伺服电机选型

伺服系统概述(1)伺服系统的一般组成(2)伺服系统的分类(3)机电一体化装备对伺服系统的要求伺服系统的一般组成控制器+功率放大+执行元件+机械部件+检测装置伺服系统的分类按执行元件分类伺服系统的分类按控制原理分类机电一体化装备对伺服系统的要求稳、准、快1）、高的稳定性装备正常工作的先决条件2）、快速性配合控制计算机的快速需要3）、高精度高精度机电装备的需要5.4机电装备伺服系统的动力方法设计机电装备的特点？与普通装备相比伺服系统的动力方法设计动力方法设计是在一般机械设计基础上进行的，其目的是确定伺服电机的型号以及电机与机械系统的参数相互匹配，但不计算控制器的参数和动态性能指标，因此这种方法属于静态设计范畴．对于电气式伺服系统来说，就是要根据伺服系统的负载情况，确定伺服电机的型号．这就是伺服电机与机械负载的匹配问题，即伺服系统的动力方法设计。在设计伺服系统时，当选定了伺服系统的类型以后．需要选定执行元件。对于电气式伺服系统来说，就是要根据伺服系统的负载情况，确定伺服电机的型号．这就是伺服电机与机械负载的匹配问题，即伺服系统的动力方法设计。伺服电机与机械负载的匹配主要是指惯量、容量和速度的匹配一、惯量匹配二、容量匹配三、速度匹配四、伺服电机的选择实例机电装备伺服系统的动力方法设计（一）等效负载惯量J，的计算旋转机械与直线运动的机械惯量，按照能量守恒定律，通过等效换算，均可用转动惯量来表示。是指伺服系统中运动物体的惯量折算到驱动轴上的等效转动惯量。一、惯量匹配（一）等效负载惯量J，的计算1．联动回转体的转动惯量在机电系统中，经常使用齿轮副、皮带轮及其它回转运动的零件来传动，传动时要进行加速、减速、停止等控制，在一般情况下，选用电机轴为控制轴，因此，整个装置的转动惯量要换算到电机轴上。当选用其它轴作为控制轴时，此时应对特定的轴求等效转动惯量，计算方法是相同的．一、惯量匹配如图所示，轴1为电机轴，轴2为齿轮轴，它们的转速分别为n，和几：轴1、小齿轮和电机转子对轴1的转动惯量为，而轴2和大齿轮对轴2的转动惯量为。（一）等效负载惯量J，的计算1．联动回转体的转动惯量回转运动的动能各为一、惯量匹配2111J21E现在的控制轴为轴1，将轴2的转动惯量换算到对轴1的转动惯量时，根据能量守恒定理，转换时能量守恒，则2222J21E2112222|J|21J21（一）等效负载惯量J，的计算1．联动回转体的转动惯量一、惯量匹配所以上式中——轴2对轴l的等效转动惯量。推广到一般多轴传动系统，设各轴的转速分别为n1、n2、n3、…、nk各轴的转动惯量分别为J1、J2、J3、…JK，所有的轴对轴1的等效转动惯量为kjjjkkknnJnnJnnJnnJJJ12122123212211（一）等效负载惯量J，的计算一、惯量匹配2．直线运动物体的等效转动惯量在机电系统中，机械装置不仅有作回转运动的部分，还有作直线运动的部分。转动惯量虽然是对回转运动提出的概念，但从本质上说它是表示惯性的一个量，直线运动也是有惯性的，所以通过适当的变换也可以借用转动惯量来表示它的惯性．（一）等效负载惯量J，的计算一、惯量匹配2．直线运动物体的等效转动惯量图表示伺服电机通过丝杠驱动进给工作台，现在求该工作台对特定的控制轴（如电机轴）的等效转动惯量。设m为工作台的质量，v为工作台的移动速度，[Jm]为m对电机轴的等效转动惯量，n为电机轴的转速（r/min）。直线运动工作台的动能为221mVE假设将此能量转换成电机轴回转运动的能量，根据能量守恒定理得222900nmVJm所以222602212121nJJmVEmm（一）等效负载惯量J，的计算一、惯量匹配2．