电动机选择基础

步进与伺服电机选型计算
步进电机与伺服电机的计算大致相同。可以用同一个计算模型。电机选型计算的数 学模型很多，有各种Excel计算版本，较大的电机供应商也有开发自动选型计算软件。各 种不同的计算模型其原理基本一致，只是表达方式不同。本讲使用一种比较简单的模型 。电机选型计算步骤大致如下： 1.计算电机转速。首先根据工作条件计算出正常工作时电机的转速。转速计算有根据 步距角-分辨率-脉冲数进行详细计算的方法，也可根据宏观移动量与移动时间计算，二者 计算结果略有差别，但差异不会太大。若有减速机构，折算到电机输出轴的速度才是电 机转速，而折算到减速机构输出轴的速度将用于计算启动转矩。 2.计算负载转动惯量。被电机驱动的所有零件构成一个系统，需要计算出此系统的转 动惯量，有减速机构，就折算到减速机构的输出轴上，没有的话，就折算到电机的输出 轴上。 3.计算转矩。转矩包括两部份内容，一是负载受力及自重、摩擦力等导致的转矩，这 部份称为负载转矩，二是转动惯量导致的转矩，这部份称为启动转矩，也叫加速转矩。 4.复核转矩。根据计算结果和电机的转矩曲线，确认电机是否超载及转矩安全余量是否 足够。步进电机的安全余量取大一些，伺服电机的余量可取少一点。 5.复核惯量比。计算出惯量比，根据系统要求及电机特性，确认惯量比是否合理，是否 需要采用减速机构或调整减速比。若减速比变化，则需要再次确认电机转速是否满足要 求，同时启动转矩也将发生变化，需要重新复核转矩。 6.复核功率。对于伺服电机，以上工作完成后，还应复核负载功率是否超过电机额定功 率，避免超载运行。一般来说，转矩与惯量比符合要求后，功率一般也不会超。
伺服电机选型参数
这是松下电机 (Panasonic)的伺服马达选 型资料摘录。需要关注的是 额定功率、额定转矩、额定 转速、转子惯量、惯量比、 转矩曲线。
ห้องสมุดไป่ตู้服电机选型参数
这是三菱电机 (Mitsubishi electric) 的伺服马达选型资料 摘录。
伺服电机选型参数说明
步进电机选型要关注的是五个参数，即：额定功率、额定转矩、额定转速、转子惯量 、(惯量比)、转矩曲线。 1.额定功率，即是额定条件（额定电压和额定电流）下电机的功率。由于负载的不同 ，电机的实际电流是变化的，故实际功率也随负载变化，若实际电流长时间超过额定电 流，电机将发热烧毁。 2.额定转矩，即是额定条件下电机输出轴上的电磁转矩。伺服电机具有恒转矩特性， 在速度不超过额定速度的情况下，其输出转矩等于额定转矩。负载转矩只要不超过额定 转矩，便能保持系统的稳定。伺服电机允许短时超载，其允许的瞬时最大转矩一般约为 额定转矩的3倍。但不应让电机一直在超载状态下运行。 3.额定转速，即是额定条件下的电机转速，也是电机能长时间正常运行的最高速度。 伺服电机一般允许短时超速，但是超速运行时，电机输出转矩不再是恒转矩，而是随速 度增加而变小（保持功率恒定），并且不可以长时间超速运行。 4.转子惯量与惯量比，转子惯量是电机转子相对于其旋转中心的惯量。负载惯量与转 子惯量之比称为惯量比。伺服电机通常有一个推荐的最大惯量比，这个值仅仅保证系统 能工作，要想系统有良好的稳定性及响应速度，惯量比一般不要超过10，追求高响应速 度的系统，惯量比尽可能不要超过3，否则要采用减速机构来降低惯量比。 5.转矩曲线。伺服电机的转矩曲线比步进电机的转矩曲线显得简单，一般有连续运转 曲线和短时运转曲线两条曲线，设计时要使用连续运转曲线，确保实际速度小于额定速 度，负载转矩小于额定转矩并预留一定的安全额度，也就是使用连续运转曲线的直线段 下方区域。
4.在这个 新窗口里 ，在电机 轴所在位 置创建一 个坐标系.
