三菱交流伺服电机的选择.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date三菱交流伺服电机的选择三菱交流伺服电机的选择 三菱交流伺服电机的选择 杨世方 基本理论 对伺服驱动来讲，应当首先考虑的是：1，最大速度或最大转矩下所需的功率2，启动、停止过渡过程中所通的功率 而对伺服电机来讲，由于其使用目的主要还在于后者，即主要是根据负 载加减速时所需要的动力（功率）来决定马达大小，因此主要依据是： （1）负载的惯性大小 （2）合理选取传动比 电机选

2、取则主要依据功率速率（比功率）下面看一个选取例： M M L JL TLJM TM 符号说明：TM ：电动机轴上所需的电机扭矩 N-mJM : 电动机轴上的电机转动惯量 kg-m2 (=GD2/4)R ： 传动比 R1 减速R= 1 等速R 1 增速 ：传动效率 1TL ：负载轴扭矩 N-mJL ：负载轴上的负载的转动惯量 kg-m2 千克米2L ：负载轴角加速度M ：经过传动比为 R的传动，为使负载轴得到角加速度L在电机轴上的角加速度MM = RL起动时所需电机转矩TM 为下列几相之和（1）用于电机本身加速的加速转矩 T1 N-m（2）使负荷加速的转矩 T2 N-m（3）为使负载轴（经过传动

3、装置）得到转矩 TL 所需要的转矩 T3 N-m T2和T3 不同，T3是正常运行时所需转矩则： T1= JM M = JM RL 根据，RT2 = JL L （牛顿定律）负载加速转矩 ：T2=（ JL L）/R正常运行时电机提供转矩：T3= TL/R 电机起动转矩 TM T1+T2+T3 JM RL +（ JL L）+TL/R-(1) 对上式右侧求R的偏微分，并使其等于零，即可求得（1）式右变最小值时的R0 TM / R =0 R0 = (JL L+TL)/ JML - （2）R0 称为最佳传动比，就是能使 TM最小的传动比，选取这个传动比，电机所需的起动矩扭最小。 若将 R0 值（2）代如

4、（1）式，求得 起动扭矩T3 : TM 2 JML(JL L+TL)/ - （3）启动后电机就以一定的速度运行，此时所需转矩 T0 = TL/R0- （4） 在反复进行起动、运行、停止、操作时电动机必须这样来选择，使电机连续输出转矩大于各阶段所需转矩的均方根值。 社电机起动停止时间相同（参考下图）电机的转据均方根值为TRMS, 则： TRMS = (2Ta2ta + T02t b)/t - （5）WL ta tc 时间 tb TaTaT0 对式（5）平方，再除以 JM（注意，这一步很有意义，并注意它的量纲）TM2/JM TRMS2/JM = 1/JMt 2Ta2ta + T02tb-（6）再将

5、（3）、（4）式代入（6）式可得：TRMS2/JM =1/ t8L（JL L+TL）ta+ （TL2 L）/（ JL L+TL）tb-（7）根据（7）式右侧负载条件进行计算，就可选取伺服电机。在对某些变量定义： 加速转矩： TA=JLL Kg-m 负载转矩： TL=TL/9.8 Kg-m 最大转居（峰值转矩）：TP=TA=TL Kg-m 负载轴转速： NL=60/2LtL rpm将这些条件代入（7）式，并将绝对单位化成重力单位系统 PRL=NL/973tat（8TPTa+TL2/ TPtb） kw/s-（8）（8）式称为比功率，或叫做功率速率，它反映了电机在单位时间内所能提供的加速扭矩的能力。

6、三菱伺服电机样本中都提供了这一重要参数，很多人不明白，也未重视。现在我将此式的意义再详细讲解一下：在中学就学过这样的关系：f= m a a=f/mf a=fv/t= P/t= f2 /m-直线运动中的比功率在旋转系统中，J = T , J=J2 /T-旋转系统中的比功率现在，根据实例学会选择，伺服电机选取步骤如下：（1） 掌握负载形式 负载惯量 负载转矩 负载因数（2） 功率速率计算（比功率/功率比计算）根据（8）式计算，选择比功率大的伺服电机。（3） 传动比计算 最佳传动比的计算根据（2）式计算最佳传动比R0 = (JLL+TL)/ JML = （TA+TL）/ (GDM2NL/375ta

