伺服電機(jī)選型要求及注意事項(xiàng)

伺服電機(jī)(servo motor )是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。根據(jù)使用電源不同：分直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。他兩在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因?yàn)槭钦也刂?，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡(jiǎn)單，便宜。伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確控制，你讓它轉(zhuǎn)多少它就轉(zhuǎn)多少，而且它還會(huì)反饋，實(shí)現(xiàn)所謂的閉環(huán)，由編碼器去反饋看是否確實(shí)轉(zhuǎn)了那么多，這樣控制精度就更高。

我們知道步進(jìn)電機(jī)的精度以步距來(lái)衡量，市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度(五相電機(jī))、0.9度/1.8度(二、四相電機(jī))、1.5度/3度 (三相電機(jī))德國(guó)百格拉公司(BERGER LAHR)生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°。我們以步距角為0.036°的步進(jìn)電機(jī)為例。

0.036=360/10000

假設(shè)給這個(gè)步進(jìn)電機(jī)后端加上編碼器，那么公式相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn)一圈編碼器發(fā)出10000個(gè)脈沖，編碼器分辨率是10000。

伺服電機(jī)的精度是電機(jī)后端的編碼器分辨率來(lái)衡量的，現(xiàn)在伺服編碼器分辨率達(dá)到2的23次方，可見(jiàn)伺服電機(jī)的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比步進(jìn)電機(jī)精度高。

普通電機(jī)上電就轉(zhuǎn)，沒(méi)電就停，除了轉(zhuǎn)如果還非要說(shuō)它有什么功能的話那就是正反轉(zhuǎn)。

提供伺服電機(jī)選型流程

1、負(fù)載機(jī)構(gòu)(確定機(jī)構(gòu)類(lèi)型以及其細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，如滾珠絲桿長(zhǎng)度、滾珠絲桿的直徑、行程和帶輪直徑等)

2、動(dòng)作模式(決定控制對(duì)象部分的動(dòng)作模式，時(shí)間與速度的關(guān)系;將控制對(duì)象的動(dòng)作模式換算為電機(jī)軸上的動(dòng)作形式;確定運(yùn)行模式，包括加速時(shí)間(ta)、勻速時(shí)間(tu)、減速時(shí)間(td)、停止時(shí)間(ts)、循環(huán)時(shí)間(tc)和運(yùn)動(dòng)距離(L)等參數(shù))

3、負(fù)載的慣量、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速(我們?cè)谶x型時(shí)，是根據(jù)扭矩來(lái)選擇功率!)

4、定位精度(確認(rèn)編碼器的脈沖數(shù)是否滿足系統(tǒng)要求規(guī)格的分辨率)

5、使用環(huán)境(如環(huán)境溫度、濕度、使用環(huán)境大氣及振動(dòng)沖擊等等)

自動(dòng)化領(lǐng)域指如今的大熱門(mén)，而伺服電機(jī)在其中占有重要地位，通常用于項(xiàng)目中較精確的速度或位置控制部件的驅(qū)動(dòng)。自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機(jī)選型問(wèn)題，而供應(yīng)商提供的電機(jī)也是五花八門(mén)，參數(shù)多如牛毛，常常使初學(xué)者一頭霧水，本文僅根據(jù)作者的實(shí)際工作經(jīng)歷做一些分享，望能夠給需要者提供一些幫助。

1.應(yīng)用場(chǎng)景

自動(dòng)化領(lǐng)域的控制型電機(jī)可分為伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻電機(jī)等。在需要較為精確的速度或位置控制的部件，會(huì)選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。變頻器+變頻電機(jī)的控制方式，是通過(guò)改變輸入電機(jī)的電源頻率而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法。一般只用于電機(jī)的調(diào)速控制。伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比：a) 伺服電機(jī)使用閉環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)為開(kāi)環(huán)控制;b) 伺服電機(jī)使用旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)量精度，步進(jìn)電機(jī)使用步距角。普通產(chǎn)品級(jí)別上前者的精度可達(dá)后者的百倍數(shù)量級(jí);c) 控制方式相似(脈沖或方向信號(hào))。

