某伺服驱动系统参数的设计*

杨振龙　张　伟　李明忠　刘永超

(丹东东方测控技术股份有限公司)



某伺服驱动系统参数的设计*

杨振龙张伟李明忠刘永超

(丹东东方测控技术股份有限公司)

摘要以某一皮带输送系统为例，简要介绍了伺服驱动系统的基本设计过程，涉及伺服驱动系统中系统结构、传动系统、系统功率、扭矩与惯量、减速器与减速比等参数的计算方法，并根据计算结果对伺服电机进行了选型，着重讨论了伺服电机参数的计算方法。该伺服驱动系统参数尤其是伺服电机参数的设计，可使整个伺服驱动系统具有较高的资源利用率，减少了资源浪费，提高了系统整体结构的紧凑性。

关键词伺服电机驱动设计方法

驱动系统作为皮带输送系统的一个重要组成部分，相比传统驱动系统，可满足频繁启停、完成较为复杂的时序控制逻辑及数字通信功能的要求，一般选择伺服电机代替普通调速电机进行驱动系统设计[1-3]。目前，伺服驱动系统因其良好的可控制性能逐步取代了传统的驱动系统，在工业领域得到了越来越多的应用。伺服驱动系统的设计主要涉及系统结构设计、传动系统设计以及伺服电机的参数选择等。伺服电机作为伺服驱动系统的关键部分，其型号及参数的选择相比传统电机更为复杂。以一个实际伺服驱动系统为例，介绍了通用的参数计算方法及电机选型。

1驱动系统简介

该皮带输送系统驱动部分构成见图1[4-5]。

图1　皮带输送系统驱动部分构成

与驱动系统有关的技术指标为：①加速度，要求物料在皮带上从0加速到0.1 m/s所需时间不长于1 s；②负载不大于200 kg；③最高速度不大于0.1 m/s。

2驱动系统参数计算

2.1传动系统

(1)系统主、从动轮规格一致，均为φ400 mm×600 mm圆柱辊子，质量不大于50 kg。

(2)传送带规格为400 mm×6 000 mm，质量不大于100 kg。

(3)减速器规格。考虑系统对自锁功能的要求，为降低系统转动惯量和电机额定扭矩，减速器选择蜗轮蜗杆减速器，减速比待定。

2.2系统扭矩

(1)净扭矩。净扭矩是在不考虑传动效率的前提下，主动轮轴上的最小扭矩，等于将系统在指定的时间内，皮带从0加速到最大速度时所需要的驱动力大小与主动轮半径的乘积。由加速度和总负载计算驱动力为40 N，根据轮半径可得出净扭矩为8 N·m。

(2)计算扭矩。计算扭矩是考虑系统传动效率后，电机轴所需输出的最小扭矩。不考虑减速器的减速比，只考虑其传动效率，确定计算扭矩后可选择合适的减速比以降低电机额定扭矩。

由于具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速器效率较低，取保守值0.3；皮带输送系统与支架间的摩擦力较大，传动效率较低，取保守值0.5；联轴器、密封、润滑等部分传动效率和电机效率分别0.9，0.8。计算得整个系统的传动效率约为0.1，系统计算扭矩为80 N·m。

2.3系统功率

(1)净功率是在不考虑传动效率时，系统所需的最小功率，等于皮带从0加速到最大速度过程中的峰值功率，即达到最大速度时的瞬时功率。计算得净功率为4 W，计算功率为40 W。

2.4减速比的确定

系统扭矩和功率计算结果表明，系统所需的电机功率并不大，但扭矩较大。使用减速器可大大降低电机的额定功率，选择蜗轮蜗杆减速器的减速比为40。

2.5系统惯量

系统惯量用于对电机进行惯量匹配。系统转轮质量主要集中在轮外表面，转动惯量100 kg·cm2；减速器及联轴器部分转动惯量相对较小，可不予考虑。

2.6电机额定参数

(1)额定扭矩。根据计算扭矩可计算额定扭矩为2 N·m，因此电机的额定扭矩不得小于2 N·m。

(2)额定功率。由计算功率可知电机的额定功率不得小于40 W。

(3)额定惯量。系统的负载转动惯量较大，伺服电机最大允许负载的转动惯量为电机转动惯量的5～10倍。为确保电机启停灵敏，取5倍，则电机额定惯量为20 kg·cm2

2.7电机选型

根据驱动系统参数的计算，伺服电机选择中、高惯量，额定功率在2 kW以上，可满足该驱动系统的要求。

3结论

伺服电机具有优良的控制性能，启停灵敏、运转平稳、调速方便，已经在工业生产等领域中得到了广泛应用。伺服电机选型是伺服驱动系统设计中的关键部分，对伺服驱动系统的工作产生直接影响。采用通用的参数计算法对某伺服驱动系统伺服电机进行选型，可在满足系统整体性能要求的前提下，合理选择电机功率，避免出现电机选型过程中的负载和电机功率不匹配造成功率过小或浪费等不合理现象，降低整个伺服系统的能源消耗，提高系统的经济技术指标，对大多数伺服驱动系统的设计特别是电机选型具有指导意义。

参考文献

[1]李光友，王建民，孙雨萍.控制电机[M].北京：机械工业出版社，2015.

[2]寇宝泉，程树康.交流伺服电机及其控制[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]龚仲华.交流伺服与变频器应用技术(安川篇)[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]张策.机械原理与机械设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]闻邦椿.机械设计手册-单行本-减速器和变速器[M].北京：机械工业出版社，2015.

(收稿日期2016-02-19)

*国家重大科学仪器设备开发专项(编号：2012YQ240121)。

杨振龙(1976— )，男，工程师，118000 辽宁省丹东市滨江中路136号。