交流伺服电机是一种电动机(旋转致动器),可以精确控制位置、速度和加速度。采用闭环系统有一个反馈设备(如编码器)与数控机床控制等控制进行通信。
由电力控制的磁力用于驱动这些电机。磁极数会影响整个电机的特性:磁极数越少,它的旋转速度就越快,但可达到的扭矩会更低,反之亦然。交流伺服电机使用交流或直流电流。对于交流电,速度由电压频率决定,而速度与直流电压成正比。有刷电机在气缸内使用导电材料,当它旋转时,它会靠在换向器上。无刷电机只使用电力进行换向。伺服电机也可以是实心轴或空心轴。
在运动控制应用中正确选型交流伺服电机都是不容易的,因为不仅要考虑加速、减速和运行扭矩,还要考虑伺服电机严格控制负载速度、位置或扭矩的能力. 这意味着必须计算峰值扭矩测量值,通常在加速或减速期间,以及运行/正常扭矩。此外,必须计算系统的惯性(负载对速度变化的阻力),以确保电机/驱动系统能够控制负载。那如何搞定我们的交流伺服选型呢?
一、伺服电机选型的三大因素
为应用或系统计算和选择伺服电机的过程通常称为选型。这是因为应用程序中最关键的公式(速度和扭矩之间的关系)从本质上决定了电机需要多大及其相对的力密度。为了计算这些,需要确定有效载荷的重量、循环的距离和速度以及运动之间的休息/冷却等应用因素;
一旦指定了应用,确定电机所需的峰值扭矩、连续扭矩和速度将大大缩小选择哪种电机。扭矩和速度选择伺服电机同等重要。扭矩曲线是用来表示这种关系的工具,它显示了相对扭矩和速度何时可以同时保持,无论是连续的还是间歇的。
另外两个关于伺服电机扭矩和扭矩曲线的有用术语是额定扭矩和额定速度。额定扭矩是电机可以连续产生的最大扭矩,额定速度是额定扭矩可用的最高速度。
1、连续扭矩
连续扭矩,是一个完整周期内扭矩的时间的平均值;这需要落在扭矩曲线的连续区域内才能保持所需的速度。
2、峰值扭矩
峰值扭矩是整个循环中任何一点所需的最大扭矩。理想情况下,峰值扭矩位于扭矩曲线的间歇区域,因为它不那么可持续。如果应用所需的峰值扭矩落在电机的连续区域内,则它可能过大。
3、速度
在选择伺服电机时,与负载重量一样重要的是要知道所需的速度。一般来说,给定电机旋转的速度越高,可能的扭矩就越低。由于包括反电动势在内的不同因素,低极数会导致高速和低扭矩。
循环越接近电机的极限,它就会变得越热。需要选择不会过热的电机,但也不会太大而没有成本效益。一旦确定了这些关系,就可以确定其他重要但不太关键的因素。
二、选择合适的伺服电机的其他关键因素
虽然确定速度和扭矩要求使我们能够在很大程度上确定正确的交流伺服电机,但根据环境和应用,还有其他因素和选项需要考虑。
1、传动比
并非所有交流伺服电机都有齿轮,但很多都有。随着直驱动电机的出现,齿轮电机被认为更原始,但可用于放大低极数电机的扭矩能力。在齿轮系统中,伺服电机转动一个驱动齿轮,该驱动齿轮转动另一个与有效负载更紧密连接的齿轮。(伺服电机中可以有不止一个齿轮对。)齿轮对之间的齿数比制定了齿轮比。一旦确定了这一点,就可以使用标准扭矩方程来计算电机的实际扭矩。
2、惯性
在处理旋转时,负载的形状和质量会在电机和负载加速或改变方向时产生惯性。电机在转子中有自己的惯性,与有效负载相比,它通常可以忽略不计,负载也是如此,负载会因运动中的任何摩擦而增加,例如滑轮或工作台。当没有已知的扭矩值时可以使用惯性,因为它是处理旋转时 F=ma 方程的质量。
3、准确性
直接驱动电机的精度不受机械限制,这意味着电机将像它使用的反馈一样精确地运行。也就是说,编码器的选择通常更多地基于适合整体机械结构的内容,而不是电机性能的结果。
4、环境因素
环境因素会影响整体选择,因为如果环境与标准室温不同,则电机的性能会发生变化。例如,环境温度越高,可能的连续扭矩就越低。在环境温度高和/或持续扭矩要求高的环境中,液体冷却是一个不错的选择,但必须避免直接接触电机机械结构和连接。
其他环境因素包括污染和振动,这在造纸厂、石油钻井平台或钢铁厂等地方很常见。具有专用、额定、密封和集成的电机专为这些应用而制造。
5、效率
伺服电机的效率只是需要多少电流才能实现恒定扭矩值。这称为转矩常数 (Kt),可在电机数据表中找到。
绕组是指线圈彼此相对接线的不同方式(串联或并联),不同的绕组选项会产生以下权衡:电流效率较高的绕组具有较低的速度能力,而具有较高速度能力的绕组具有较低的速度能力当前的效率。当所需速度已知时,绕组将基于更有效的选择,同时仍能达到所需速度。
总结
选择合适的交流伺服电机首先要了解应用,确定运动的特性、运动的方式和速度。确定关键的速度和扭矩要求,这将大大缩小可供选择的电机范围。还应考虑其他因素,如环境、效率、准确性和传动装置。当然,任何这些的顺序和优先级都可能因应用程序而异。