如何選擇合適的伺服電機(jī)

自動(dòng)化領(lǐng)域指如今的大熱門，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，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)：

4.1.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)。

有以下幾點(diǎn)需要注意：

a) 電機(jī)的功率富余系數(shù);

b) 考慮機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率;

c) 減速機(jī)的輸入和輸出扭矩是否達(dá)標(biāo)，并有一定的安全系數(shù);

d) 后期是否會(huì)有加大速度的可能性。

值得一提的是，在傳統(tǒng)行業(yè)中，例如起重機(jī)等行業(yè)，使用普通的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加速度無(wú)明確要求，計(jì)算過(guò)程使用的是經(jīng)驗(yàn)公式。

注：負(fù)載垂直運(yùn)行的情況下，注意把重力加速度計(jì)算在內(nèi)。

4.2.慣量匹配

要實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的高精度控制，需要考慮電機(jī)與系統(tǒng)的慣量是否匹配。

對(duì)于為什么需要慣量匹配的問(wèn)題，網(wǎng)上并沒(méi)有給出一統(tǒng)江湖的說(shuō)法。 個(gè)人理解有限，在這里就不解釋了。 有興趣的朋友可以自行考證一下并告知一聲。 慣量匹配的原則為：考慮系統(tǒng)慣量折合到電機(jī)軸上，與電機(jī)的慣量比不大于10; 比值越小，控制穩(wěn)定性越好，但需要更大的電機(jī)，性價(jià)比更低。 具體的計(jì)算方法如有不明白的請(qǐng)自行補(bǔ)學(xué)大學(xué)"理論力學(xué)"。

4.3.精度要求

計(jì)算經(jīng)過(guò)減速機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變化后，電機(jī)的控制精度是否能夠滿足負(fù)載的要求。 減速器或某些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的回程間隙，都需要考慮。

4.4.控制匹配

這個(gè)方面主要是與電氣設(shè)計(jì)人員溝通確認(rèn)，比如伺服控制器的通訊方式是否與PLC匹配，編碼器類型及是否需要引出數(shù)據(jù)等。

5.品牌

目前市場(chǎng)上伺服電機(jī)品牌眾多，性能也是千差萬(wàn)別。 大體來(lái)說(shuō)，如果不差錢，就選用歐美的，稍微差點(diǎn)錢，選日本的，然后是中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)大陸的。 不是作者崇洋媚外，是實(shí)際使用得來(lái)的教訓(xùn)。 根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)的伺服電機(jī)本體基本性能上沒(méi)什么問(wèn)題，主要伺服控制器的控制算法、集成度和和穩(wěn)定性方面有一定的差距。 希望國(guó)內(nèi)廠商繼續(xù)努力，縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距。

值得一提的是，做自動(dòng)化的設(shè)計(jì)，要學(xué)會(huì)借外力。 特別是做非標(biāo)自動(dòng)化，面臨太多設(shè)備的選型和計(jì)算，往往不堪重負(fù)，加班累成狗是常態(tài)。 現(xiàn)在伺服電機(jī)廠商都會(huì)提供技術(shù)支持，只要你提供給他負(fù)載、速度、加速度等參數(shù)要求，他們有一套自己的軟件自動(dòng)幫助你計(jì)算并選擇合適的伺服電機(jī)，非常的方便。

　　審核編輯：湯梓紅