運動控制中伺服電機選型需求研究

李光輝++郭偉博

摘 要：生產(chǎn)機械的工藝要求以及使用的環(huán)境是電動機在電力拖動與控制系統(tǒng)中的主要根據(jù)。在對運動控制方案進行選擇時，首先要確定的就是運動載荷的力學(xué)特性，在得到了該運動載荷的力學(xué)特性正確的物理數(shù)據(jù)之后，就可以對控制方案進行確定，并且可以選取合適的電機。在對電機進行選取時要使電動機能夠滿足生產(chǎn)機械對于功率、轉(zhuǎn)速、啟動、調(diào)速、轉(zhuǎn)動以及過載的要求，這樣對于電機的利用率才能達到最大。本文就是對運動控制中伺服電機選型的需求進行具體闡述。

關(guān)鍵字：運動控制；伺服電機；力矩

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.237

0 引言

所謂運動控制指的就是對于機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，并且使其按照預(yù)期的運動軌跡以及規(guī)定的運動參數(shù)進行運動。運動控制起源于早期的伺服，在最初運動控制技術(shù)是依靠著數(shù)控技術(shù)、工廠自動化技術(shù)、機器人技術(shù)等等技術(shù)進行發(fā)展。早期的運動控制是可以進行獨立運行的專用控制器，這不需要其他的處理器和操作系統(tǒng)支持依舊可以對運動控制功能、工藝技術(shù)要求以及其他操作很好的完成。運動控制是自動化的一個分支，現(xiàn)在運動控制主要是為一些例如液壓泵、線性執(zhí)行機等一些設(shè)備來控制機器的位置或者是速度。現(xiàn)在運動控制主要被廣泛的應(yīng)用于包裝、印刷、紡織和裝配工業(yè)中來。而伺服電機指的是在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機對于速度以及位置可以進行非常精準的控制，同時也需要將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，因此在運動控制中對于伺服電機的選型要進行嚴格的把控。

1 實現(xiàn)運動控制中的伺服電機選型原理

（1）直接轉(zhuǎn)動。在實現(xiàn)運動控制中的伺服電機選擇時，直接轉(zhuǎn)動是最直接最簡單的類型，直接轉(zhuǎn)動因為沒有涉及到機械聯(lián)動，所以反饋負載參數(shù)也就不再需要。也正是因為直接轉(zhuǎn)動的方式較為簡單，所以在對轉(zhuǎn)速以及力矩計算的過程中相對于其他方式來說也較為簡單。在進行直接轉(zhuǎn)動方程式計算的過程中，負載的轉(zhuǎn)速、摩擦力也就是電機的轉(zhuǎn)速、和電機所要克服的摩擦力。對于慣量來說，載荷慣量就是電機所要計算的慣量。對于一些需要例如軸件、導(dǎo)桿等有關(guān)機械零件的慣量計算時，可以利用一些固定的方程式。在計算出慣性后，對于載荷慣性和摩擦力就可以通過電機進行讀取。

（2）齒輪轉(zhuǎn)動。齒輪轉(zhuǎn)動是現(xiàn)在機械轉(zhuǎn)動中應(yīng)用較廣的一種轉(zhuǎn)動形式，在進行工作的過程中，具有傳動準確，效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命較長等特點。以目前的技術(shù)來說，齒輪技術(shù)已經(jīng)能夠達到一定的標準，其中圓周速度V=300m/s，轉(zhuǎn)速n=10r/min，傳遞的功率P=10KW，直徑d=1mm到152.3mm。現(xiàn)在的齒輪轉(zhuǎn)動主要分為兩種類型，首先是根據(jù)兩軸的相應(yīng)位置和齒輪的方向可分為一大類，其次是根據(jù)齒輪的工作條件又可以分為一大類。在對齒輪轉(zhuǎn)動進行應(yīng)用的過程中，因為機械聯(lián)動系統(tǒng)存在在載荷和電機之間，所以也必須對電機實行載荷參數(shù)。電機在對除反饋載荷慣量的全部慣量進行讀取時，為保證結(jié)果的精確，也必須在讀取時包括齒輪的慣量。同時，在進行力矩的計算時也必須要對機械轉(zhuǎn)動裝置的效率進行考慮。

