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伺服電機選型參數(shù)參考：轉(zhuǎn)速、扭矩、慣量

發(fā)布時間：2021-04-25 07:13:23

伺服電機是實現(xiàn)智能制造最重要的自動化元件，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機械手、機器人和一些專用精密設(shè)備上。伺服電機的選型對伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)、經(jīng)濟性等都有重要的影響，本文主要介紹一下伺服電機的選型。

伺服電機選型說明

針對伺服電機選型問題，有兩種情況，一種是參數(shù)選型，一種是設(shè)計選型。

參數(shù)選型：機械機構(gòu)已確定，且已知轉(zhuǎn)速、扭矩、慣量等選型參數(shù)。此時，可根據(jù)伺服電機規(guī)格表直接選型。

設(shè)計選型：發(fā)生的機械設(shè)計階段，此時需要根據(jù)機械末端的位置、速度、精度、動態(tài)特性等要求，確定機械機構(gòu)和減速裝置。在機械設(shè)計過程中，需計算得出電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、慣量比等參數(shù)。而后根據(jù)伺服電機規(guī)格表選型。常見機械機構(gòu)如圖1所示。
伺服電機選型參數(shù)參考

圖1：常見機械機構(gòu)
伺服電機的選型原則

·連續(xù)工作時的電機轉(zhuǎn)速<電機額定速度

·連續(xù)工作扭矩<伺服電機額定扭矩

·瞬時最大扭矩<伺服電機最大扭矩(加速時)

·慣量比:根據(jù)設(shè)備動態(tài)性能要求，確定合適的慣量比

綜上可得出結(jié)論，伺服電機的三個選型參數(shù)是：轉(zhuǎn)速、扭矩、慣量。

注意，沒有將功率作為伺服電機的核心選型參數(shù)。有些伺服電機廠家的電機系列中，同樣功率的電機分小，中大慣量。

如下圖所示，兩個伺服電機功率相同，其中左圖為低慣量高速電機，右圖為高慣量低速電機。低慣量電機適用于高動態(tài)響應(yīng)、低扭矩場合，高慣量電機適用于高扭矩輸出、轉(zhuǎn)速較低的場合。顯然功率相同的兩個電機，其應(yīng)用特點不一樣。
伺服電機選型參數(shù)參考

圖2：低慣量和高慣量外觀對比
大家可以想象博爾特和泰森的對比，兩人體重可能差別不大，但其個人特點卻大相徑庭。伺服電機同理。另：從機械設(shè)計的角度，伺服電機是通過扭矩驅(qū)動機械機構(gòu)實現(xiàn)運轉(zhuǎn)的。因此通過扭矩選擇伺服電機比通過功率選型更準(zhǔn)確。功率可作為一個參考選型參數(shù)。

轉(zhuǎn)動慣量和扭矩

轉(zhuǎn)動慣量

轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動慣性的量度，由剛體自身的結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)軸、質(zhì)量、形狀）決定，與外界因素?zé)o關(guān)，是剛體的固有性質(zhì)。

有規(guī)則形狀的物體，其慣量都有對應(yīng)的公式，可參考相關(guān)資料。如上圖所示，質(zhì)量為m，半徑為R的圓柱體沿軸OO‘旋轉(zhuǎn)時，其旋轉(zhuǎn)慣量J=MR2/2。

力矩

力矩是用來描述力對剛體的轉(zhuǎn)動作用，如圖4所示：
伺服電機選型參數(shù)參考

如圖4所示

T=F*r*sinθ=Fd （1）

T: 力矩

F：作用力

d: 力臂

即：力矩大小等于力的大小乘以參考點到力的作用線的距離。

力矩是矢量，有方向性。

電機扭矩在設(shè)備啟動時，產(chǎn)生加速度，在恒速運動時，克服系統(tǒng)的阻力矩，在設(shè)備停止時，產(chǎn)生減速度，使設(shè)備快速停止。位置、速度、加速度、扭矩的關(guān)系如圖5所示：
伺服電機選型參數(shù)參考

一般的伺服電機，過載扭矩或最大扭矩一般為額定扭矩的3~5倍。即伺服電機啟動時，最大可輸出3~5倍的額定扭矩，以短時間獲得足夠大的加速度，使電機轉(zhuǎn)速快速達(dá)到工作速度。減速時同理。

最大轉(zhuǎn)矩不能持續(xù)輸出，持續(xù)時間過長時，會觸發(fā)驅(qū)動器過載報警。

力矩和轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系

物體的直線運動可用牛頓第二定律描述為：

F=m*a （2）

F: 物體所受的合力

m : 物體的質(zhì)量

a：物體獲得的加速度

物體的回轉(zhuǎn)運動，需要用力矩和轉(zhuǎn)動慣量描述，有如下公式

T=J*θ （3）

T: 扭矩

J：轉(zhuǎn)動慣量

θ：角加速度

由公式（3）可見，扭矩與轉(zhuǎn)動慣量和角加速度成正比。電機輸出扭矩一定時，慣量和角加速度成反比。

在扭矩輸出一定時，慣量越大，其可獲得的角加速度越小，即：機械機構(gòu)的動態(tài)性能越差。反之，慣量越小，其可獲得的角加速度越大，機械機構(gòu)的動態(tài)性能越好。

