機械自動化設備中伺服電機的選型

文/鳳巢

伺服電機是自動化領域中使用較為廣泛的電機，通常用于項目中較精確的速度或位置控制部件的驅動。自動化設備的設計者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機選型問題，而供應商提供的電機也是五花八門，參數多如牛毛。

自動化領域指如今的大熱門，而伺服電機在其中占有重要地位，通常用于項目中較精確的速度或位置控制部件的驅動。自動化設備的設計者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機選型問題。

01 伺服電機的選型步驟

（1）明確負載機構的運動條件要求，即加/減速的快慢、運動速度、機構的重量、機構的運動方式等。

（2）依據運行條件要求選用合適的負載慣量計算公式計算出機構的負載慣量。

（3）依據負載慣量與伺服電機慣量選出適當的假選定伺服電機規格。

（4）結合初選的伺服電機慣量與負載慣量，計算出加速轉矩及減速轉矩。

（5）依據負載重量、配置方式、摩擦系數、運行效效率計算出負載轉矩。

（6）初選伺服電機的最大輸出轉矩必須大于加速轉矩＋負載轉矩；如不符合條件，必須選用其他型號計算驗證直至符符合要求。

（7）依據負載轉矩、加速轉矩、減速轉矩及保持轉矩計算出連續瞬時轉矩。

（8）初選伺服電機的額定轉矩必須大于連續瞬時轉矩，如，如果不符合條件，必須選用其他型號計算驗證直至符合要求。

（9）完成選定。

02 伺服電機的選型原則

　1、根據運行要求選擇負載慣量計算公式，計算機構的負載慣量。

　2、通常，明確負載機構的運動條件要求，即加減速度、運行速度、重量、運行方式等，這是選擇伺服規格的必要。

　3、負載重量、配置方式、摩擦系數來計算負載轉矩。

　4、負載慣量和伺服電機慣量也是選擇電機規格的必要考慮因素，用戶可以根據兩者計算出加速轉矩及減速轉矩，并選擇行當的假選定規格。

　5、負載轉矩、加減速轉矩、保持轉矩，計算連續瞬時轉矩。連續瞬時轉矩一定要小于初選伺服電機額定轉矩，否則只能選擇其他符合條件的規格。

　6、注意 加速轉矩+負載轉矩〈初選伺服的最大輸出轉矩）

03 自動化設備設計中如何選擇伺服電機

1、應用場景

自動化領域的控制型電機可分為伺服電機、步進電機、變頻電機等。在需要較為精確的速度或位置控制的部件，會選擇伺服電機驅動。

變頻器+變頻電機的控制方式，是通過改變輸入電機的電源頻率而改變電機轉速的控制方法。一般只用于電機的調速控制。

伺服電機與步進電機相比：

a）伺服電機使用閉環控制，步進電機為開環控制；

b）伺服電機使用旋轉編碼器計量精度，步進電機使用步距角。普通產品級別上前者的精度可達后者的百倍數量級；

c）控制方式相似（脈沖或方向信號）。

2、供電電源

伺服電機從供電電源上區分可分為交流伺服電機和直流伺服電機。

二者還是比較好選擇的。一般的自動化設備，甲方都會提供標準的380V工業電源或220V電源，此時選擇對應電源的伺服電機即可，免去電源類型的轉換。但有一些設備，比如立體倉庫中的穿梭板、AGV小車等，由于本身的移動性質，大部分使用自帶直流電源，所以一般使用直流伺服電機。

3、抱閘

根據動作機構的設計，考慮在停電狀態下或靜止狀態下，是否會造成對電機的反轉趨勢。如果有反轉趨勢，就需要選擇帶抱閘的伺服電機。

4、選型計算

選型計算前，首先要確定的是機構末端的位置和速度要求，再者確定傳動機構。此時即可選擇伺服系統和對應的減速器。

選型過程中，主要考慮以下參數：

4.1、功率和速度

根據結構形式和最終負載的速度和加速度要求，計算電機所需功率和速度。值得注意的是，通常情況下需要結合所選電機的速度選取減速機的減速比。

在實際選型過程中，比如負載為水平運動，因為各個傳動機構的摩擦系數和風載系數的不確定性，公式P=T*N/9549往往無法明確計算（無法精確計算扭矩的大小）。而在實踐過程中，也發現使用伺服電機所需功率最大處往往是加減速階段。所以，通過T=F*R=m*a*R可定量計算所需電機的功率大小和減速機的減速比（m：負載質量；a：負載加速度；R：負載旋轉半徑）。

有以下幾點需要注意：

a）電機的功率富余系數；

b）考慮機構的傳動效率；

c）減速機的輸入和輸出扭矩是否達標，并有一定的安全系數；

d）后期是否會有加大速度的可能性。

值得一提的是，在傳統行業中，例如起重機等行業，使用普通的感應電機驅動，加速度無明確要求，計算過程使用的是經驗公式。

注：負載垂直運行的情況下，注意把重力加速度計算在內。

4.2、慣量匹配

要實現對負載的高精度控制，需要考慮電機與系統的慣量是否匹配。

對于為什么需要慣量匹配的問題，網上并沒有給出一統江湖的說法。個人理解有限，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：考慮系統慣量折合到電機軸上，與電機的慣量比不大于10（西門子）；比值越小，控制穩定性越好，但需要更大的電機，性價比更低。具體的計算方法如有不明白的請自行補學大學“理論力學”。

4.3、精度要求

計算經過減速機和傳動機構的變化后，電機的控制精度是否能夠滿足負載的要求。減速器或某些傳動機構有一定的回程間隙，都需要考慮。

4.4、控制匹配

這個方面主要是與電氣設計人員溝通確認，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據等。

04 伺服電機選型的注意事項

1、有些系統如傳送裝置，升降裝置等要求伺服電機能盡快停車，而在故障、急停、電源斷電時伺服器沒有再生制動，無法對電機減速。同時系統的機械慣量又較大，這時對動態制動器的要依據負載的輕重、電機的工作速度等進行選擇。

2、有些系統要維持機械裝置的靜止位置，需電機提供較大的輸出轉矩，且停止的時間較長。如果使用伺服的自鎖功能，往往會造成電機過熱或放大器過載，這種情況就要選擇帶電磁制動的電機。

3、有的伺服驅動器有內置的再生制動單元，但當再生制動較頻繁時，可能引起直流母線電壓過高，這時需另配再生制動電阻。再生制動電阻是否需要另配，配多大，可參照相應樣本的使用說明來配。

4、如果選擇了帶電磁制動器的伺服電機，電機的轉動慣量會增大，計算轉矩時要進行考慮。