7、)式中：JML= （GDM2/49.8 ）2/60 NL/ta GDM2 ： kg m2 ( 千克米2 ) 复核所需转矩 传动比计算出后，对转动惯量加以考虑，在对加速时电机需要的转矩进行复核。 如果：电机转矩严重不足 将 GDM2考虑后计算比功率修改传动比电机转矩稍许不足 修改传动比，使电机转矩控制在额定转矩内 转速复核 根据上述传动比复核一下电机最高转速是否在电机最高转速以下 如果; 电机转速不够 选择在相同比功率之下的额定转速高的电机 没有转速更高的电机时 确定不超过电机额定转速的传动比，提高电机容量。（4） 电机容量的决定 若确定了电机种类和传动比，根据下图负载情况假设必要的转矩，鉴定是

8、否在电机额定转矩内电机所需转矩 TM （计算出的所需转矩）（安全系数）TRMS 1.2式中：TRMS = ( TPta +TL2ta+TS2td )/ t kgm2 -（4） NM ta tb td 时间 s tTP TL 时间 s TS实例：运动系统基本要求 项目内容 规格最大速度 V 15 m/min最大移动量 S 100 mm最大移动量移动时间 t1 0.5 s t1=ta+tb+td 停车时间 t2 0.5s t2=t-t1可动部分重量 W 50 kg 力的单位传动效率 95%磨擦系数 0.15 V=15m/min W=15kg =0.15 滚珠丝杠 长 L=1000mm 螺矩 PB=

9、10mm/rev传动比 R伺服电机 转速 NL 效率 （1）负载惯量：(由两部分组成) GDL2： 可移动部分惯量（经丝杠传动后） GDW2 GDW2=W（PB/）2=50x0.101x(0.01)2 式中0.01=(1/)2 =5.05 x10-4 kgm2 ： 传动丝杠惯量 GDS2 GDS2=/8ld4 10 3=/87.87103（0.02）4 =4.95x104 kgm2 其中：-材质比重所以：GDL2=GDW2+GDS2 =(5.05+4.95) 10-4= 10 10-4 kgm2（2）磨擦力矩： TL (磨擦力矩每秒转过弧度数=摩擦力每秒位移量)TL =(W/2)V/NL= (

10、0.15X50)/2xx0.95x15/1500=0.0126 kgm式中丝杠转速 NL= V/PB=1.5/0.01=1500rpm（3）加速力矩：TA可允许起动、停止时间：ta,tdTA=td=t1-s/( v/60)=0.5- 100/ 15x (1000/60)=0.1s加速力矩：TA=(GDL2 x NL)/375 x ta =( 10x104x1500)/375x0.1x 0.95=0.421 kgm减速力矩：TS TS= (GDL2 x NL)/375 x td-TL = 0.0421-0.0126 = 0.0295 kgm所以加速时力矩 TP=TA+TL=0.0421+0.01

11、26=0.0547 kgm 减速时力矩 TS=TA-TL=0.0421- 0.0126=0.0295 kgm（4）设负载必要的功率速率 PRL=NL/973ta(t1+t2)x8TPta+(TL2/TP)(t1+ta-td) =(1500/973x0.1x1)x8x0.0547x0.1+(0.01262/0.0547)(0.5-0.1-0.1) =0.69KW/S安全系数设为1.2，则： PRL=1.2X0.69=0.83 KW/S假定根据样本选择了一种电机，数据如下：比功率： 1.3 KW/S额定扭矩： 2.43 kgcm惯性矩： 1.72 kgcm2 功率： 100W 转速： 4000rp

12、m （5） 转速比计算，传动比计算R= (TA+TL)/(GDM2xNL)/375xTA = 0.0547/ (4x0.43x10-4x1500x0.95)/375x0.1 =2.9当R=2.9时，最高速度 NM=1500X2.9= 4350 超过了电机最高转速4000设选取 R=2.5时 NM = 1500X2.5=3750 rpm,再额定转速以下，可以使用。（6）电机容量选择将所有转动惯量折算到电机轴上：丝杠：GDS2 = 0.5x10-4 kgm2 电机本身：GDM2 =1.72x10-4 kgm2负荷惯量：= GDL2/R2全部：GDT2 = GDM2 + GDS2 + GDL2/R2