當(dāng)伺服電機驅(qū)動負(fù)載時，公式（3）中的T為伺服電機的輸出扭矩，θ為電機軸可獲得的角加速度，J為伺服電機的轉(zhuǎn)子慣量和負(fù)載映射慣量之和。即：

J=JM+JL （4）

J：回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣量

JM：電機定子慣量

JL：負(fù)載映射到電機軸上的慣量

比如，機械機構(gòu)通過n=3的減速機連接到電機軸上，通過計算得出減速機前端機械機構(gòu)的總慣量JZ，設(shè)JZ映射到電機軸上的慣量為JL，則：

JL=JZ/n2=JZ/9 （5）

即：負(fù)載的映射慣量與減速比的平方成反比。

在機械設(shè)計時，根據(jù)公式（5），要先算出JZ，然后根據(jù)減速比n計算出負(fù)載機械機構(gòu)映射到電機軸上的映射慣量。

有時，負(fù)載機械機構(gòu)有多重負(fù)載，則負(fù)載機械機構(gòu)的總慣量為多重負(fù)載的慣量之和。

慣量比

負(fù)載映射慣量與電機轉(zhuǎn)子慣量的比值即慣量比。

機械機構(gòu)設(shè)計完成后，要合理選擇伺服電機，把慣量比限制在一定的范圍內(nèi)，使負(fù)載映射慣量與電機轉(zhuǎn)子慣量相匹配。慣量匹配需要根據(jù)設(shè)備的動態(tài)特性、精度要求、負(fù)載變化范圍等因素綜合設(shè)計。

高動態(tài)設(shè)備的慣量比一般小于3，比如機床、金屬加工設(shè)備等。
普通設(shè)備慣量比，一般小于7，如普通焊接機、包裝設(shè)備等。
低要求設(shè)備，一般小于10，如皮帶傳輸、重載變位機等。

可結(jié)合選擇減速比進行慣量匹配。如前文所述，負(fù)載在電機軸上的映射慣量與減速比的平方成反比。增大減速比，可以顯著減小負(fù)載映射到電機軸上的慣量，即減小伺服電機的負(fù)載。此時，在負(fù)載機械慣量不變的情況下，選擇大減速比的減速機，可對應(yīng)選擇容量較小的伺服電機，降低綜合成本。

但，增大減速比會降低負(fù)載側(cè)的轉(zhuǎn)速，因為負(fù)載側(cè)轉(zhuǎn)速與減速比成反比。減速比要保證減速后的速度能滿足負(fù)載側(cè)的最大速度要求。

進行慣量匹配時，還需考慮空載和滿載情況，設(shè)備空載和滿載運行時，其負(fù)載慣量是不一樣的，慣量比也不同。要保證在滿載的情況下，慣量比也在合理的范圍之內(nèi)。

慣量匹配時，要綜合考慮減速比，轉(zhuǎn)速要求，空載和滿載等多種情況，兼顧性能和成本。

其他考慮因素

伺服電機選型時，還要考慮電機法蘭、編碼器類型、編碼器精度、抱閘等因素。

電機法蘭：涉及電機與機械接口的匹配

編碼器類型：主要分增量編碼器和絕對值編碼器，增量編碼器每次上電均需回零，絕對值編碼器又分單圈和多圈絕對值編碼器，需視具體應(yīng)用確定是否需回零，一般多圈絕對值編碼器不需回零。

編碼器精度：現(xiàn)在伺服電機的編碼器精度做得都比較高，可滿足大部分機械對編碼器精度的要求。對一些高精密的設(shè)備，可考慮選分辨率較高的編碼器。

抱閘：驅(qū)動負(fù)重的垂直軸一般需選擇帶抱閘的伺服電機。

伺服驅(qū)動器和其他附件選型

根據(jù)伺服電機的額定電流選擇伺服驅(qū)動器，一般選伺服驅(qū)動器的額定電流等于或稍大于伺服電機的額定電流。驅(qū)動器的編碼器輸入接口需與伺服電機的編碼器信號輸出格式相匹配。有些伺服品牌，其伺服驅(qū)動器與伺服電機已成對匹配，選型非常方便。

根據(jù)伺服電機和驅(qū)動器選擇配套的電源線和編碼器線。有時為節(jié)省成本，也可自己制作。

總結(jié)

伺服電機的選型主要按轉(zhuǎn)速、扭矩和慣量選型。功率可作為選型的一個參考參數(shù)。
參數(shù)選型比較簡單，直接按伺服電機規(guī)格表選型即可。
設(shè)計選型需考慮機械機構(gòu)、負(fù)載變化、速度、加速度、精度、慣量匹配等要求，還需考慮機械加工精度，裝配精度，傳動效率、摩擦力，選型裕量、經(jīng)濟性等，還需考慮法蘭、編碼器、抱閘等因素。并根據(jù)伺服電機進行相應(yīng)伺服驅(qū)動器的選型。這部分工作一般由機械設(shè)計人員完成。