直线运动物体的等效转动惯量推广到一般情况，设有k个直线运动的物体，由一个轴驱动，各物体的质量分别为m1、m2、m3、…mk，各物体的速度分别为v1、v2、v3、…vk，控制的转速为n1，则对控制轴的等效转动惯量为kjjjkknVmnVmnVmnVmJ1212212123211121900900（一）等效负载惯量J，的计算一、惯量匹配3．回转和直线联动装置的等效转动惯量在有的机电系统中，既有作回转运动的部件，也有作直线运动的部件。综合以上两种情况就可以得到回转一直线运动装置的等效转动惯量。对特定的控制轴i（例如电机轴）的整个装置的等效转动惯量，按下式计算kjijjkjijjnVmnnJJ122121900式中k—构成装置的回转轴的个数；k′—构成装置的直线运动部件的个数；ni—特定控制轴i的转速；nj—任意回转轴j的转速；vj—任意直线运动部件j的移动速度；Jj——对任意回转轴j的回转体的转动惯量；mj—任意直线运动部件的质量。（二）惯量匹配原则一、惯量匹配1．步进电机的惯量匹配条件负载惯量JL的大小对电机的灵敏度、系统精度和动态性能有明显的影响，在一个伺服系统中，负载惯量JL和电机的惯量Jm必须合理匹配．根据不同的电机类型，匹配条件有所不同。为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐：4mLJJmLmLJJff1由于步进电机的起动矩频特性曲线是在空载下作出的，检查其起动能力时应考虑惯性负载对起动频率的影响，即根据起动惯频特性曲线找出带惯性负载的起动频率，然后，再查其起动转矩和计算起动时间。当在起动惯矩特性曲线查不到带惯性负载时的最大起动频率时，可用下式近似计算：式中fL—带惯性负载的最大自起动频率；fm―电机本身的最大空载起动频率；JL—折算到电机轴上的转动惯量；Jm—电机轴转子的转动惯量。当mfLf5.0mLJJ＝3时（二）惯量匹配原则一、惯量匹配2．交、直流伺服电机的惯量匹配原则(l)对于采用惯量较小的直流伺服电机的伺服系统直流伺服电机的惯量匹配与伺服电机的种类及其应用场合有关，通常分两种情况：mLJJ通常推荐为4mLJJ当mLJJ3时对电机的灵敏度和响应时间有很大的影响，甚至使伺服放大器不能在正常调节范围内工作。小惯量直流伺服电机的惯量低达23105mkgJm其特点是转矩——惯量比大，机械时间常数小．加速能力强，所以其动态性能好，响应快。但是，使用小惯量电机时容易发生对电源频率的响应共振，当存在间隙、死区时容易造成振荡和蠕动，这才提出了“惯量匹配原则”，并在数控机床伺服进给系统采用大惯量电机。（二）惯量匹配原则一、惯量匹配2．交、直流伺服电机的惯量匹配原则(2)对于采用大惯量的直流伺服电机的伺服系统直流伺服电机的惯量匹配与伺服电机的种类及其应用场合有关，通常分两种情况：mLJJ通常推荐为所谓大惯量是相对小惯量而言的，其数值大惯量宽调速直流伺服电机的特点是惯量大、转矩大，且能在低速下提供额定转矩，常常不需要传动装置而与滚珠丝杠等直接相联，而且受惯性负载的影响小，调速范围大；热时间常数有的长达100min,比小惯量电机的热时间常数2～3min长得多，并允许长时间的过载。其转矩——惯量比高于普通电机而低于小惯量电机，其快速性在使用上已经足够。此外，由于其特殊构造使其转矩波动系数很小（2%），因此，采用这种电机能获得优良的低速范围的速度刚度和动态性能，因而在现代数控机床中应用较广。425.0mLJJ26.0~1.0mkgJm交流伺服电机的惯量匹配与直流电机相似一、惯量匹配二、容量匹配三、速度匹配四、伺服电机的选择实例机电装备伺服系统的动力方法设计二、容量匹配在选择伺服电机时．要根据电机的负载大小确定伺服电机的容量，即使电机的额定转矩与被驱动的机械系统负载相匹配。若选择容量偏小的电机则可能在工作中出现带不动的现象，或电机发热严重，导致电机寿命减小。