某伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計*

楊振龍　張　偉　李明忠　劉永超

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

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某伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計*

楊振龍張偉李明忠劉永超

(丹東東方測控技術(shù)股份有限公司)

摘要以某一皮帶輸送系統(tǒng)為例，簡要介紹了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本設(shè)計過程，涉及伺服驅(qū)動系統(tǒng)中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、系統(tǒng)功率、扭矩與慣量、減速器與減速比等參數(shù)的計算方法，并根據(jù)計算結(jié)果對伺服電機進行了選型，著重討論了伺服電機參數(shù)的計算方法。該伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)尤其是伺服電機參數(shù)的設(shè)計，可使整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的資源利用率，減少了資源浪費，提高了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的緊湊性。

關(guān)鍵詞伺服電機驅(qū)動設(shè)計方法

驅(qū)動系統(tǒng)作為皮帶輸送系統(tǒng)的一個重要組成部分，相比傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)，可滿足頻繁啟停、完成較為復(fù)雜的時序控制邏輯及數(shù)字通信功能的要求，一般選擇伺服電機代替普通調(diào)速電機進行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計[1-3]。目前，伺服驅(qū)動系統(tǒng)因其良好的可控制性能逐步取代了傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計主要涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計以及伺服電機的參數(shù)選擇等。伺服電機作為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其型號及參數(shù)的選擇相比傳統(tǒng)電機更為復(fù)雜。以一個實際伺服驅(qū)動系統(tǒng)為例，介紹了通用的參數(shù)計算方法及電機選型。

1驅(qū)動系統(tǒng)簡介

該皮帶輸送系統(tǒng)驅(qū)動部分構(gòu)成見圖1[4-5]。

圖1　皮帶輸送系統(tǒng)驅(qū)動部分構(gòu)成

與驅(qū)動系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)指標為：①加速度，要求物料在皮帶上從0加速到0.1 m/s所需時間不長于1 s；②負載不大于200 kg；③最高速度不大于0.1 m/s。

2驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)計算

2.1傳動系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)主、從動輪規(guī)格一致，均為φ400 mm×600 mm圓柱輥子，質(zhì)量不大于50 kg。

(2)傳送帶規(guī)格為400 mm×6 000 mm，質(zhì)量不大于100 kg。

(3)減速器規(guī)格?？紤]系統(tǒng)對自鎖功能的要求，為降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和電機額定扭矩，減速器選擇蝸輪蝸桿減速器，減速比待定。

2.2系統(tǒng)扭矩

(1)凈扭矩。凈扭矩是在不考慮傳動效率的前提下，主動輪軸上的最小扭矩，等于將系統(tǒng)在指定的時間內(nèi)，皮帶從0加速到最大速度時所需要的驅(qū)動力大小與主動輪半徑的乘積。由加速度和總負載計算驅(qū)動力為40 N，根據(jù)輪半徑可得出凈扭矩為8 N·m。

(2)計算扭矩。計算扭矩是考慮系統(tǒng)傳動效率后，電機軸所需輸出的最小扭矩。不考慮減速器的減速比，只考慮其傳動效率，確定計算扭矩后可選擇合適的減速比以降低電機額定扭矩。

由于具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速器效率較低，取保守值0.3；皮帶輸送系統(tǒng)與支架間的摩擦力較大，傳動效率較低，取保守值0.5；聯(lián)軸器、密封、潤滑等部分傳動效率和電機效率分別0.9，0.8。計算得整個系統(tǒng)的傳動效率約為0.1，系統(tǒng)計算扭矩為80 N·m。

2.3系統(tǒng)功率

(1)凈功率是在不考慮傳動效率時，系統(tǒng)所需的最小功率，等于皮帶從0加速到最大速度過程中的峰值功率，即達到最大速度時的瞬時功率。計算得凈功率為4 W，計算功率為40 W。

2.4減速比的確定

系統(tǒng)扭矩和功率計算結(jié)果表明，系統(tǒng)所需的電機功率并不大，但扭矩較大。使用減速器可大大降低電機的額定功率，選擇蝸輪蝸桿減速器的減速比為40。

2.5系統(tǒng)慣量

系統(tǒng)慣量用于對電機進行慣量匹配。系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪質(zhì)量主要集中在輪外表面，轉(zhuǎn)動慣量100 kg·cm2；減速器及聯(lián)軸器部分轉(zhuǎn)動慣量相對較小，可不予考慮。

2.6電機額定參數(shù)

(1)額定扭矩。根據(jù)計算扭矩可計算額定扭矩為2 N·m，因此電機的額定扭矩不得小于2 N·m。

(2)額定功率。由計算功率可知電機的額定功率不得小于40 W。

(3)額定慣量。系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)動慣量較大，伺服電機最大允許負載的轉(zhuǎn)動慣量為電機轉(zhuǎn)動慣量的5～10倍。為確保電機啟停靈敏，取5倍，則電機額定慣量為20 kg·cm2

2.7電機選型

根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的計算，伺服電機選擇中、高慣量，額定功率在2 kW以上，可滿足該驅(qū)動系統(tǒng)的要求。

3結(jié)論

伺服電機具有優(yōu)良的控制性能，啟停靈敏、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、調(diào)速方便，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。伺服電機選型是伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵部分，對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的工作產(chǎn)生直接影響。采用通用的參數(shù)計算法對某伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服電機進行選型，可在滿足系統(tǒng)整體性能要求的前提下，合理選擇電機功率，避免出現(xiàn)電機選型過程中的負載和電機功率不匹配造成功率過小或浪費等不合理現(xiàn)象，降低整個伺服系統(tǒng)的能源消耗，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟技術(shù)指標，對大多數(shù)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計特別是電機選型具有指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1]李光友，王建民，孫雨萍.控制電機[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[2]寇寶泉，程樹康.交流伺服電機及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3]龔仲華.交流伺服與變頻器應(yīng)用技術(shù)(安川篇)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4]張策.機械原理與機械設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5]聞邦椿.機械設(shè)計手冊-單行本-減速器和變速器[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.

(收稿日期2016-02-19)

*國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(編號：2012YQ240121)。

楊振龍(1976— )，男，工程師，118000 遼寧省丹東市濱江中路136號。