一.電機(jī)溫升

電機(jī)溫度是指電機(jī)各部分實(shí)際發(fā)熱溫度,它對(duì)電機(jī)的絕緣材料影響很大,溫度過高會(huì)使絕緣老化縮短電動(dòng)機(jī)壽命,甚至導(dǎo)致絕緣破壞.為使絕緣不致老化和破壞,對(duì)電機(jī)繞組等各部分溫度作了一定的限制,這個(gè)溫度限制就是電機(jī)的允許溫度.電機(jī)的各部溫度的高低。還與外界條件有關(guān),溫升就是電動(dòng)機(jī)溫度比周圍環(huán)境溫度高出的數(shù)值.

θ＝T2-T1

θ-------溫升

T1-------實(shí)際冷卻狀態(tài)下的繞組溫度(即環(huán)境溫度);

T2-------發(fā)熱狀態(tài)下繞組溫度

二.電機(jī)功率

1. 根據(jù)電源電壓、使用條件、拖動(dòng)對(duì)象選擇電機(jī).要求電源電壓與電機(jī)額定電壓相符.

2. 根據(jù)安裝地點(diǎn)和工作環(huán)境選擇不同型式的電機(jī).

3. 根據(jù)容量、效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)選擇電機(jī).如果容量選擇過小,就會(huì)發(fā)生長期過載現(xiàn)象,影響電動(dòng)機(jī)壽命甚至燒毀.

如果容量選擇過大,電機(jī)的輸出機(jī)械功率不能充分利用,功率因數(shù)也不高.因?yàn)殡姍C(jī)的功率因數(shù)和效率是隨著負(fù)載變化的.

4. 電機(jī)在恒定負(fù)載運(yùn)行下,功率計(jì)算公式如下:

　　式中:

　 P-----電機(jī)的功率(KW);

　P1----生產(chǎn)機(jī)械功率(KW);

　 η1----生產(chǎn)機(jī)械本身效率;

　 η2 ----電機(jī)效率.

　　上式計(jì)算出的功率不一定與產(chǎn)品規(guī)格相同,所以選擇電機(jī)的額定功率(P1)應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率

三、電機(jī)選型計(jì)算需要校核的參數(shù)

一.電機(jī)扭矩的計(jì)算

電機(jī)扭矩的計(jì)算涉及到2部分：

1.克服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩TL

2.克服負(fù)載和電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TS

電機(jī)扭矩T=（TL+TS）*S （S：安全系數(shù)）

二.慣量匹配

理論上負(fù)載折算到電機(jī)軸的慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量比 < 5（這個(gè)值不一定，看工況，下面有關(guān)這方面的介紹）

延伸篇：這里講講為什么要進(jìn)行慣量匹配

經(jīng)常玩運(yùn)動(dòng)控制的朋友都一定聽過“慣量比”這個(gè)概念，“老法師”們通常對(duì)慣量匹配都有著各自獨(dú)到的見解，比如某些運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用中慣量比要小于某個(gè)數(shù)值，20、10、5、3或者更小，也有的說要控制精度比較高的場(chǎng)合，就得慣量比比較小......等等。在某些廠家的產(chǎn)品參數(shù)手冊(cè)中，對(duì)其電機(jī)產(chǎn)品的選型還有關(guān)于慣量比的“推薦值”。

那么，為什么會(huì)有慣量比的這個(gè)問題？它對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)帶來什么樣的影響？這就要從關(guān)于“傳動(dòng)剛性”的問題說起。當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制傳動(dòng)鏈剛性不佳時(shí)，在驅(qū)動(dòng)側(cè)(電機(jī)側(cè))與被驅(qū)動(dòng)側(cè)(負(fù)載側(cè))之間會(huì)產(chǎn)生“間隙”和“彈性”效應(yīng)，電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力傳輸?shù)截?fù)載上有遲滯現(xiàn)象，并且在兩側(cè)之間會(huì)有一定的相對(duì)位移。在系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程中，電機(jī)需要輸出扭矩，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的加減速運(yùn)動(dòng)，但由于電機(jī)側(cè)與負(fù)載側(cè)所受到的作用力的不同步，造成相互之間有一定速度差，同時(shí)由于雙方之間有相對(duì)位移空間，于是驅(qū)動(dòng)側(cè)與被驅(qū)動(dòng)側(cè)會(huì)產(chǎn)生“彈性碰撞”。

而受到這樣的“彈性碰撞”的影響，驅(qū)動(dòng)與負(fù)載兩側(cè)會(huì)受到大小相同而方向相反的“碰撞力”的影響并改變運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)改變雙方相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向，然后在間隙空間的另一側(cè)再次“碰撞”。周而復(fù)始，電機(jī)側(cè)與負(fù)載側(cè)在動(dòng)態(tài)加減速運(yùn)行時(shí)，不斷進(jìn)行著“彈性碰撞”。