（3）切向轉(zhuǎn)動。切向轉(zhuǎn)動要將所得到的載荷參數(shù)反饋給電機軸，而切向轉(zhuǎn)動可能是同步帶和滑輪之間形成的，可能是鏈條和鏈輪之間形成的，可能是齒條和齒輪之間形成的。

（4）球螺桿轉(zhuǎn)動。球螺桿是載荷參數(shù)在反饋給電機時，除了要對載荷慣量進行計算之外，還必須對其產(chǎn)生的慣量進行計算。但是，因為球螺桿所產(chǎn)生的慣性相比之下較難計算，所以可以使用錕筒計算公式對其近似。在一些需要進行較為精準定位的應(yīng)用，為消除或者是減少反向齒隙所產(chǎn)生的影響可能預(yù)先加載球螺桿，但是這樣可能會導(dǎo)致對式計算結(jié)果出現(xiàn)一些誤差，所以在計算的過程中必須包含預(yù)緊力，最后還要對傳動效率進行考慮以確定力矩。

（5）運動軌跡。電機的加速度、運行所需要的時間、速度以及負載的加速度都由運動軌跡所決定。在進行一些運動軌跡的應(yīng)用中，因為需要克服慣性、摩擦力等，所以大部分的電能都轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗。所以為保證不超過電機的最大容量處理能力，在進行計算的過程中需要對每一種不同的應(yīng)用都要進行單獨的測算。只有對每一臺電機的基本動力公式和容量計算好，才能使應(yīng)用成功的概率得到保證。

2 運動控制中的伺服電機應(yīng)用實例

（1）加速力矩。加速力矩就是在啟動載荷運動時，所克服的機械摩擦力和慣量過需要的力矩。在對加速力矩進行計算的過程中所需要的公式為：加速力矩=（全部慣量）*（加速度）+（全部摩擦力矩）。電機在運動控制占據(jù)著重要的地位，它能夠為整個摩擦力與慣量進行的加速度提供所需要的全部力矩和能夠推動自身運動的力矩。

（2）整個工作周期的力矩。電機在進行工作的過程中，要對運動軌跡所需要的力矩進行提供，因此就必須對運動軌跡中的其他部分進行考慮，并進行有關(guān)的力矩進行確定。整個工作周期所需要的連續(xù)力矩的均值為27.18N-m.

（3）控制選擇。控制選擇在電機進行工作的過程具有較為重要的意義。在進行控制的過程中必須要提供足夠的加速電流和連續(xù)電流，這樣才能保持合理控制或是放大器轉(zhuǎn)動的需要。

（4）對于溫度計算。對于電機來說，只要進行工作就會在工作的過程中產(chǎn)生一些熱能，所以電機內(nèi)部的繞組方式將決定電機本身的散熱方式以及散熱能力。而熱阻的出現(xiàn)就是衡量電機內(nèi)部散熱能力的一種重要方式，在進行計算的過程中，電機繞組方式也是必須計算的一項內(nèi)容，而計算的第一步就是算出能量的損耗，這樣的就計算過程就避免不了的要用到整個工作周期的電流以及電機所產(chǎn)生的電阻。

3 結(jié)束語

現(xiàn)在的社會在不斷進步，各種科技也在進行著不斷的創(chuàng)新，電機也在這樣的大形勢下得到了廣泛的應(yīng)用。電機泛指一種能使機械能轉(zhuǎn)換為電能、電能轉(zhuǎn)換為機械能的一切機器。而伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速的裝置。在對電動機進行容量選擇的過程中要保證生產(chǎn)機械無論是對電動機的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩還是對電動機的啟動、調(diào)制、過載的過程都完全滿足。只有保證在運動控制中，保證伺服電機的選型完全符合要求，才能保證工作得更好。

參考文獻：

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