簡介

伺服電機(jī)是實(shí)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(jī)床、機(jī)械手、機(jī)器人和一些專用精密設(shè)備上。伺服電機(jī)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(jì)性等都有重要的影響，本文主要介紹一下伺服電機(jī)的選型。

伺服電機(jī)選型說明

針對伺服電機(jī)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(jī)械機(jī)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(jī)規(guī)格表直接選型。

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

伺服電機(jī)的選型原則

·連續(xù)工作時的電機(jī)轉(zhuǎn)速<電機(jī)額定速度

·連續(xù)工作扭矩<伺服電機(jī)額定扭矩

·瞬時最大扭矩<伺服電機(jī)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(jī)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(jī)的核心選型參數(shù)。有些伺服電機(jī)廠家的電機(jī)系列中，同樣功率的電機(jī)分小，中大慣量。

如下圖所示，兩個伺服電機(jī)功率相同，其中左圖為低慣量高速電機(jī)，右圖為高慣量低速電機(jī)。低慣量電機(jī)適用于高動態(tài)響應(yīng)、低扭矩場合，高慣量電機(jī)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(jī)，其應(yīng)用特點(diǎn)不一樣。

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(diǎn)卻大相徑庭。伺服電機(jī)同理。

另：從機(jī)械設(shè)計的角度，伺服電機(jī)是通過扭矩驅(qū)動機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)的。因此通過扭矩選擇伺服電機(jī)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)。

圖3：圓柱體慣量 

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：

圖4：力矩

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(diǎn)到力的作用線的距離。

力矩是矢量，有方向性。

電機(jī)扭矩在設(shè)備啟動時，產(chǎn)生加速度，在恒速運(yùn)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：

圖5：位置、速度、加速度和扭矩的關(guān)系

一般的伺服電機(jī)，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(jī)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(jī)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(jī)械機(jī)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(jī)械機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能越好。

當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動負(fù)載時，公式（3）中的T為伺服電機(jī)的輸出扭矩，θ為電機(jī)軸可獲得的角加速度，J為伺服電機(jī)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(jī)定子慣量

JL：負(fù)載映射到電機(jī)軸上的慣量

比如，機(jī)械機(jī)構(gòu)通過n=3的減速機(jī)連接到電機(jī)軸上，通過計算得出減速機(jī)前端機(jī)械機(jī)構(gòu)的總慣量JZ，設(shè)JZ映射到電機(jī)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(jī)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(jī)械機(jī)構(gòu)映射到電機(jī)軸上的映射慣量。

有時，負(fù)載機(jī)械機(jī)構(gòu)有多重負(fù)載，則負(fù)載機(jī)械機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子慣量的比值即慣量比。

機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計完成后，要合理選擇伺服電機(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)、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(jī)等。

可結(jié)合選擇減速比進(jìn)行慣量匹配。如前文所述，負(fù)載在電機(jī)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(jī)軸上的慣量，即減小伺服電機(jī)的負(fù)載。此時，在負(fù)載機(jī)械慣量不變的情況下，選擇大減速比的減速機(jī)，可對應(yīng)選擇容量較小的伺服電機(jī)，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(jìn)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(yùn)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(jī)選型時，還要考慮電機(jī)法蘭、編碼器類型、編碼器精度、抱閘等因素。
電機(jī)法蘭：涉及電機(jī)與機(jī)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(jī)的編碼器精度做得都比較高，可滿足大部分機(jī)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(jī)。

伺服驅(qū)動器和其他附件選型

根據(jù)伺服電機(jī)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(jī)的額定電流。驅(qū)動器的編碼器輸入接口需與伺服電機(jī)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(jī)已成對匹配，選型非常方便。
根據(jù)伺服電機(jī)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(jī)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(jī)規(guī)格表選型即可。
設(shè)計選型需考慮機(jī)械機(jī)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(jī)械加工精度，裝配精度，傳動效率、摩擦力，選型裕量、經(jīng)濟(jì)性等，還需考慮法蘭、編碼器、抱閘等因素。并根據(jù)伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)伺服驅(qū)動器的選型。這部分工作一般由機(jī)械設(shè)計人員完成。