反之，电机容量过大，则浪费了电机的“能力”，且相应提高了成本，这也是不能容忍的。在进行容量匹配时，对于不同种类的伺服电机匹配方法也不同。（一）等效转矩的计算在机械运动与控制中，根据转矩的性质将其分为：驱动转矩Tm、负载转矩TL、摩擦力矩Tf和动态转矩Ta（惯性转矩），它们之间的关系是二、容量匹配在伺服系统的设计中，转矩的匹配都是对特定轴（一般都是电机轴）的．对特定轴的转矩称为等效转矩。如果力矩直接作用在控制轴上，就没有必要将其换算成等效力矩，否则，必须换算成等效力矩。faLmTTTT（一）等效转矩的计算二、容量匹配1。等效负载转矩[TL]的计算负载转矩根据其特征可分为工作负载（由工艺条件决定）和制动转矩，它们一般由专业机械作为设计的依据提供．在这里只讨论负载转矩换算成等效负载转矩的方法。如图4一66所示，轴2作用有负载力矩，将此力矩换算成对控制轴1的等效负载力矩，。根据能量守恒定理，单位时间内，轴2负载力矩所作的功与轴1等效负载所作的功是相等的，所以60260211222nTnTTELL1222nnTTLL些机械装置中有负载作用的轴不止一个，这时等效负载力矩的求法如下：设TLj为任意轴j上的负载力矩，[TL]i为对控制轴i上的等效力矩，nj和ni分别为任意轴j和控制轴i上的转速，k为负载轴的个数，则kjijLjikLKiLiLiLnnTnnTnnTnnTT12211（一）等效转矩的计算二、容量匹配2。等效摩擦转矩[Tf]的计算理论上等效摩擦力矩可以作比较精确的计算，但由于摩擦力矩的计算比较复杂（摩擦力矩与摩擦系数有关，而且在不同的条件下，摩擦系数不为常值，表现出一定的非线性，往往是估算出来的）所以在实践中等效摩擦力矩常根据机械效率作近似的估算，其基本理论依据是机械装置大部分所损失的功率都是因为克服摩擦力作功．估算的方法是：在IifIiiLTTTTT控制精度要求不高，或者调整部分有裕度时，可根据类似机构的数据估算机械效率η，由此机械效率推算等效摩擦力矩。11TTiLif（一）等效转矩的计算二、容量匹配3。等效惯性转矩[Ta]的计算电机在变速时，需要一定的加速力矩，加速力矩的计算与电机的加速形式有关：dtdJTLa（二）伺服电机的容量匹配原则在进行容量匹配时，对于不同种类的伺服电机匹配方法也不同二、容量匹配1．步进电机的容量匹配步进电机的容量匹配比较简单，通常推荐：4TTmaxL式中TL―工作过程中电机轴所受的最大等效负载力矩；Tmax—步进电机的最大静转矩。（二）伺服电机的容量匹配原则二、容量匹配2．交、直流伺服电机的容量匹配直流伺服电机的转矩一速度特性曲线分成连续工作区、断续工作区和加减速工作区．图示是直流伺服电机的转矩一速度特性曲线．图中a、b、c、d、e五条曲线组成了电机的三个区域，描述了电机输出转矩和速度之间的关系。在规定的连续工作区内，速度和转矩的任何组合都可长时间连续工作．而在断续工作区内，电机只允许短时间工作或周期性间歇工作，即工作一段时间，停歇一段时间，间歇循环允许工作时间的长短因载荷大小而异。加减速区的意思是指电机在该区域中供加减速期间工作．（二）伺服电机的容量匹配原则二、容量匹配2．交、直流伺服电机的容量匹配曲线a为电机温度限制线，在此曲线上电机达到绝缘所允许的极限值，故只允许电机在此曲线内长时间连续运行。曲线c为电机最高转速限制线，随着转速上升，电枢电压升高，整流子片间电压加大，超过一定值时有发生起火的危险。曲线d中最大转矩主要受永磁材料的去磁特性所限制，当去磁超过某值后，铁氧体磁性发生变化。由于这三个工作区的用途不同，电机转矩的选择方法也应不同．但工程上常根据电机发热条件的等效原则，将重复短时工作制等效于连续工作制的电机来选择。其基本方法是：计算在一个负载工作周期内，所需电机转矩的均方根值，及等效转矩，并使此值小于连续额定转矩，就可确定