正确的选型是电机选择的一个重要方面。如果电机尺寸过小,它将无法控制负载,从而导致过冲和振铃。系统规模过大和规模过小一样糟糕——它可以控制负载,但也会变得更大、更重,并且价格和运营成本也更高。它可能不适合身体,而且肯定会花费更多。它将占用控制柜或车间中更宝贵的空间。
购买电机时要考虑什么?
供应商经常接到电话询问特定马力的电机。工程师可能会购买与之前平台尺寸相同的电机。他们可能增加了很大的安全裕度来补偿变化。他们可能使用了 10:1 或 5:1 的负载和惯量与电机惯量的比率,或者是上述比率的某种混合。
目标应该是指定一种电机,能够提供将负载定位在指定位置和所需时间所需的速度、加速度和扭矩。它可以包括设计用于补偿电机-两个电机变化或机器运行状况的预期变化的安全裕度。然而,安全裕度应该添加到明智的计算之上。
一个常见的错误是选择连续工作扭矩等于应用的最大扭矩要求的电机(通常在极端加速/减速期间出现)。运动控制应用通常包含简短、快速的运动。选择能够连续产生该扭矩的电机意味着要购买超出必要数量的电机。
为了有效地确定电机尺寸,有必要计算负载惯量 (JL)。负载惯量与电机惯量(本质上是转子惯量)的比率可以衡量电机控制负载的效率。高惯量比表明系统难以控制负载。低惯量比(例如 4:1 或 1:1)表明电机能够非常有效地控制负载,但也表明电机对于系统来说可能尺寸过大
通常,设计人员会考虑实际负载、变速箱和电机,但将皮带、滑轮和其他机械部件排除在外。他们只是转向下一个主要尺寸或使用相同的框架尺寸但产生更大扭矩的框架。这就是整个 10% 超大方法的来源。
选择过程包括收集数据,然后进行详细分析。它需要了解机械系统、操作参数以及设备的使用环境。它还必须包括操作环境的详细信息,因为如果不在早期阶段考虑这些,所选的系统可能不合适。
惯性——物体抵抗加速度变化的倾向——是运动控制的主要挑战之一。电机需要能够施加足够的力(在线性系统中)或扭矩(在旋转系统中)来改变负载的加速度并以受控方式实现。
在调整过程中必须考虑的主要约束可总结如下:
峰值扭矩
有效值扭矩
最大速度
电机速度-扭矩特性
此外,还需要考虑两种应用制度:
连续工作应用
间歇值班申请
这两种应用方式之间的差异可以通过车床来说明。车床的主轴驱动是连续工作应用,因为它在恒定负载下以恒定速度运行;由于遵循所需的刀具路径需要加速和减速,轴驱动器是间歇性负载应用。
速度和电机
机器人和机床的驱动器不断改变速度以生成所需的运动轨迹。齿轮比的选择及其与电机产生扭矩的关系需要充分考虑。如果负载需要以恒定速度或扭矩运行,则可以确定最佳传动比。在实践中,要考虑的情况包括有和没有外部施加负载扭矩的加速度以及可变负载惯量的影响。
了解负载所需的速度范围和所需齿轮比的初始估计将允许估计峰值电机速度。为防止电机因电源电压波动而达不到所需速度,所需的最大速度应增加 1.2 倍。该系数对于大多数工业应用来说是令人满意的,但可以针对特殊应用进行改进,例如当系统必须在飞机和海上石油平台等多种应用中的有限电源下运行时。
电压
由于电机的峰值速度取决于电源电压,因此需要考虑低电压周期。作为指导,驱动器的大小通常应使其能够在标称电源电压的 80% 下以峰值速度运行。如果系统由容易受到停电影响的电源供电,则必须非常小心,以确保驱动器、其控制器和负载免受损坏;对于微处理器系统来说,这一点尤其严重,如果配置不当,微处理器系统可能会在没有警告的情况下锁定或重置,从而导致可能的灾难性情况。
在加速性能非常重要的情况下,必须将电机惯量添加到反映的负载惯量中,并且必须确定以所需速率加速总惯量所需的扭矩。需要峰值扭矩能力至少为该值 1.5 至 2 倍的电机驱动组合,以确保足够的扭矩能力。
电机驱动组合的峰值扭矩必须超过估计摩擦扭矩加上加速扭矩加上加速过程中出现的任何连续扭矩负载的总和,安全裕度至少为 15%。如果无法实现,则需要不同的电机或齿轮比。
在高性能机器上,最新的自动调谐驱动器可以非常有效地补偿机器共振和振动,即使在非常高的速度下也能支持精确的性能。电磁兼容性对系统的设计和应用有相当大的影响。
动力传输组件
必须在选型和选择过程的早期阶段确定电机的机械要求。经常被忽视的项目包括机械设计引起的任何尺寸和方向限制。
如果能够在早期阶段识别出这些问题,则可以防止设备安装后出现性能不佳的情况。特别是,如果电机安装在垂直位置,则可能需要特殊的垫片或轴承预载。
在确定驱动要求时,摩擦扭矩可能是电机选型过程中最困难的方面。
轴承
对于旋转轴,轴承是最广泛使用的支撑方法。有许多不同的类型可供选择,其中最常见的是滚子轴承和球轴承。
变速箱
传统的齿轮系由两个或多个齿轮组成,用于改变输入轴和输出轴之间的角速度和扭矩。齿轮箱提供了管理惯性的重要工具。变速箱按齿轮比的平方减少惯性。代价是变速箱也会降低电机速度。大多数伺服电机的运行速度在 2000 至 6000rpm 之间,这使得它们即使与高减速比变速箱一起使用也能以有用的速度运行。
正齿轮或斜齿轮通常用于传统的齿轮系中。正齿轮的优点是产生最小的轴向力,从而减少了齿轮轴承的任何运动问题。
斜齿轮广泛应用于机器人系统中,因为在相同的变速比下,与正齿轮相比,斜齿轮具有更高的重合度,但缺点是轴向齿轮负载。
齿轮传动的限制因素是轮齿的刚度,可以通过选择适合应用的最大直径齿轮来最大化轮齿的刚度,同时最小化各个齿轮之间的齿隙或空转。
导程和滚珠丝杠
在丝杠中,丝杠和螺母之间直接接触,这会导致相对较高的摩擦力,从而导致驱动效率低下。对于精密应用,使用滚珠丝杠是因为其摩擦力低,因此具有良好的动态响应。
滚珠丝杠在原理上与丝杠相同,但动力通过螺母螺纹中的线性滚珠轴承传输到螺母。
皮带传动
使用齿形带或链条传动是电机和负载之间动力传输的有效方法,同时仍保持同步
在线性驱动应用中,应用于导螺杆和滚珠丝杠的相同过程也可以应用于皮带驱动。
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