运动控制中伺服电机选型需求分析

运动控制中伺服电机选型需求分析

章雨林

施耐德电气（中国）有限公司上海分公司 201203

摘要：在运动控制中，电机的选择必须满足机械运动对功率、转速和调速的要求，以最大限度地提高发动机的使用效率。在此基础上，本文分析了运动控制中伺服电机的选择原则和要求，以及伺服电机在运动控制中的应用注意事项，以此为相关从业人员给予理论参考依据。

关键词：运动控制；伺服电机；选型需求

通常情形下,运动控制系统主要包括控制机械元件的位置和速度,以便保证能够遵循设定的运动参数和轨道移动。但目前,由于科技水平的日益提升,运动控制系统技术水平也取得了明显的提高。由传统的独立运动专用控制器提升为现代化、智能化、全自动化的控制器,在很大程度上提高运动控制的精度,从而更好地推动产品加工效率和产品质量的提升。伺服电机作为一个高频电气设备,能够更准确地控制机械元件的运动,特别是其位置和速度。但是,若要发挥其运动控制特性,有必要进行相应的选择和匹配，并注意伺服电机的选择。选择是否科学合理，将直接影响到实际工作效率和能耗，以及企业的经济效益。因此，运动控制中伺服电机的选择必须受到工作人员的高度重视。

1. 运动控制技术

运动控制是指对需要机械运动的部件的位置、速度和其他方面的变化进行实时控制和管理，以确保机械运动在方向、速度和线路方面按照预期和既定的要求进行。这个过程中涉及的技术应用称为运动控制技术。运动控制技术起源于伺服系统，主要涉及数控、机械化、自动化等技术的应用^[1]。在第一个运动控制系统中，所使用的控制器具有很强的专用性和独立性。系统的运动控制功能和相关操作不依赖于其他操作系统和处理器的支持。运动控制是自动化工程中最重要的行业之一。到目前为止，运动控制主要应用于液压泵、线性执行器等设备，实现位置和速度控制。它在包装、印刷、纺织和组装等工业生产过程中有重要应用。伺服电机是指伺服系统中用来控制机械部件运行的电机。主要使用辅助电机间接传动装置。在运动位置和速度的控制中，伺服电机可以达到更精确的控制效果，其主要核心是控制过程如何将电压信号转换成相应的扭矩和转速。因此，在选择伺服电机时对运动控制的要求非常严格。

2. 运动控制中伺服电机选型

1. 直接转动类型的选取

在运动控制中选择伺服电机的过程中，最简单、最直接的类型是直接转动电机。这种类型的电机独立于机械连接，因此无需反馈负载参数。直接转动电机的操作相对直接，速度控制和扭矩计算相对简单。在计算直接旋转方程时，电机的速度要克服摩擦阻力^[2]。在惯量计算方面，电机惯量就是负荷惯量的计算。一些固定方程式可用于计算导杆、轴和其他与发动机相关的机械部件的惯性。惯性计算完成后，可以通过电机直接读取负载惯性和摩擦力。

2. 齿轮转动类型的选取

在当前的机械转动中，齿轮旋转是一种常见形式。这种转动方式具备传动应用准确，工作效率高，使用寿命长的特点。目前齿轮技术的应用和发展达到了很高的水平。在现行标准中，齿轮的圆周速度可以达到300 m/s，最大速度可以达到10 R/min^[3]。目前，齿轮旋转有两种模式：一种是基于两个轴的相应位置和齿轮运动方向；另一种是基于齿轮的工作条件，在齿轮转动过程中，负载与电机之间存在明显的机械联系，因此有要反馈电机的负载参数。除了负载惯性反馈外，发动机还必须读取所有其他惯性，如齿轮惯性，以确保准确传输。同时，扭矩计算还涉及机械旋转动置效率的分析计算。

3. 切向转动类型的选取

切向转动电机必须获得精确的负载参数反馈，同时切向转动产生与同步带与轮滑之间的可能性较高。在某些情况下，也会发生在链条和链轮之间，或在齿条和齿轮之间^[3]。因此，在具体的选择中，应该结合实际的运动控制需要做出合理的选择。

4. 运动轨迹类型的选取

运动控制中运动路径的选择决定了控制发动机工作时间、速度、加速度和负载的要求。运动轨迹控制在运动控制过程中的应用必须补偿和克服惯性和摩擦力。在这个过程中，大部分电能将转化为热能并被消耗。同时，它还将占用大量的发动机处理能力。因此，为了确保发动机在规定的处理能力下能够实现更好的运动控制效率，有必要分别计算各种运动控制。只有确定相应控制电机的基本功率公式，实现控制容量的精确计算，才能保证运动轨迹电机的正确合理选择。

3. 运动控制中伺服电机应用的注意事项

1. 控制选择

对于电机工作的控制选择是十分重要的。控制功能的实现需要为电机的运行提供足够的加速电流和直流电流，并满足放大器转动和运动控制的要求^[5]。因此，在发动机选择方面，有必要结合控制选择的考虑来确定各种参数。

2. 温度技术与控制

电机工作时会产生大量的热能。且电机线圈的内部缠绕方式与其散热方式和散热能力密切相关。目前，电机内部散热能力的测量主要基于热阻的计算结果。因此在温度计算中，必须考虑电机的工作模式和的能量损失，从而完全控制电机的工作温度，以避免不必要的电机损伤和能量损失

^[6]。

总结：随着我国经济和科技水平的不断发展，电机的应用范围越来越广泛。电机是机械运动控制的重要组成部分，涉及多种应用类型、且使用情况更加多多样。这也要求在具体应用过程中合理选择电机类型，以保证运动控制的效率，以此提升工业的生产效率，更好地为社会和经济发展提供保障。

参考文献：

[1]陈庚. 伺服电机三闭环和多轴运动控制系统设计与实现[D].电子科技大学,2021.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2021.004336.

[2]. S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用[C]//.2015年第五届全国地方机械工程学会学术年会暨中国制造2025发展论坛论文集.[出版者不详],2015:411-416.

[3]简杰. 工业机器人伺服电机控制及运动控制系统研究[D].哈尔滨工程大学,2015.

[4]田浩志,许啸,林戈等. 运动控制卡在涡流检查控制系统中的研究与应用[C]//.2013远东无损检测新技术论坛论文集.[出版者不详],2013:339-344.

[5]曹磊. 基于直流伺服电机的模块化机械臂运动控制研究[D].武汉科技大学,2012.

[6]. 全数字化高速高精度交流伺服控制技术与装置[C]//.数控机床主要功能部件创新发展国际论坛论文集（一）.[出版者不详],2004:64-69.

姓名：章雨林 出生年月：1982.11.02 性别：男 籍贯：江苏南京 学历：大学本科 职称： 助理工程师 研究方向： 伺服电机系统