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。

word版本 .

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。

word版本 .

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。

word版本 .

永磁同步伺服电机部的转子是永磁铁，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：

word版本 .

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：

vL0.01m/s

检测物体质量： mj5kg

移动块质量：

m25kg

z滚珠丝杆直径：

dBB0.02m

滚珠丝杆节距：

P

0.01m

摩擦系数：

0.2

word版本 .

机械效率：

0.9

减速比： R=1

力矩=力×力臂

MF*L

把负载转矩转化到电机轴上的公式为：

mgPB2

TLmgPB0.2(255)9.80.010.106NmTL220.9

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。

word版本 .

负载惯量计算公式：

PBJ1m2

2式中：

J1---转动惯量

m---负载质量（检测物体+载物台）

PB---滚珠丝杆节距

代入数据：

0.0152J1307.6210kgm2

2假设：

52J410kgm2滚珠丝杆转动惯量：

联轴节的转动惯量：

J33105kgm2

则总的负载惯量：

JLJ1J2J3(7.6234)1051.462104kgm2word版本 .

选择电机时要考虑惯量匹配：

JL5JN

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：

2nMTL60

PO式中：

PO---负载运行功率

nM---额定转速，取3000 rpm

TL---负载转矩

代入数据：

2nMTL230000.10633.3W6060

PO负载加速功率：

word版本 .

2nMJLPA60t

2式中：

PA---加速时的负载功率

nM---额定转速，取3000 rpm

JL---负载的转动惯量

t---加速时间，取0.1s

代入数据：

42nMJL230001.46210PA144W600.160t

222.4、选型条件

1、惯量匹配

JL5JN

2、转矩

TLTN

word版本 .

3、输出功率

POPA预选电机的额定功率POPA2word版本

.