机械自动化设备中伺服电机的选型

伺服电机是自动化领域中使用较为广泛的电机，通常用于项目中较精确的速度或位置控制部件的驱动。自动化设备的设计者常常需要面临各种各样不同需求的电机选型问题，而供应商提供的电机也是五花八门，参数多如牛毛。

自动化领域指如今的大热门，而伺服电机在其中占有重要地位，通常用于项目中较精确的速度或位置控制部件的驱动。自动化设备的设计者常常需要面临各种各样不同需求的电机选型问题。

01 伺服电机的选型步骤

（1）明确负载机构的运动条件要求，即加/减速的快慢、运动速度、机构的重量、机构的运动方式等。

（2）依据运行条件要求选用合适的负载惯量计算公式计算出机构的负载惯量。

（3）依据负载惯量与伺服电机惯量选出适当的假选定伺服电机规格。

（4）结合初选的伺服电机惯量与负载惯量，计算出加速转矩及减速转矩。

（5）依据负载重量、配置方式、摩擦系数、运行效效率计算出负载转矩。

（6）初选伺服电机的最大输出转矩必须大于加速转矩＋负载转矩；如不符合条件，必须选用其他型号计算验证直至符符合要求。

（7）依据负载转矩、加速转矩、减速转矩及保持转矩计算出连续瞬时转矩。

（8）初选伺服电机的额定转矩必须大于连续瞬时转矩，如，如果不符合条件，必须选用其他型号计算验证直至符合要求。

（9）完成选定。

02 伺服电机的选型原则

1、根据运行要求选择负载惯量计算公式，计算机构的负载惯量。

2、通常，明确负载机构的运动条件要求，即加减速度、运行速度、重量、运行方式等，这是选择伺服规格的必要。

3、负载重量、配置方式、摩擦系数来计算负载转矩。

4、负载惯量和伺服电机惯量也是选择电机规格的必要考虑因素，用户可以根据两者计算出加速转矩及减速转矩，并选择行当的假选定规格。

5、负载转矩、加减速转矩、保持转矩，计算连续瞬时转矩。连续瞬时转矩一定要小于初选伺服电机额定转矩，否则只能选择其他符合条件的规格。

6、注意 加速转矩+负载转矩〈初选伺服的最大输出转矩）

03 自动化设备设计中如何选择伺服电机

1、应用场景

自动化领域的控制型电机可分为伺服电机、步进电机、变频电机等。在需要较为精确的速度或位置控制的部件，会选择伺服电机驱动。

变频器+变频电机的控制方式，是通过改变输入电机的电源频率而改变电机转速的控制方法。一般只用于电机的调速控制。

伺服电机与步进电机相比：

a）伺服电机使用闭环控制，步进电机为开环控制；

b）伺服电机使用旋转编码器计量精度，步进电机使用步距角。普通产品级别上前者的精度可达后者的百倍数量级；

c）控制方式相似（脉冲或方向信号）。

2、供电电源

伺服电机从供电电源上区分可分为交流伺服电机和直流伺服电机。

二者还是比较好选择的。一般的自动化设备，甲方都会提供标准的380V工业电源或220V电源，此时选择对应电源的伺服电机即可，免去电源类型的转换。但有一些设备，比如立体仓库中的穿梭板、AGV小车等，由于本身的移动性质，大部分使用自带直流电源，所以一般使用直流伺服电机。

3、抱闸

根据动作机构的设计，考虑在停电状态下或静止状态下，是否会造成对电机的反转趋势。如果有反转趋势，就需要选择带抱闸的伺服电机。

4、选型计算

选型计算前，首先要确定的是机构末端的位置和速度要求，再者确定传动机构。此时即可选择伺服系统和对应的减速器。

选型过程中，主要考虑以下参数：

4.1、功率和速度

根据结构形式和最终负载的速度和加速度要求，计算电机所需功率和速度。值得注意的是，通常情况下需要结合所选电机的速度选取减速机的减速比。

在实际选型过程中，比如负载为水平运动，因为各个传动机构的摩擦系数和风载系数的不确定性，公式P=T*N/9549往往无法明确计算（无法精确计算扭矩的大小）。而在实践过程中，也发现使用伺服电机所需功率最大处往往是加减速阶段。所以，通过T=F*R=m*a*R可定量计算所需电机的功率大小和减速机的减速比（m：负载质量；a：负载加速度；R：负载旋转半径）。

有以下几点需要注意：

a）电机的功率富余系数；

b）考虑机构的传动效率；

c）减速机的输入和输出扭矩是否达标，并有一定的安全系数；

d）后期是否会有加大速度的可能性。

值得一提的是，在传统行业中，例如起重机等行业，使用普通的感应电机驱动，加速度无明确要求，计算过程使用的是经验公式。

注：负载垂直运行的情况下，注意把重力加速度计算在内。

4.2、惯量匹配

要实现对负载的高精度控制，需要考虑电机与系统的惯量是否匹配。

对于为什么需要惯量匹配的问题，网上并没有给出一统江湖的说法。个人理解有限，在这里就不解释了。有兴趣的朋友可以自行考证一下并告知一声。惯量匹配的原则为：考虑系统惯量折合到电机轴上，与电机的惯量比不大于10（西门子）；比值越小，控制稳定性越好，但需要更大的电机，性价比更低。具体的计算方法如有不明白的请自行补学大学“理论力学”。

4.3、精度要求

计算经过减速机和传动机构的变化后，电机的控制精度是否能够满足负载的要求。减速器或某些传动机构有一定的回程间隙，都需要考虑。

4.4、控制匹配

这个方面主要是与电气设计人员沟通确认，比如伺服控制器的通讯方式是否与PLC匹配，编码器类型及是否需要引出数据等。

04 伺服电机选型的注意事项

1、有些系统如传送装置，升降装置等要求伺服电机能尽快停车，而在故障、急停、电源断电时伺服器没有再生制动，无法对电机减速。同时系统的机械惯量又较大，这时对动态制动器的要依据负载的轻重、电机的工作速度等进行选择。

2、有些系统要维持机械装置的静止位置，需电机提供较大的输出转矩，且停止的时间较长。如果使用伺服的自锁功能，往往会造成电机过热或放大器过载，这种情况就要选择带电磁制动的电机。

3、有的伺服驱动器有内置的再生制动单元，但当再生制动较频繁时，可能引起直流母线电压过高，这时需另配再生制动电阻。再生制动电阻是否需要另配，配多大，可参照相应样本的使用说明来配。