伺服电机的选型计算方法

伺服电机的选型计算方法2012-4-1710:51:00来源：kingservo１、伺服电机和步进电机的性能比较步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司（SANYODENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以京伺服（KINGSERVO)全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以京伺服（KINGSERVO)交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以京伺服（KINGSERVO)400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。1.负载惯量的计算。由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的部件的惯量，并按一定的规律将其相加得到。1)圆柱体惯量如滚珠丝杠，齿轮等围绕其中心轴旋转时的惯量可按下面公式计算:J=(πγ/32)*D4L(kgcm2)如机构为钢材，则可按下面公式计算:J=(0.78*10-6)*D4L(kgcm2)式中:γ材料的密度(kg/cm2)D圆柱体的直经(cm)L圆柱体的长度(cm)2)轴向移动物体的惯量工件，工作台等轴向移动物体的惯量，可由下面公式得出:J=W*(L/2π)2(kgcm2)式中:W直线移动物体的重量(kg)L电机每转在直线方向移动的距离(cm)3)圆柱体围绕中心运动时的惯量如图所示:圆柱体围绕中心运动时的惯量属于这种情况的例子:如大直经的齿轮，为了减少惯量，往往在圆盘上挖出分布均匀的孔这时的惯量可以这样计算:J=Jo+W*R2(kgcm2)式中:Jo为圆柱体围绕其中心线旋转时的惯量(kgcm2)W圆柱体的重量(kg)R旋转半径(cm)4)相对电机轴机械变速的惯量计算将上图所示的负载惯量Jo折算到电机轴上的计算方法如下:J=(N1/N2)2Jo式中:N1N2为齿轮的齿数2.53.电机加速或减速时的转矩电机加速或减速时的转矩1)按线性加减速时加速转矩计算如下:Ta=(2πVm/60*104)*1/ta(Jm+JL)(1-e-ks。ta)Vr=Vm{1-1/ta.ks(1-e-ksta)Ta加速转矩(N.M)Vm快速移动时的电机转速(r/min)Ta加速时间(sec)Jm电机惯量(N.m.s2)JL负载惯量(N.m.s2)Vr加速转矩开始减少的点Ks伺服系统位置环增益(sec-1)电机按指数曲线加速时的加速转矩曲线此时，速度为零的转矩To可由下面公式给出:To==(2πVm/60*104)*1/te(Jm+JL)Te指数曲线加减速时间常数2)当输入阶段性速度指令时。这时的加速转矩Ta相当于To，可由下面公式求得(ts=ks)，Ta==(2πVm/60*104)*1/ts(Jm+JL)。1.工作机械频繁启动，制动时所需转矩。当工作机械作频繁启动，制动时，必须检查电机是否过热，为此需计算在一个周期内电机转矩的均方根值，并且应使此均方根值小于电机的连续转矩。电机的均方根值:Trms=√[(Ta+Tf)2t1+Tf2t2+(Ta-Tf)2t1+To2t3]/T周式中:Ta加速转矩(N.M)Tf摩擦转矩(N.M)To在停止期间的转矩(N。M)t1t2t3t周所知的时间。t1t2t3t周所知的时间示意图4.负载周期性变化的转矩计算也需要计算出一个周期中的转矩均方根值Trms。且该值小于额定转矩。这样电机才不会过热，正常工作。负载惯量与电机的响应和快速移动ACC/DEC时间息息相关。带大惯量负载时，当速度指令变化时，电机需较长的时间才能到达这一速度，当二轴同步插补进行圆弧高速切削时大惯量的负载产生的误差会比小惯量的大一些。通常，当负载惯量小于电机惯量时上述提及的问题一般不会发生。如果高于5倍马达转子惯量，一般伺服会出现不良反应，像高速激光切割机床，在设计时就要考虑负载惯量低于电机转子惯量。伺服电机的选型计算方法注意三点：转数扭矩惯量最主要的就是扭矩，无论电机如何安装，都要计算转动扭矩，停止及启动电机转动惯量转数其次：一般伺服电机没有直接安装使用，都要配减速头使用，配减速头使用有两个目的，第一增加传动使用扭矩，第二保护电机在转动时不让电机轴受力如图所示要计算使用电机功率方法如下1首先要知道主动盘直径，重量，知道直径是计算转动惯量，知道重量是计算转动盘如果转动需要多大扭矩，由于电机自身扭矩不大，所以选用伺服电机时配合上减速头使用，就能有效提高输出扭矩。2经过计算已知伺服电机功率是多少，下面开始选择电机转速，电机转速是根据电机使用工况决定，例如：客户要求转动节拍5秒一圈，已经计算出转动转盘需要50N那么就选用200w电机，电机自身输出扭矩1.2Nm在这个扭矩值上加一个减速头，放大输出扭矩值，该减速头选用1:20使用这个减速头可以将输出扭矩放大到70Nm，大于实际使用扭矩值。如果选用3000转电机那么就是3000转/20减速头/60秒=2.5圈也就是电机加减速头每秒可转动2.5圈，符合设计标准，但是电机选用时不能将电机按照3000转每分钟计算，应低于这个数值，按照2000转计算或2500计算2000/20/60=1.7在这个计算前提下符合转速要求。选用要求：1电机加减速头输出扭矩大于实际使用扭矩30％-50％2电机使用实际转速低于额定转速