伺服电机及选型

伺服电机

伺服电机(servomotor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机。伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思，“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动，当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子能即时停转。因此伺服电机指的是随时跟随命令进行动作的一种电机，是以其工作性质命名的。

伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到一个脉冲就会旋转一个脉冲对应的角度，从而实现位移。伺服本身带有编码器，具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，就会发出对应数量的脉冲。等于是把电机旋转的详细信息反馈回去，形成闭环。这样的话，系统就会知道发了多少脉冲给电机，同时又收了多少脉冲回来，这样就能很精准的控制电机的转动，实现非常精准的定位。

一、伺服电机分类

1、直流伺服

结构简单控制容易。但从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置，成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花影响生产，会产生电磁干扰。而且碳刷需要维护更换。机械换向器的换向能力，也限制了电动机的容量和速度。

2、交流伺服

分为永磁同步伺服电机和异步伺服电机。目前运动控制基本都用同步电机。

永磁同步伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。特点如下：

1、控制速度非常快，从启动到额定转速只需几毫秒；而相同情况下异步电机却需要几秒钟。

2、启动扭矩大，可以带动大惯量的物体进行运动。

3、功率密度大，相同功率范围下相比异步电机可以把体积做得更小、重量做得更轻。

4、运行效率高。

5、可支持低速长时间运行。

6、断电无自转现象，可快速控制停止动作。

7、控制和响应性能比异步伺服电机高很多。

二、伺服电机计算

2.1、电机转矩

电机转矩，简单的说，就是转动的力量的大小。也就是电机可以发出多大的力，转矩是一种力矩，力矩在物理中的定义是：

力矩= 力 ×力臂

这里的力臂就可以看成电机所带动的物体的转动半径。如果电机转矩太小，就带不动所要带的物体，也就是感觉电机的“劲”不够大。

假设我们是采用滚珠丝杆使工件做平行移动：

假设：

负载速度：

s m v L /01.0= 检测物体质量： kg m j 5= 移动块质量：

kg m z

25=

滚珠丝杆直径： m d B 02.0=

滚珠丝杆节距： m P B 01.0=

摩擦系数： 2.0=μ

机械效率： 9.0=η

减速比： R=1

力矩=力×力臂

L F M *=

把负载转矩转化到电机轴上的公式为：

η

πμ⋅⋅=2P T B L mg m N mg P T B L ⋅=⨯⨯⨯+⨯=⋅⋅=106.09

.0201.08.9)525(2.02πηπμ

2.2、负载的转动惯量

转动惯量反映出物体转动状态下的惯性：转动惯量大的物体的角速度更难于被改变。转动惯量大的物体比惯量小的物体更难于被加速。系统的转动惯量决定着电机的加减速时间。

转动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢，加减速时会产生震荡，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。 衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，电机的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和电机惯量相匹配才行。

负载惯量计算公式：

2

12⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=πP B m J 式中：

J1---转动惯量

m ---负载质量（检测物体+载物台）

P B ---滚珠丝杆节距

252

11062.7201.030m kg J ⋅⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=-π 假设：

滚珠丝杆转动惯量：252104m kg J ⋅⨯=- 联轴节的转动惯量：253103m kg J ⋅⨯=- 则总的负载惯量：

24532110462.110)4362.7(m kg J J J J L ⋅⨯=⨯++=++=--

选择电机时要考虑惯量匹配：

N L J J 5≤

即负载惯量不大于转子转动惯量的5倍。

2.3、负载功率

负载运行功率：

60

2L M O T n P ⋅⋅=π 式中：

O P ---负载运行功率

M n ---额定转速，取3000 rpm

L T ---负载转矩

代入数据：

W T n P L M O 3.3360

106.030002602=⨯⨯=⋅⋅=ππ 负载加速功率：

t J n P L M A ⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=2

602π 式中：

A P ---加速时的负载功率

M n ---额定转速，取3000 rpm

L J ---负载的转动惯量

t ---加速时间，取0.1s

W t J n P L M A 1441.010462.1603000260242

2=⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=-ππ 2.4、选型条件

1、惯量匹配

N L J J 5≤

2、转矩

N L T T ≤

3、输出功率

()A O A O P P P P +≤≤⎪⎭

⎫ ⎝⎛+预选电机的额定功率2