5.相对于所创建的坐标系进行质 量分析，得到转动惯量矩阵， 与电机轴重合的那个轴的值， 就是总转动惯量J.注意单位！
转动惯量计算(1)
转动惯量计算(2)
2.旋转运动转动惯量的计算。 旋转运动转动惯量的计算，如采用公式计算，需要按不同的负载形状采用不同的公 式，计算起来很复杂。因此，本讲采用Proe软件计算的方法。 1.打开 运动系 统的模 型.
2.选取所有负载零件， 创建一个简化表示. 3.在简化表示名字上点 右键，选取“Copy as exteral”，在新窗口里打 开所创建的简化表示.
步进电机特点
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位 移或线位移的控制电机。它每接收一个电脉冲，转子就转过一定角度 ，称为步 距角。由于这种电机的转动是断续地一步步进行的，所以被称为步进电动机。电 机的旋转角度与输入脉冲数成正比例，因而电机转速取决于输入脉冲频率。 在非超载的情况下，电机的停止位置只取决于信号的脉冲数，转速只取决于 信号的脉冲频率，而不受负载变化的影响，因此控制位置、控制速度都很很简单 而且准确，并且步进电机只有周期性的误差而无累积误差。因而通常被用作定位 控制和定速控制。 步进电机有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。一般步进 电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。步进电机外表允许的最高温度因电机 采用的磁性材料不同而有差别，一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以 上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度也可 以正常工作。 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。步进电机不能超载运行，否则就会 出现丢步堵转过冲等异常。
伺服电机特点
伺服电机，是一种补助马达间接变速装置，通过闭环控制系统，将编码器反 馈回来的电压信号转化为转矩和转速，从而精确的控制负载的速度、位置。 伺服电机，可分直流伺服电机和交流伺服电机，直流伺服电机又分为有刷电 机和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容 易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它 可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大， 响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化， 其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运 行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电 机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大， 可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。 因而适合做低速平稳运行的应用。 伺服电机具有恒力矩特性，只要速度小于额定速度，其输出转矩都保持为额 定转矩值，当速度大于额定速度时，输出转矩随速度增大而降低。 伺服电机允许瞬时超载，通常发生在启动时，瞬时超载的最大转矩，一般为 额定转矩的3倍。 伺服电机调速性能好。从0到额定转速下速度可调，并且调速准确。 低惯量电机可以有比较高的速度，大惯量电机一般速度比较低。伺服电机的 惯性比最好在3以下，以确保系统反应的快速、精准。 当负荷较大、起停频繁时要加刹车电阻，必要时选择带刹车的伺服电机。
步进电机与伺服电机的差异
