西門子伺服電機(jī)的選型計(jì)算方法詳解

西門子伺服電機(jī)選型計(jì)算一般有以下步驟：

明確應(yīng)用需求

• 運(yùn)動(dòng)模式

  ：確定是需要直線運(yùn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制還是其他特定的運(yùn)動(dòng)模式。

• 精度要求

  ：包括位置精度、速度精度等，例如在數(shù)控機(jī)床中，可能要求位置精度達(dá)到 ±0.01mm，這對(duì)伺服電機(jī)的分辨率和控制精度有較高要求。

• 工作環(huán)境

  ：考慮溫度、濕度、粉塵、振動(dòng)等因素，如在高溫環(huán)境下工作的伺服電機(jī)，需要選擇具有耐高溫性能的型號(hào)。

計(jì)算負(fù)載參數(shù)

• 負(fù)載扭矩

• 旋轉(zhuǎn)負(fù)載

  ：根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度計(jì)算，公式為，其中為負(fù)載扭矩，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為角加速度。

• 直線負(fù)載

  ：通過摩擦力、重力等計(jì)算，如水平直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，，扭矩，其中為摩擦力，為摩擦系數(shù)，為負(fù)載質(zhì)量，為重力加速度，為傳動(dòng)半徑。

• 負(fù)載慣量

• 旋轉(zhuǎn)部件

  ：對(duì)于圓柱體，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中為質(zhì)量，為半徑。

• 直線運(yùn)動(dòng)部件

  ：若通過絲杠傳動(dòng)，可將直線運(yùn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)慣量，，其中為直線運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，為絲杠導(dǎo)程。

確定電機(jī)參數(shù)

• 扭矩計(jì)算

• 加速扭矩

  ：，是總慣量，包括電機(jī)自身慣量和負(fù)載慣量，是角速度變化量，是加速時(shí)間。

• 運(yùn)行扭矩

  ：根據(jù)負(fù)載在勻速運(yùn)行時(shí)所需的扭矩確定，要考慮傳動(dòng)效率等因素。

• 安全系數(shù)

  ：一般取 1.2-1.5，最終電機(jī)所需扭矩運(yùn)行安全系數(shù)。

• 速度計(jì)算

• 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

  ：根據(jù)負(fù)載所需的最大轉(zhuǎn)速（單位：rpm），電機(jī)轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比。

• 直線運(yùn)動(dòng)

  ：由直線運(yùn)動(dòng)速度（單位：m/s）和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，如通過絲杠傳動(dòng)時(shí)，。

• 慣量匹配

  ：一般要求負(fù)載慣量與電機(jī)慣量的比值在一定范圍內(nèi)，通常。

選擇電機(jī)型號(hào)

• 根據(jù)扭矩、速度和慣量

  ：在伺服電機(jī)產(chǎn)品樣本或選型軟件中，查找滿足計(jì)算所得扭矩、速度和慣量要求的電機(jī)型號(hào)。

• 其他性能指標(biāo)

  ：如電機(jī)的分辨率、響應(yīng)時(shí)間、過載能力等，例如在高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用中，需要選擇響應(yīng)時(shí)間短的電機(jī)。

• 通信接口與控制方式

  ：根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選擇合適的通信接口（如 CANopen、EtherCAT 等）和控制方式（如位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制）。
  
  

實(shí)例練習(xí):

已知:負(fù)載重量M=200kg，螺桿螺距PB=20mm螺桿直徑DB=50mm，螺桿重量MB=40kg，摩擦系數(shù)μ=0.2，機(jī)械效率n=0.9負(fù)載移動(dòng)速度V=30m/min，全程移動(dòng)時(shí)間t=1.4s加減速時(shí)間t1=t3=0.2s，靜止時(shí)間t4=0.3s。請(qǐng)選擇滿足負(fù)載需求的最小功率伺服電機(jī)。

1.計(jì)算折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量

重物折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

JW=M*(PB/2π)2

=200*(2/6.28)2

=20.29 kg.cm2

螺桿轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量

JB=MB*DB2/8

=40*25/8

125 kg.cm2

總負(fù)載慣量

JL=JW+JB=145.29 kg.cm2

2.計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)所需轉(zhuǎn)速

N=V/PB

=30/0.02

= 1500rpm

3.計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩

克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩

Tf=M*g*μ*PB/2π/η

=200*9.8*0.2*0.02/2π/0.9

= 1.387 N.m

重物加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩

TA1=M*a*PB/2π/η

=200*(30/60/0.2)*0.02/2π/0.9

=1.769 N.m

螺桿加速時(shí)所需要轉(zhuǎn)矩

TA2=JB*a/η=JB*(N*2π/60/t1)/η

=0.0125*(1500*6.28/60/0.2)/0.9

=10.903 N.m

加速所需總轉(zhuǎn)矩

TA =TA1 +TA2 =12.672 N.m

另一種計(jì)算所需加速扭矩的方法

TA=2π*N*(JW+JB)/(60*t1)/η

=6.28*1500*0.014529/12/0.9

=12.672 N.m

計(jì)算瞬時(shí)最大扭矩

加速扭矩Ta=TA+Tf=14.059 N.m

勻速扭矩Tb=Tf=1.387N.m

減速扭矩TC=TA-Tf=11.285 N.m

實(shí)效扭矩

Trms=sqrt[(Ta2*t1+Tb2*t2 +Tc2*t3)/(t1+t2+t3)]

= sqrt[(14.0592*0.2+1.3872*1 +11.2852*0.2)/(0.2+1+0.2)]

= sqrt[(39.531+1.924+25.47)/1.4]

= 6.914 N.m

4.選擇伺服電機(jī)

伺服電機(jī)額定扭矩T>Tf且T>Trms

伺服電機(jī)最大扭矩 Tmax>Tf +TA

最后選定1MV3-23C15CB-U131X電機(jī)