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深圳市東么川伺服控制技術(shù)有限公司
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伺服電機(jī)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
圖1：常見機(jī)械機(jī)構(gòu)
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。
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(jì)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)。
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：
力矩和轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系
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(jì)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(jì)時，根據(jù)公式（5），要先算出JZ，然后根據(jù)減速比n計(jì)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(jì)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(jì)。
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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?yàn)樨?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(jì)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(jì)人員完成。
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