运动控制中伺服电机选型需求研究

李光辉++郭伟博

摘 要：生产机械的工艺要求以及使用的环境是电动机在电力拖动与控制系统中的主要根据。在对运动控制方案进行选择时，首先要确定的就是运动载荷的力学特性，在得到了该运动载荷的力学特性正确的物理数据之后，就可以对控制方案进行确定，并且可以选取合适的电机。在对电机进行选取时要使电动机能够满足生产机械对于功率、转速、启动、调速、转动以及过载的要求，这样对于电机的利用率才能达到最大。本文就是对运动控制中伺服电机选型的需求进行具体阐述。

关键字：运动控制；伺服电机；力矩

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.237

0 引言

所谓运动控制指的就是对于机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，并且使其按照预期的运动轨迹以及规定的运动参数进行运动。运动控制起源于早期的伺服，在最初运动控制技术是依靠着数控技术、工厂自动化技术、机器人技术等等技术进行发展。早期的运动控制是可以进行独立运行的专用控制器，这不需要其他的处理器和操作系统支持依旧可以对运动控制功能、工艺技术要求以及其他操作很好的完成。运动控制是自动化的一个分支，现在运动控制主要是为一些例如液压泵、线性执行机等一些设备来控制机器的位置或者是速度。现在运动控制主要被广泛的应用于包装、印刷、纺织和装配工业中来。而伺服电机指的是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机对于速度以及位置可以进行非常精准的控制，同时也需要将电压信号转化为转矩和转速，因此在运动控制中对于伺服电机的选型要进行严格的把控。

1 实现运动控制中的伺服电机选型原理

（1）直接转动。在实现运动控制中的伺服电机选择时，直接转动是最直接最简单的类型，直接转动因为没有涉及到机械联动，所以反馈负载参数也就不再需要。也正是因为直接转动的方式较为简单，所以在对转速以及力矩计算的过程中相对于其他方式来说也较为简单。在进行直接转动方程式计算的过程中，负载的转速、摩擦力也就是电机的转速、和电机所要克服的摩擦力。对于惯量来说，载荷惯量就是电机所要计算的惯量。对于一些需要例如轴件、导杆等有关机械零件的惯量计算时，可以利用一些固定的方程式。在计算出惯性后，对于载荷惯性和摩擦力就可以通过电机进行读取。

（2）齿轮转动。齿轮转动是现在机械转动中应用较广的一种转动形式，在进行工作的过程中，具有传动准确，效率较高，结构紧凑，工作可靠，寿命较长等特点。以目前的技术来说，齿轮技术已经能够达到一定的标准，其中圆周速度V=300m/s，转速n=10r/min，传递的功率P=10KW，直径d=1mm到152.3mm。现在的齿轮转动主要分为两种类型，首先是根据两轴的相应位置和齿轮的方向可分为一大类，其次是根据齿轮的工作条件又可以分为一大类。在对齿轮转动进行应用的过程中，因为机械联动系统存在在载荷和电机之间，所以也必须对电机实行载荷参数。电机在对除反馈载荷惯量的全部惯量进行读取时，为保证结果的精确，也必须在读取时包括齿轮的惯量。同时，在进行力矩的计算时也必须要对机械转动装置的效率进行考虑。

（3）切向转动。切向转动要将所得到的载荷参数反馈给电机轴，而切向转动可能是同步带和滑轮之间形成的，可能是链条和链轮之间形成的，可能是齿条和齿轮之间形成的。

（4）球螺杆转动。球螺杆是载荷参数在反馈给电机时，除了要对载荷惯量进行计算之外，还必须对其产生的惯量进行计算。但是，因为球螺杆所产生的惯性相比之下较难计算，所以可以使用锟筒计算公式对其近似。在一些需要进行较为精准定位的应用，为消除或者是减少反向齿隙所产生的影响可能预先加载球螺杆，但是这样可能会导致对式计算结果出现一些误差，所以在计算的过程中必须包含预紧力，最后还要对传动效率进行考虑以确定力矩。

（5）运动轨迹。电机的加速度、运行所需要的时间、速度以及负载的加速度都由运动轨迹所决定。在进行一些运动轨迹的应用中，因为需要克服惯性、摩擦力等，所以大部分的电能都转化为热能而被消耗。所以为保证不超过电机的最大容量处理能力，在进行计算的过程中需要对每一种不同的应用都要进行单独的测算。只有对每一台电机的基本动力公式和容量计算好，才能使应用成功的概率得到保证。

2 运动控制中的伺服电机应用实例

（1）加速力矩。加速力矩就是在啟动载荷运动时，所克服的机械摩擦力和惯量过需要的力矩。在对加速力矩进行计算的过程中所需要的公式为：加速力矩=（全部惯量）*（加速度）+（全部摩擦力矩）。电机在运动控制占据着重要的地位，它能够为整个摩擦力与惯量进行的加速度提供所需要的全部力矩和能够推动自身运动的力矩。

（2）整个工作周期的力矩。电机在进行工作的过程中，要对运动轨迹所需要的力矩进行提供，因此就必须对运动轨迹中的其他部分进行考虑，并进行有关的力矩进行确定。整个工作周期所需要的连续力矩的均值为27.18N-m.

（3）控制选择。控制选择在电机进行工作的过程具有较为重要的意义。在进行控制的过程中必须要提供足够的加速电流和连续电流，这样才能保持合理控制或是放大器转动的需要。

（4）对于温度计算。对于电机来说，只要进行工作就会在工作的过程中产生一些热能，所以电机内部的绕组方式将决定电机本身的散热方式以及散热能力。而热阻的出现就是衡量电机内部散热能力的一种重要方式，在进行计算的过程中，电机绕组方式也是必须计算的一项内容，而计算的第一步就是算出能量的损耗，这样的就计算过程就避免不了的要用到整个工作周期的电流以及电机所产生的电阻。

3 结束语

现在的社会在不断进步，各种科技也在进行着不断的创新，电机也在这样的大形势下得到了广泛的应用。电机泛指一种能使机械能转换为电能、电能转换为机械能的一切机器。而伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速的装置。在对电动机进行容量选择的过程中要保证生产机械无论是对电动机的功率、转速、扭矩还是对电动机的启动、调制、过载的过程都完全满足。只有保证在运动控制中，保证伺服电机的选型完全符合要求，才能保证工作得更好。

参考文献：

[1]段宝利，徐晓东.运动控制中伺服电机选型需求分析[J].自动化与仪器仪表，2017，（02）：70-73+76.

[2]高成敏.平面二自由度机器人的运动控制系统研究[D].齐鲁工业大学，2016.

[3]沈孟锋.基于FPGA+DSP的运动控制系统研究[D].浙江师范大学，2016.endprint