13、 =3.82 x10-4 kgm2将前面摩擦力矩换算到电机轴上，TL =TL/R =0.0126/2.5 =0.005 kgm2电机加速力矩： TP =(GDT2x NM )/375 x t a + TL = (3.82x10-4x3750 )/375 x0.1x0.95+0.005 =0.0452 kgm2假设机械减速时，TS = TP 则电机实际有效转矩TRMS= (TP2x ta +TL2x tb +TP2x td)/t1+t2 =(0.04522x0.1 + 0.0052 x0.3 +0.04522 x0.076 )1/2 0.0192 kgm2安全系数取1.2则：TM =1.2 x

14、0.0192=2.31 kgm2在电机曲线内连续可用。几个常识问题（1）关于大惯量电机和小惯量电机的选用（2）关于负载惯量与电机惯量之比的问题：笼统讲相接近，但三菱普通在1/15之内，样本中给出了此值，不要超出。否则性能不好。（3）电机曲线中，连续运行时不要超过额定转矩，短时运行不超过最大转矩。额定转矩就是在额定电压、频率、额定转速下允许长期运行提供的转矩。（4）选取其它厂家电机时可按 比功率=力矩2/转动惯量= J2 /（973T ） 选取功率变化率 单位 J-Nm T-Kg2 （5）伺服电机为何常常用扭矩表示其参数：机床行业、加工中心、机器人通常伺服电机用作进给控制，需要电机保证足够的扭矩

15、，所以常以扭矩表示电机参数，而且，伺服电机在额定转速下往往都是恒扭矩运行方式，他的功率输出大小不那样受设计者关心。日本伺服电机普遍提供了电机的 KW/S 值，有的如安川还提供了 电机的扭矩常数、角加速度、机械时间常数、电气时间常数，再电机的过渡过程中，这些参数都有用。事实上功率速率= 额定扭矩 角加速度 不信可自己算算单位为 rad/s2 单位为 Nm 单位为 W/s（6）西门子伺服电机选取方法1， 先对电机频矩曲线作一认识 转矩 Nm 0 1020 5040 30 伺服电机1FK7083-5AH71 特性曲线 a b c S3 -25% S3 -40% T0 S1(100K) S3-60%

16、S1-(60K) 1000 2000 3000 4000 5000rpma 驱动器 MASTERDRIVES MC VDCLink=540V (DC) Vmor=340Vrmsb 驱动器 SIMODRIV 611(UE)VDCLink=540V (DC) and MASTERDRIVES MC(AFE) VDCLink=600V (DC) Vmor=380Vrmsc 驱动器 SIMODRIV 611(IR) VDCLink=540V (DC) Vmor=425Vrms图中： S1- 电机连续工作制方式 S3- 电机断续工作制方式，随后标以负载持续率如25% 100K,60K - 是指电机最高容

17、许温升（国际单为制）。100K就是100定义：起动扭矩：曲线上当转速=0 时的扭矩值，也就是当电机刚接通电源时的输出扭矩，他等于电机堵转扭矩最大扭矩：电机在额定转速下运行所输出的最大扭矩值，可见与驱动器所能提供的最大电流有关，当负载超过最大扭矩值时电机堵转。额定扭矩：T0,额定转速下的输出扭矩S1(100k)曲线是我们通常使用的额定特性曲线，（多数情况下看成连续工作方式）伺服电机选取是的误区1， 算出加速扭矩后，不要将此值当作伺服电机的额定扭矩看。2， 一定要计算出一个工作周期内的均方根扭矩值，并以此作为额定扭矩对待，西门子伺服电机曲线中对应S1(100K)以下，日本伺服电机对应曲线阴影以下部

18、分 扭矩 起动扭矩 可连续运转领域 额定转速 转速 n 额定转矩 堵转扭矩3， 对西门子电机来说，最大扭矩（自治应大于负载加速扭矩值）与驱动器（电源模块）提供电流的能力，对不同的驱动器此值不同，通常最大扭矩是额定扭矩3倍左右 而且此值随转速升高急剧下降。 选择步骤：用流程图表示 确定机械结构 1， 掌握负荷形式 确定运动曲线 计算负荷转矩 计算负荷惯量 决定负荷系数 2， 计算功率速率（比功率） 选择比功率值大的电机 3， 计算确定传动比 最佳传动比计算 电机转矩严重不足 转矩复核 将电机转动惯量考虑后修改传动比 电机转矩 稍许不足改变传动比，使电机转矩控制在额定转矩内 转速复核 转速不够 选择相同比功率下 额定转速高的电机 若没有转速更高的电机 重新确定传动比，提高4， 电机容量 电机容量确定-