一.電機溫升

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

θ＝T2-T1

θ-------溫升

T1-------實際冷卻狀態(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.電機功率

1. 根據(jù)電源電壓、使用條件、拖動對象選擇電機.要求電源電壓與電機額定電壓相符.

2. 根據(jù)安裝地點和工作環(huán)境選擇不同型式的電機.

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

如果容量選擇過大,電機的輸出機械功率不能充分利用,功率因數(shù)也不高.因為電機的功率因數(shù)和效率是隨著負載變化的.

4. 電機在恒定負載運行下,功率計算公式如下:

　　式中:

　 P-----電機的功率(KW);

　P1----生產(chǎn)機械功率(KW);

　 η1----生產(chǎn)機械本身效率;

　 η2 ----電機效率.

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

三、電機選型計算需要校核的參數(shù)

一.電機扭矩的計算

電機扭矩的計算涉及到2部分：

1.克服驅(qū)動機構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩TL

2.克服負載和電機轉(zhuǎn)子慣量的啟動轉(zhuǎn)矩TS

電機扭矩T=（TL+TS）*S （S：安全系數(shù)）

二.慣量匹配

理論上負載折算到電機軸的慣量與電機轉(zhuǎn)子慣量比 < 5（這個值不一定，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行慣量匹配

經(jīng)常玩運動控制的朋友都一定聽過“慣量比”這個概念，“老法師”們通常對慣量匹配都有著各自獨到的見解，比如某些運動控制的應(yīng)用中慣量比要小于某個數(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)手冊中，對其電機產(chǎn)品的選型還有關(guān)于慣量比的“推薦值”。

那么，為什么會有慣量比的這個問題？它對于運動控制系統(tǒng)會帶來什么樣的影響？這就要從關(guān)于“傳動剛性”的問題說起。當(dāng)運動控制傳動鏈剛性不佳時，在驅(qū)動側(cè)(電機側(cè))與被驅(qū)動側(cè)(負載側(cè))之間會產(chǎn)生“間隙”和“彈性”效應(yīng)，電機輸出的驅(qū)動力傳輸?shù)截撦d上有遲滯現(xiàn)象，并且在兩側(cè)之間會有一定的相對位移。在系統(tǒng)進行動態(tài)調(diào)整的過程中，電機需要輸出扭矩，驅(qū)動負載的加減速運動，但由于電機側(cè)與負載側(cè)所受到的作用力的不同步，造成相互之間有一定速度差，同時由于雙方之間有相對位移空間，于是驅(qū)動側(cè)與被驅(qū)動側(cè)會產(chǎn)生“彈性碰撞”。

而受到這樣的“彈性碰撞”的影響，驅(qū)動與負載兩側(cè)會受到大小相同而方向相反的“碰撞力”的影響并改變運動速度，同時改變雙方相對運動的方向，然后在間隙空間的另一側(cè)再次“碰撞”。周而復(fù)始，電機側(cè)與負載側(cè)在動態(tài)加減速運行時，不斷進行著“彈性碰撞”。

這些“碰撞”會給電機的運行速度和位置帶來“偏差擾動”，同時這些偏差會通過電機編碼器實時反饋給運控系統(tǒng)，系統(tǒng)會“本能”地對這些由于碰撞產(chǎn)生的“偏差擾動”進行實時調(diào)整。之所以說是“擾動”，是因為這些偏差本身并不是真實的負載位置和速度誤差，而是由于上述頻繁的“碰撞”改變了電機的運行狀態(tài)而產(chǎn)生的“額外”的誤差。

前面說的“彈性碰撞”這個詞，是不是好熟悉的樣子？對哦，在中學(xué)物理有教過彈性碰撞的幾個定律的，什么動量守恒定律、能量守恒定律啥的......不過呢，這些定量的運算和分析，咱在這就不用費那個勁燒腦了，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，其碰撞后的運動狀態(tài)改變越小，反之質(zhì)量越小，碰撞帶來的運動狀態(tài)改變越大。換言之，物體質(zhì)量(慣性)越大，在碰撞中更容易保持接近原有運行狀態(tài)。

對于運控應(yīng)用而言，如果系統(tǒng)慣量比大，就意味著電機慣量較小，那么在非剛性的彈性傳動系統(tǒng)的動態(tài)加減速運動過程中，由于間隙和彈性效應(yīng)產(chǎn)生的電機側(cè)與負載側(cè)的“彈性碰撞”，會對慣量較小的電機的運行狀態(tài)產(chǎn)生較大的“擾動”，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，嚴重的可能造成電機的抖動甚至系統(tǒng)的振動和崩潰。在這種情況下，我們通常的做法，就是降低運控系統(tǒng)的頻率響應(yīng)值(增益)，而此時的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能自然也就隨之下降了。

