm）5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型（3）轉(zhuǎn)動慣量計算①滾珠絲杠驅(qū)動的直線運動部件轉(zhuǎn)動慣量JL1為：②滾珠絲杠和聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量JB、JC：因為圓柱繞軸心的轉(zhuǎn)動慣量為：5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型③電動機軸換算負載轉(zhuǎn)動慣量為：（4）功率計算①負載行走功率P0②負載加速功率Pa因為：P=Tω，所以：（W）5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型②負載加速功率Pa（W）（5）預選伺服電動機①選定條件a.TL≤電機額定轉(zhuǎn)矩b.(P0+Pa)/2<預選電動機的額定功率<(P0+Pa)c.nm≤電動機額定轉(zhuǎn)速d.JL≤允許負載轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)伺服條件，可以暫定S-1FL6-01A伺服電動機。負載行走功率P0負載加速功率Pa負載轉(zhuǎn)矩電動機軸的旋轉(zhuǎn)速度nm電動機軸換算負載轉(zhuǎn)動慣量5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型②根據(jù)選擇的伺服電動機，列出如下主要參數(shù)。額定輸出：100(W)額定轉(zhuǎn)速：3000(min/min)額定轉(zhuǎn)矩：0.32(N·m)瞬時最大轉(zhuǎn)矩：1.11(N·m)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM：0.0665×10-4(kg·m2)容許負載轉(zhuǎn)動慣量：0.0665×10-4×20＝1.33×10-4(kg·m2)編碼器分辨率：20bit(1048576P/rev)選定條件a.TL≤電機額定轉(zhuǎn)矩b.(P0+Pa)/2<預選電動機的額定功率<(P0+Pa)c.nm≤電動機額定轉(zhuǎn)速d.JL≤允許負載轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)伺服條件，可以暫定S-1FL6-01A伺服電動機。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型（6）預選伺服電動機轉(zhuǎn)矩的確認①根據(jù)公式5-8可得加速所需要轉(zhuǎn)矩TP：(Nm)加速所需要轉(zhuǎn)矩小于電動機瞬時最大轉(zhuǎn)矩，所選電動機可用；②減速所需要轉(zhuǎn)矩TS：(Nm)減速所需要轉(zhuǎn)矩小于電動機瞬時最大轉(zhuǎn)矩，所選電動機可用；5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型③有效轉(zhuǎn)矩Trms：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(有效轉(zhuǎn)矩Trms)，并且應(yīng)使此均方根值小于電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。計算公式為：TP加速轉(zhuǎn)矩，TL摩擦轉(zhuǎn)矩（一般為勻速負載）TS減速轉(zhuǎn)矩；ta、tc、td為各個轉(zhuǎn)矩的時間t為一個周期的時間。=0.16<0.32(Nm)所需有效轉(zhuǎn)矩小于電動機額定轉(zhuǎn)矩，所選電動機可用。根據(jù)上述步驟預選的伺服電機在容量上符合使用條件。5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型（7）位置精度控制確認①PG反饋脈沖的分頻比——電子齒輪k=(B/A)的設(shè)定電子齒輪是常用的伺服控制參數(shù)，對伺服接收到的上位機脈沖頻率進行放大或者縮小。其中一個參數(shù)為分子B，為電機編碼器的分辨率；一個為分母A，為電機旋轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)。如果分子大于分母就是放大，如果分子小于分母就是縮小。已知編碼器分辨率為20位，則每轉(zhuǎn)反饋脈沖數(shù)為220，即：1048576P/rev。根據(jù)電氣停止精度δ=±0.01mm，將位置檢測單位設(shè)為Δl=0.01mm/pulse（毫米/脈沖），則絲杠轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù)為PB/Δl，引入電子齒輪k=(B/A)，所以有：5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型②指令脈沖頻率（pulse/s）已知：負載速度vL=15m/min位置檢測單位

為Δl=0.01mm/pulse③偏差計數(shù)器滯留脈沖在保證位置環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，位置不超差(過沖）的前提下，增大位置環(huán)的增益，以減小位置滯后量。伺服單元位置環(huán)的響應(yīng)性由位置環(huán)增益決定。位置環(huán)增益的設(shè)定越高，則響應(yīng)性越高，定位時間越短。一般來說，不能將位置環(huán)增益提高到超出機械系統(tǒng)固有振動數(shù)的范圍。將位置環(huán)增益設(shè)為KP=500(1/s)，則：(pulse)5.2.6伺服電機的銘牌分析與選型④電氣停止精度δ‘比較電氣停止設(shè)計精度δ=±0.01mm，滿足定位精度要求。（mm），負載軸的旋轉(zhuǎn)速度nL：電動機軸的旋轉(zhuǎn)速度nm：通過上述步驟，在位置控制方面，預選的伺服電機可供使用。5.2.6伺服