步进电机与伺服电机都大量运用于自动控制系统中。何时用步机，何时用伺服？这要 先了解步进电机与伺服电机的差异。 1.控制方式不同。步进电机是开环控制，按照脉冲指令运行，不检查指令的执行结果 ，也就不能发现丢步等异常。伺服电机是闭环控制，按照脉冲指令运行的同时还根据编 码器反馈信号校正指令，若出现运行异常(如丢步)能及时发现并处理。使用步机电机的系 统为了提升系统的稳定性，也可配合编码器来构成闭环控制系统。 2.控制精度不同。步进电机精度首先取决于步距角，其次是驱动器的细分技术。但一 般来说，就算配上细分技术，步进电机的精度也不及伺服电机。伺服电机的精度取决于 编码器，17位的编码器，单脉冲转动量为360°/131072=0.0027466°，是1.8°步距角 步进电机单脉冲转动量1.8°的1/655。 3.低速特性不同。步进电机在低速运行时会在某个特定的速段出现低频共振，需要使用 阻尼器或细分技术来减弱或消除。伺服电机运转很平稳，没有低频共振现象。 4.转矩特性不同。步进电机的转矩曲线是一条复杂的不规则曲线，只有速度低于某个值 时才能保持转矩的大致平稳，一旦超过此值，转矩就大幅下降。伺服电机的转矩曲线在 转速小于额定转速时都是一条直线，大于额定转速后保持恒功率随转速提升而降低。 5.过载能力不同。步进电机一般不具备过载能边，基本上只要超载就会出现异常。伺服 电机允许瞬时超载。因此，步进电机的转矩安全余量要比伺服电机的大得多。 6.响应速度不同。从静止状态加速到正常运行速度，步进电机约需要数百毫秒，而伺服 电机可以做到几毫秒。 7.运行性能不同。步进电机容易出现丢步、堵转、过冲现象，且无法获知异常，需要更 准确的处理加减速问题。伺服电机自动处理编码器信号，基本不会出现这些异常。
电动机选择基础
电动机分类
直流电机
按照电 源类型 分类 交流电机
单相电机
三相电机
无刷直流电动机
直流电动机 有刷直流电动机
永磁式电动机
按照结 构和工 作原理 分
异步电动机
磁阻式电动机
磁滞式电动机
感应电动机 同步电动机 交流换向电动机
电容起动式单相异 步电动机
按起动 与运行 方式分 类
电容运转式单相异 步电动机
电容起动运式单相 异步转电动机
分相式单相异步电 动机
电动工具用
驱动用电动机 按用 途分 类 控制用电动机
家电用
通用小型设备
步进电机
伺服电机
电机 内部 运动 形式 分类
旋转电机
直线电机
以上是电动机的常见分类方式。 我们常用的电动机是步进电机与伺服 电机。后续的内容主要关注这两种电 机，并简要介绍普通交流电机和直线 电机。
步进电机选型参数
这是信浓马达(Shinano Motor) 的步进电机选型参数摘录。同样，从 机械设计的角度来说，需要关注的是 保持力矩、转子惯量、步距角、转矩 曲线。
步进电机选型参数说明
步进电机选型要关注的是四个参数，即：保持力矩、转子惯量、步距角、转矩曲线。 1.保持力矩，也叫保持转矩，指通电状态(额定电流)下，电机停止时保有的最大保持力 矩。一旦负载力矩超过此力矩，电机轴就可能被负载强行扭动。 2.转子惯量，也叫转动惯量、电机惯量，指电机转子相对于其旋转中心的惯量。负载 惯量与转子惯量之比称为惯量比。惯量比越小，系统响应速度越快、工作越稳定。惯量 比过大，响应速度变慢，甚至导致过冲现象。若无特别说明，步进电机惯量比不应超过 10，最好在惯量比超过5就采用减速机构，以确保系统的整体运行性能。采用减速机构后 的惯量比为原惯量比除以减速比的平方。 3.步距角，也叫基本步距角，电机本身的一个固定参数，与驱动器无关，也就是给一 个标准脉冲，电机所转过的角度。一般为1.8°、 1.2 °、 0.9 °、0.72 °等。对电机丝 杠组合来说，步距角就决定了最小单步运动距离，如步距角为1.8 ° ，丝杠螺距为10， 则最小单步运动距离为(1.8*10)/360=0.05mm。因此，设计时需要根据系统的精度要求选 择适合的步距角。此外，步进电机驱动器上还采用了“细分”技术，通过精准地控制电 流，将原来的一个脉冲细化为若干个小脉冲，从而减小系统的震动及提高系统精度。假 如细分数为10，则前例最小单步运动距离就成为0.05/10=0.005mm，也就是提高了精度 。但能否精准的控制电流以及细分的小脉冲电流能不能驱动马达转动，都直接影响细分 后的马达精度，因此细分技术能提高马达精度，但并不能直接以细分数为倍数提高马达 精度。 4.转矩曲线。步进电机的保持转矩随速度变化而变化，不同的马达其转矩曲线也不一 样。设计时要根据工作速度从转矩曲线中找到此速度下的保持转矩，确保负载转矩小于 此保持转矩，并预留一定的安全额度。
步进电机选型参数
这是东方马达(Oriental Motor)的 步进电机选型参数摘录。从机械设计 的角度来说，需要关注的是保持转矩 、转子转动惯量、基本步距角、最大 同步转矩曲线。至于电流、电源输入 等，用来选择与其匹配的电源，而与 其匹配的驱动器，厂家的选型手册上 都会有指定。订购时要注意马达与驱 动器是否各用一个订购代码，还是作 为一个组合共用一个订购代码，也要 注意是否需要单独订购数据线、连接 器等附件。