這些“碰撞”會(huì)給電機(jī)的運(yùn)行速度和位置帶來“偏差擾動(dòng)”，同時(shí)這些偏差會(huì)通過電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)控系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)“本能”地對(duì)這些由于碰撞產(chǎn)生的“偏差擾動(dòng)”進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。之所以說是“擾動(dòng)”，是因?yàn)檫@些偏差本身并不是真實(shí)的負(fù)載位置和速度誤差，而是由于上述頻繁的“碰撞”改變了電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)而產(chǎn)生的“額外”的誤差。

前面說的“彈性碰撞”這個(gè)詞，是不是好熟悉的樣子？對(duì)哦，在中學(xué)物理有教過彈性碰撞的幾個(gè)定律的，什么動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律啥的......不過呢，這些定量的運(yùn)算和分析，咱在這就不用費(fèi)那個(gè)勁燒腦了，直接說最關(guān)鍵的定性結(jié)論吧。在彈性碰撞過程中，如果物體質(zhì)量(慣性)越大，其碰撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?cè)叫?，反之質(zhì)量越小，碰撞帶來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?cè)酱蟆Q言之，物體質(zhì)量(慣性)越大，在碰撞中更容易保持接近原有運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)于運(yùn)控應(yīng)用而言，如果系統(tǒng)慣量比大，就意味著電機(jī)慣量較小，那么在非剛性的彈性傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加減速運(yùn)動(dòng)過程中，由于間隙和彈性效應(yīng)產(chǎn)生的電機(jī)側(cè)與負(fù)載側(cè)的“彈性碰撞”，會(huì)對(duì)慣量較小的電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生較大的“擾動(dòng)”，這就直接增加了系統(tǒng)控制調(diào)整的難度，輕則影響控制精度，嚴(yán)重的可能造成電機(jī)的抖動(dòng)甚至系統(tǒng)的振動(dòng)和崩潰。在這種情況下，我們通常的做法，就是降低運(yùn)控系統(tǒng)的頻率響應(yīng)值(增益)，而此時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能自然也就隨之下降了。

反過來，較小的慣量比，意味著相對(duì)較高的電機(jī)慣量，在上述的“碰撞”過程中，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受到的“擾動(dòng)”也就相應(yīng)的小了，這樣運(yùn)控系統(tǒng)控制調(diào)整的難度就降低了，更容易讓電機(jī)和系統(tǒng)達(dá)到比較穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，自然也就能夠較好的確保其控制精度。

所以，慣量比的問題本質(zhì)上是由于動(dòng)力源與負(fù)載之間的非剛性傳動(dòng)連接而帶來的，它其實(shí)是關(guān)于在運(yùn)動(dòng)過程中“以誰為主”的問題。

如果選擇使用較大的慣量比，那么意味著電機(jī)驅(qū)動(dòng)力將更多的作用在自身的運(yùn)動(dòng)上，而受到相對(duì)較小的負(fù)載擾動(dòng)，而系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更多的以電機(jī)為主。從對(duì)系統(tǒng)把控力度方面看，這當(dāng)然是我們更希望的。

那么是不是說，在剛性傳動(dòng)系統(tǒng)中，就沒有慣量比的問題了呢？

這個(gè)問題比較復(fù)雜，因?yàn)槭聦?shí)上并不存在絕對(duì)的剛性傳動(dòng)，只要驅(qū)動(dòng)力和加速度足夠大，任何傳動(dòng)連接都是“軟”的。

不過，有一點(diǎn)是肯定的，如果系統(tǒng)傳動(dòng)剛性越大，就能夠使用更大的慣量比匹配。比如我們談到“直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)”。

延伸閱讀：慣量比選多大合適？

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，多大的慣量比合適呢?

它會(huì)影響到整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制性能么？

如何可以通過整定來補(bǔ)償呢？

機(jī)械連接（如聯(lián)軸器等）對(duì)其有何影響？

答案沒有那么簡單。

我們提到慣量比與傳動(dòng)剛性之間的關(guān)系。

本期，我們?cè)囍ㄟ^一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，幫助大家尋找一些線索。

本期有此實(shí)驗(yàn)的完整視頻（視頻無法上傳）。

騰訊視頻搜索（伺服整定和慣量比）

實(shí)驗(yàn)比相對(duì)簡單，上圖所示，用一臺(tái)功率 1.5kW 的伺服電機(jī)來帶動(dòng)一個(gè)5 倍于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的鋼制飛輪負(fù)載。這個(gè)系統(tǒng)的慣量比為 5

不過這個(gè)飛輪負(fù)載并不是直接連接在電機(jī)軸上，而是安裝在一根長約 1 米、直徑約 10mm 的金屬棒長軸上，并通過聯(lián)軸器與電機(jī)軸相連。在實(shí)驗(yàn)中，這根金屬棒長軸就模擬了設(shè)備中的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

同時(shí)這個(gè)飛輪負(fù)載在長軸上的位置是可以調(diào)節(jié)的，如果將其置于長軸上離電機(jī)較遠(yuǎn)的位置時(shí)，模擬機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性連接。

將飛輪負(fù)載置于離電機(jī)較近的位置時(shí)，模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性連接。

先將負(fù)載置于電機(jī)遠(yuǎn)端。我們通過一些基本的整定功能對(duì)軸進(jìn)行調(diào)整。

此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，如果使用較高的系統(tǒng)增益（響應(yīng)帶寬）參數(shù)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生劇烈抖動(dòng)和嘯叫，系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定。為了獲得穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)性能，我們不得不將增益值降下來。