2.供電電源

伺服電機(jī)從供電電源上區(qū)分可分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。二者還是比較好選擇的。一般的自動(dòng)化設(shè)備，甲方都會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)的380V工業(yè)電源或220V電源，此時(shí)選擇對(duì)應(yīng)電源的伺服電機(jī)即可，免去電源類(lèi)型的轉(zhuǎn)換。但有一些設(shè)備，比如立體倉(cāng)庫(kù)中的穿梭板、AGV小車(chē)等，由于本身的移動(dòng)性質(zhì)，大部分使用自帶直流電源，所以一般使用直流伺服電機(jī)。

3.抱閘

根據(jù)動(dòng)作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，考慮在停電狀態(tài)下或靜止?fàn)顟B(tài)下，是否會(huì)造成對(duì)電機(jī)的反轉(zhuǎn)趨勢(shì)。如果有反轉(zhuǎn)趨勢(shì)，就需要選擇帶抱閘的伺服電機(jī)。

4.選型計(jì)算

選型計(jì)算前，首先要確定的是機(jī)構(gòu)末端的位置和速度要求，再者確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。此時(shí)即可選擇伺服系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的減速器。選型過(guò)程中，主要考慮以下參數(shù)：

功率和速度

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和最終負(fù)載的速度和加速度要求，計(jì)算電機(jī)所需功率和速度。值得注意的是，通常情況下需要結(jié)合所選電機(jī)的速度選取減速機(jī)的減速比。在實(shí)際選型過(guò)程中，比如負(fù)載為水平運(yùn)動(dòng)，因?yàn)楦鱾€(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù)和風(fēng)載系數(shù)的不確定性，公式P=T*N/9549往往無(wú)法明確計(jì)算(無(wú)法精確計(jì)算扭矩的大小)。而在實(shí)踐過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)使用伺服電機(jī)所需功率最大處往往是加減速階段。所以，通過(guò)T=F*R=m*a*R可定量計(jì)算所需電機(jī)的功率大小和減速機(jī)的減速比(m：負(fù)載質(zhì)量;a：負(fù)載加速度;R：負(fù)載旋轉(zhuǎn)半徑)。

每種類(lèi)型的伺服電機(jī)的規(guī)格中都有額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、伺服電機(jī)慣量等參數(shù)。每個(gè)參數(shù)與負(fù)載扭矩和負(fù)載慣性之間必須有相關(guān)性。伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩必須滿足機(jī)構(gòu)的加速度和重量等負(fù)荷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)條件的要求。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)條件(水平和垂直旋轉(zhuǎn))與伺服電機(jī)的輸出沒(méi)有直接關(guān)系，但一般情況下，伺服電機(jī)的輸出越高，相對(duì)輸出扭矩越高。

伺服電機(jī)的選用不僅受機(jī)構(gòu)重量的影響，同時(shí)設(shè)備運(yùn)動(dòng)條件也會(huì)改變伺服電機(jī)的選用。慣性越大，加減速扭矩越大，加減速時(shí)間越短，伺服電機(jī)輸出扭矩越大。選擇伺服電機(jī)規(guī)格時(shí)，請(qǐng)遵循以下步驟。

(1)初始選擇伺服電機(jī)的最高輸出功率扭矩必須大于加速扭矩+負(fù)載扭矩時(shí)，必須選擇其他模型進(jìn)行驗(yàn)證，直到符號(hào)滿足要求。

(2)負(fù)載力矩是根據(jù)負(fù)載重量、結(jié)構(gòu)、摩擦系數(shù)和運(yùn)行效率計(jì)算的。

(3)根據(jù)運(yùn)行條件的要求，選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)荷慣性量修正公式，計(jì)算機(jī)構(gòu)的負(fù)荷慣性量。

(4)根據(jù)負(fù)載慣量和伺服電機(jī)慣量，選擇合適的假選定伺服電機(jī)規(guī)格。

(5)根據(jù)負(fù)載扭矩、加速扭矩、減速扭矩和保持扭矩計(jì)算連續(xù)瞬時(shí)扭矩。

(6)定義了載荷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)條件，即加減速速度、運(yùn)動(dòng)速度、機(jī)構(gòu)重量、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等。

(7)結(jié)合主伺服電機(jī)的慣性和負(fù)載慣性，計(jì)算了加速扭矩和減速扭矩。

(8)完成選擇。

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審核編輯 黃宇