反過來，較小的慣量比，意味著相對較高的電機慣量，在上述的“碰撞”過程中，其運動狀態(tài)受到的“擾動”也就相應(yīng)的小了，這樣運控系統(tǒng)控制調(diào)整的難度就降低了，更容易讓電機和系統(tǒng)達到比較穩(wěn)定的運行狀態(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)上是由于動力源與負載之間的非剛性傳動連接而帶來的，它其實是關(guān)于在運動過程中“以誰為主”的問題。

如果選擇使用較大的慣量比，那么意味著電機驅(qū)動力將更多的作用在自身的運動上，而受到相對較小的負載擾動，而系統(tǒng)運動狀態(tài)更多的以電機為主。從對系統(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，在剛性傳動系統(tǒng)中，就沒有慣量比的問題了呢？

這個問題比較復(fù)雜，因為事實上并不存在絕對的剛性傳動，只要驅(qū)動力和加速度足夠大，任何傳動連接都是“軟”的。

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

延伸閱讀：慣量比選多大合適？

運動控制系統(tǒng)，多大的慣量比合適呢?

它會影響到整個運動控制性能么？

如何可以通過整定來補償呢？

機械連接（如聯(lián)軸器等）對其有何影響？

答案沒有那么簡單。

我們提到慣量比與傳動剛性之間的關(guān)系。

本期，我們試著通過一個簡單的實驗，幫助大家尋找一些線索。

本期有此實驗的完整視頻（視頻無法上傳）。

騰訊視頻搜索（伺服整定和慣量比）

實驗比相對簡單，上圖所示，用一臺功率 1.5kW 的伺服電機來帶動一個5 倍于電機轉(zhuǎn)子慣量的鋼制飛輪負載。這個系統(tǒng)的慣量比為 5

不過這個飛輪負載并不是直接連接在電機軸上，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)軸器與電機軸相連。在實驗中，這根金屬棒長軸就模擬了設(shè)備中的機械傳動機構(gòu)。

同時這個飛輪負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較遠的位置時，模擬機械傳動系統(tǒng)的柔性連接。

將飛輪負載置于離電機較近的位置時，模擬傳動系統(tǒng)的剛性連接。

先將負載置于電機遠端。我們通過一些基本的整定功能對軸進行調(diào)整。

此時我們發(fā)現(xiàn)，如果使用較高的系統(tǒng)增益（響應(yīng)帶寬）參數(shù)，電機會產(chǎn)生劇烈抖動和嘯叫，系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定。為了獲得穩(wěn)定的運動性能，我們不得不將增益值降下來。

但相應(yīng)的，系統(tǒng)的運動特性也變得很軟，動態(tài)響應(yīng)力度變?nèi)?，用手指就可以輕松來回轉(zhuǎn)動負載。

接下來，將負載靠近電機，此時再對系統(tǒng)進行調(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，電機的動態(tài)響應(yīng)力度變強，系統(tǒng)的運動特性也變得很硬，有了極高的動態(tài)特性。

在這個實驗中，負載和電機的慣量比僅為 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)整負載離電機的遠、近，就可以讓系統(tǒng)的運動性能產(chǎn)生巨大的差異和變化：

• 遠：不穩(wěn)定的抖動或者穩(wěn)定但較軟的動態(tài)特性

• 近：穩(wěn)定且有較硬的動態(tài)特性

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

對于大慣量的負載，在做完軸的自整定后，伺服環(huán)的增益值可能會很高，這是為了在大慣量負載時獲得更好的動態(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)接情況下計算出來的。如果系統(tǒng)剛性不那么好，那么系統(tǒng)將會變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)嘯叫和抖動。

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)實的做法，是將電機和負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，其實并沒有標準答案。慣量比只是系統(tǒng)“方程式”中的一部分。所有的伺服系統(tǒng)，都需要在這幾個方面相互平衡、折中、妥協(xié)：

• 較高的慣量比

• 高動態(tài)性能的預(yù)期

• 柔性機械連接

在任何系統(tǒng)中，以上這三點我們是無法同時做到的。

比如要讓一個慣量比達到100：1或者更高的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來，如果系統(tǒng)剛性不佳，此時就需要降低系統(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^高的動態(tài)特性，那么就不能允許在電機和負載之間有任何間隙和柔性的聯(lián)接，例如：直接驅(qū)動電機，直線電機技術(shù)，使得電機和負載直接聯(lián)接在一起，傳動系幾乎沒有間隙，達到極高的剛性，此時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)驗的趨勢圖表，定性的詮釋了慣量比與系統(tǒng)剛性和動態(tài)性能之間的關(guān)系，或許可以為我們在實際應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計和選型，起到一定的參考作用。

合適的慣量比主要取決于運動曲線有多么“激進”以及機械傳動有多“硬”，不同的動態(tài)特性預(yù)期和傳動剛性的差異，決定了特定運控系統(tǒng)所“適合”的慣量比。

一些速度較慢或者基本保持恒速運行的應(yīng)用，如分度轉(zhuǎn)臺等，對慣量比要求并不苛刻，基本不要求個位數(shù)的慣量比，如果采用剛性較好的機械傳動（如直接驅(qū)動電機），慣量比達到幾百甚至上千有時也是可以的。

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