但相應(yīng)的，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性也變得很軟，動(dòng)態(tài)響應(yīng)力度變?nèi)酰檬种妇涂梢暂p松來回轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載。

接下來，將負(fù)載靠近電機(jī)，此時(shí)再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，則已經(jīng)可以輕松地使用極高的系統(tǒng)增益值了，相應(yīng)的，電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)力度變強(qiáng)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性也變得很硬，有了極高的動(dòng)態(tài)特性。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，負(fù)載和電機(jī)的慣量比僅為 5 ：1，在使用同一套增益和頻響值的情況下，僅僅是簡單地調(diào)整負(fù)載離電機(jī)的遠(yuǎn)、近，就可以讓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能產(chǎn)生巨大的差異和變化：

• 遠(yuǎn)：不穩(wěn)定的抖動(dòng)或者穩(wěn)定但較軟的動(dòng)態(tài)特性

• 近：穩(wěn)定且有較硬的動(dòng)態(tài)特性

看上去很難相信，這么一小段（約半米）的軸所帶來的機(jī)械聯(lián)接的剛性（彈性）的變化，都會(huì)影響到伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)性能。

對(duì)于大慣量的負(fù)載，在做完軸的自整定后，伺服環(huán)的增益值可能會(huì)很高，這是為了在大慣量負(fù)載時(shí)獲得更好的動(dòng)態(tài)性能。但是通常這樣的增益值，是伺服系統(tǒng)基于系統(tǒng)剛性聯(lián)接情況下計(jì)算出來的。如果系統(tǒng)剛性不那么好，那么系統(tǒng)將會(huì)變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)嘯叫和抖動(dòng)。

通常要將伺服系統(tǒng)調(diào)的穩(wěn)定，需要將增益值降下來，也就是降低系統(tǒng)響應(yīng)頻率。在這里，響應(yīng)頻率降下來后，系統(tǒng)立刻變得穩(wěn)定，而且不再嘯叫。然而，系統(tǒng)的性能也變軟了，而且我們發(fā)現(xiàn)已經(jīng)可以用手轉(zhuǎn)動(dòng)軸了。也就是說，響應(yīng)頻率的下降直接導(dǎo)致性能的下降。

如果需要更好的性能，那么比較現(xiàn)實(shí)的做法，是將電機(jī)和負(fù)載之間的連接剛性提高。

因此，慣量比多大是“太大了”以及多少合適，其實(shí)并沒有標(biāo)準(zhǔn)答案。慣量比只是系統(tǒng)“方程式”中的一部分。所有的伺服系統(tǒng)，都需要在這幾個(gè)方面相互平衡、折中、妥協(xié)：

• 較高的慣量比

• 高動(dòng)態(tài)性能的預(yù)期

• 柔性機(jī)械連接

在任何系統(tǒng)中，以上這三點(diǎn)我們是無法同時(shí)做到的。

比如要讓一個(gè)慣量比達(dá)到100：1或者更高的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，如果系統(tǒng)剛性不佳，此時(shí)就需要降低系統(tǒng)響應(yīng)頻率（即增益值）－在性能上妥協(xié)；或者我們?nèi)匀恍枰休^高的動(dòng)態(tài)特性，那么就不能允許在電機(jī)和負(fù)載之間有任何間隙和柔性的聯(lián)接，例如：直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直線電機(jī)技術(shù)，使得電機(jī)和負(fù)載直接聯(lián)接在一起，傳動(dòng)系幾乎沒有間隙，達(dá)到極高的剛性，此時(shí)即便有很高的慣量比，系統(tǒng)性能依然可以極高。

下面這張基于經(jīng)驗(yàn)的趨勢(shì)圖表，定性的詮釋了慣量比與系統(tǒng)剛性和動(dòng)態(tài)性能之間的關(guān)系，或許可以為我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型，起到一定的參考作用。

合適的慣量比主要取決于運(yùn)動(dòng)曲線有多么“激進(jìn)”以及機(jī)械傳動(dòng)有多“硬”，不同的動(dòng)態(tài)特性預(yù)期和傳動(dòng)剛性的差異，決定了特定運(yùn)控系統(tǒng)所“適合”的慣量比。

一些速度較慢或者基本保持恒速運(yùn)行的應(yīng)用，如分度轉(zhuǎn)臺(tái)等，對(duì)慣量比要求并不苛刻，基本不要求個(gè)位數(shù)的慣量比，如果采用剛性較好的機(jī)械傳動(dòng)（如直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)），慣量比達(dá)到幾百甚至上千有時(shí)也是可以的。

但對(duì)于那些高動(dòng)態(tài)、高精度應(yīng)用，比如：印刷的套準(zhǔn)同步、三角機(jī)器人的高速抓取等，即使采用極佳的剛性傳動(dòng)，也不敢使用較大的慣量比（有時(shí) 10 都已經(jīng)很大了）；而如果傳動(dòng)剛性不足，那么可能 1:1 的慣量比都大了。