选择合适的电机尺寸

优化运动控制应用的电机选择可以具有显着的性能，成本和维护效益。选择太大的电机，你可能会压垮你的执行器，并招致不必要的设备和能源成本。选择太小的电机，您可能无法实现有效性能所需的扭矩和速度。

关于电机选择首先要注意的是，它最初不是关于电机的。考虑您是否需要伺服或步进电机，直流或交流同步，或其他类型的电机，而不详细说明您的应用要求可能是浪费的练习，将您锁定在一种类型或另一种类型，或限制您的成本和性能优化选项。

从应用程序开始

典型的运动应用包括皮带驱动的输送机，索引表或旋转装置，机械臂，门和自动引导车辆。无论您的应用程序，在您开始查看电机规格之前，您必须确定所有轴上的负载，您需要的精度程度以及您需要的过程控制量。每个机构都有一点不同，并且有各种各样的方法来计算电机要求。手动计算对简单的系统很好，大多数制造商为他们的各种产品提供电机尺寸工具。

另一个关键参数是可用母线电压的数量。电压与高速度和较低的机器周期时间相关。如果您的应用程序要求比您的可用电压可以支持更多的速度，您将需要一个不同的绕组和转子配置。

在选择过程的早期应该解决的其他因素是电机的位置和可用于进行和实施选择的专业知识。位置至关重要，因为在肮脏或极端温度下安装会对最终性能产生负面影响，并增加维护成本。拥有合适的专业知识是很重要的，因为如果你确实需要外部帮助，那么你越晚把它引入到过程中，成本就越高，到那时你所花费的周期也就越多。电机选择基本上是一个简单的过程，回顾本文的其余部分将帮助您确定您需要的专业知识。

转向马达

一旦确定了负载、精度、电压和其他变量的应用要求，就可以将注意力转向确定满足这些要求所需的电机速度、扭矩和惯量。在图1中，您可以看到伺服电机的转矩和速度之间的关系。电机必须具有正确的速度和转矩，以达到控制要求所定义的工作点。如果您的应用程序需要以速度X与Y扭矩运动，则最大和最小工作点的平均值必须落在电机制造商指定的连续占空曲线内。

步进电机的速度、转矩和电压关系类似(图2)，尽管在指定工作点时应该更加保守。作为一般的经验法则，步进的操作范围应该是最大速度和扭矩的一半左右，以确保您不会因错过步骤而危及精度。这与伺服系统有很大不同，您可以更接近其操作范围的极限。这是因为伺服系统依赖于封闭的反馈回路，监控电机位置与目标位置，并不断进行航向修正。目前使用的大多数步进器都没有对错过的步骤进行反馈，这带来了更多的安全风险。然而，一些较新的步进电机和相关驱动器具有内置反馈控制或其他检测漏步的方法(图3)。

临界惯性比

一旦确定了速度和扭矩特性，在负载和电机的惯性匹配之前，尺寸确定过程还没有完成。载荷的惯量是它的重量，单位是千克每平方米。电机的惯性有点复杂，因为它涉及转子和轴，但是，幸运的是，电机制造商将提供这个数字。如果负载惯量与电机的比值过大，比如大于10-1或20-1，则是负载驱动电机，而不是电机驱动负载。

惯性比差是电机选择中常见的问题。虽然寻求尽可能小尺寸的电机通常是一个好的做法，但只关注电机速度和扭矩而不适当关注惯性可能会导致重大问题。伺服系统可能没有您所期望的快速响应特性。它可能会偏离目标位置，然后以太大的力量返回，在试图固定最终位置时不受欢迎地摇晃。

另一方面，选择一个太大的电机，有太多的惯性可能会给你快速的响应，但效率很低。你将投入大量的精力来旋转和停止电机本身，而不是将这些能量用于移动系统负载。而且选择太大的电机也会降低机器的整体效率，增加运行成本。电机越大，断路器、电缆和其他支持基础设施的成本就越高，而且这些成本在整个应用程序设计过程中会不断增加。

例如，考虑一个带有XYZ龙门架的多轴系统。如果你在第一个轴上放了一个太大的电机，它是一个携带轴，你只会增加更多的质量，必须携带到另外两个轴上。这意味着整个龙门架系统必须更大才能支撑它。

精确测量惯性也是必要的，以确定是否需要补充齿轮箱，滑轮系统或其他机械干预来优化电机操作。大约一半的应用都需要齿轮传动，特别是皮带驱动系统，因为皮带驱动具有如此大的间距。

输入轴的每一次旋转产生的输出比滚珠丝杠的一次旋转大得多。例如，带驱动系统的典型螺距可能为150毫米，而滚珠丝杠的螺距可能仅在5毫米至25毫米之间。轴移动的距离越小，为每个电机转，电机看到通过机构的惯性越少，不太可能需要齿轮箱来实现更有利的比例，根据以下公式:

带齿轮箱惯性比=不带齿轮箱惯性比/齿轮箱比^2

准确计算每个部件的惯性是选择正确的电机或电机和齿轮箱组合的关键。

更智能、更高效的电机

当然，运动控制技术本身并没有停滞不前。电机效率和电子技术的进步改善了选择，并可能在一定程度上弥补匹配差异。10年或15年前，作业者的目标可能是5-1或10-1的反射惯性比，而如今更先进的驱动装置的目标更接近25-1，甚至30-1。这是由于高速的驱动器和反馈装置，使精细的调整比以前的驱动器可以更快。

一些现代执行器集成了预安装和预测试的伺服电机。这些有一个驱动器内置到后方住房或否则附加到电机本身。他们提供了一个完整的伺服系统的大部分性能，虽然限制总线电压可能会限制速度一点。集成伺服电机消除了一些布线，简化了设置，使伺服技术人员更容易更快地启动和运行系统。

一个更小，更紧凑的电机可以完成工作，这是值得记住，当更换电机。许多人仍然以旧换新，而没有考虑到新技术能带来的好处。

电机选择和执行器选择的配对也简化了订购过程;减少额外安装后验证的需要;增加可靠性;并且简化了维护，降低了拥有和操作执行器系统的总成本。由于预安装的伺服电机必须在尺寸上受到限制，它们可能不适合需要较大系统的应用。虽然集成伺服电机的精密线性执行器往往较小，但集成大型伺服电机的大型执行器是可用的。

下一波

随着电机系统技术的进步，它将在制造战略中发挥越来越重要的作用。现代驱动器可能会有互联网连接，并与流行的通信接口和协议进行通信，如以太网、ProfiBus和CAN总线。电机将更容易访问和配置工厂网络，使其更容易控制和配置现有的应用程序，同时提供可视化，可以建议新的生产力和节省成本的应用程序。

安德鲁•斯基德莫尔高级项目工程师在汤姆逊工业公司

原创内容可在设备工程。

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