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自動化設備設計中伺服電機的選擇


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伺服電機是自動化領域中使用較為廣泛的電機,通常用於專案中較精確的速度或位置控制部件的驅動。自動化設備的設計者常常需要面臨各種各樣不同需求的電機選型問題,而供應商提供的電機也是五花八門,引數多如牛毛,常常使初學者一頭霧水,本文僅根據編者的實際工作經歷做一些分享,望能夠給需要者提供一些幫助。

1.應用場景

自動化領域的控制型電機可分為伺服電機、步進電機、變頻電機等。在需要較為精確的速度或位置控制的部件,會選擇伺服電機驅動。

變頻器+變頻電機的控制方式,是通過改變輸入電機的電源頻率而改變電機轉速的控制方法。一般只用於電機的調速控制。

伺服電機與步進電機相比:

a) 伺服電機使用閉環控制,步進電機為開環控制;

b) 伺服電機使用旋轉編碼器計量精度,步進電機使用步距角。普通產品級別上前者的精度可達後者的百倍數量級;

c) 控制方式相似(脈衝或方向信號)。

2.供電電源

伺服電機從供電電源上區分可分為交流伺服電機和直流伺服電機。

二者還是比較好選擇的。一般的自動化設備,甲方都會提供標準的380V工業電源或220V電源,此時選擇對應電源的伺服電機即可,免去電源型別的轉換。但有一些設備,比如立體倉庫中的穿梭板、AGV小車等,由於本身的移動性質,大部分使用自帶直流電源,所以一般使用直流伺服電機。

3.抱閘

根據動作機構的設計,考慮在停電狀態下或靜止狀態下,是否會造成對電機的反轉趨勢。如果有反轉趨勢,就需要選擇帶抱閘的伺服電機。

4.選型計算

選型計算前,首先要確定的是機構末端的位置和速度要求,再者確定傳動機構。此時即可選擇伺服系統和對應的減速器。

選型過程中,主要考慮以下引數:

4.1.功率和速度

根據結構形式和最終負載的速度和加速度要求,計算電機所需功率和速度。值得註意的是,通常情況下需要結合所選電機的速度選取減速機的減速比。

在實際選型過程中,比如負載為水平運動,因為各個傳動機構的摩擦繫數和風載繫數的不確定性,公式P=T*N/9549往往無法明確計算(無法精確計算扭矩的大小)。而在實踐過程中,也發現使用伺服電機所需功率最大處往往是加減速階段。所以,通過T=F*R=m*a*R可定量計算所需電機的功率大小和減速機的減速比(m:負載質量;a:負載加速度;R:負載旋轉半徑)。

有以下幾點需要註意:

a) 電機的功率富餘繫數;

b) 考慮機構的傳動效率;

c) 減速機的輸入和輸出扭矩是否達標,並有一定的安全繫數;

d) 後期是否會有加大速度的可能性。

值得一提的是,在傳統行業中,例如起重機等行業,使用普通的感應電機驅動,加速度無明確要求,計算過程使用的是經驗公式。

註:負載垂直運行的情況下,註意把重力加速度計算在內。

4.2.慣量匹配

要實現對負載的高精度控制,需要考慮電機與系統的慣量是否匹配。

對於為什麼需要慣量匹配的問題,網上並沒有給出一統江湖的說法。個人理解有限,在這裡就不解釋了。有興趣的朋友可以自行考證一下並告知一聲。慣量匹配的原則為:考慮系統慣量摺合到電機軸上,與電機的慣量比不大於10(西門子);比值越小,控制穩定性越好,但需要更大的電機,性價比更低。具體的計算方法如有不明白的請自行補學大學”理論力學”。

4.3.精度要求

計算經過減速機和傳動機構的變化後,電機的控制精度是否能夠滿足負載的要求。減速器或某些傳動機構有一定的回程間隙,都需要考慮。

4.4.控制匹配

這個方面主要是與電氣設計人員溝通確認,比如伺服控制器的通訊方式是否與PLC匹配,編碼器型別及是否需要引出資料等。

5.品牌

目前市場上伺服電機品牌眾多,性能也是千差萬別。大體來說,如果不差錢,就選用歐美的,稍微差點錢,選日本的,再次臺灣和國產的。不是小編崇洋媚外,是實際使用得來的教訓。根據過往經驗,國產的伺服電機本體基本性能上沒什麼問題,主要伺服控制器的控制演算法、集成度和和穩定性方面有一定的差距。希望國內廠商繼續努力,縮小與國外產品的差距。

如果讀者有使用效果較好的國產品牌,請推薦給大家,畢竟,國貨當自強也需要我輩的支持。

常用的一些伺服電機品牌:

歐美系:西門子、ABB、倫茨等;

日系:松下、三菱、安川等。

值得一提的是,做自動化的設計,要學會借外力。特別是做非標自動化,面臨太多設備的選型和計算,往往不堪重負,加班累成狗是常態。現在伺服電機廠商都會提供技術支持,只要你提供給他負載、速度、加速度等引數要求,他們有一套自己的軟體自動幫助你計算並選擇合適的伺服電機,非常的方便。

但小Z理解,即使有這麼方便的路可以走,也是有必要瞭解其中的原理並知曉其所以然。大家怎麼認為呢?

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