运动控制中伺服电机选型需求分析

       0 引言

      从本质上来说，运动控制主要是对机械零部件的位置与速度进行控制，确保其可以根据事先制定的参数与轨迹开展运动。当前科技水平不断提高，运控控制水准也有了大幅提升，由传统的独立运行专用控制器转变为现代化、智能化以及自动化的控制，提高运动控制精准程度，进而更好地促使生产加工效率与质量的提升。伺服电机作为一类使用频率较高的发动机装置，对机械元件运转能够起到精准控制的作用，特别是在控制其位置与速度上表现最为明显。不过要想确保其控制性能得以充分发挥则要求做好相应的选型匹配工作，注重对伺服电机的选型，选型是否科学合理将会对实际工作效率还有能耗高低产生直接影响，并且还会影响到企业的经济效益，所以要求工作人员必须要高度重视运动控制中伺服电机的选型。

      1 运动控制相关概述

      运动控制，指的是对需要进行机械运动的部件在位置、速度等方面的变化情况进行实时地控制和管理，确保机械运动在方向、速度、线路等方面按照预期既定要求进行。其过程中涉及到的技术应用称为运动控制技术。运动控制技术最早起源于伺服系统，主要涉及对数控、机械化、自动化等技术的应用。

      在早期运动控制系统当中，采用的控制器具备较强的专用性与独立性，系统的运动控制功能及相关操作，不依赖于其他操作系统、处理器的支撑。在自动化工程中，运动控制是极为重要的分支之一，运动控制发展至今，主要应用于液压泵、线性执行机等设备实现对位置、速度等的控制实现，在包装、印刷、纺织、装配等工业生产过程中有着较为重要的应用。伺服电机指的是，应用于伺服系统中，并且发挥着控制机械部件运转作用的发动机，主要采用的是补助马达间接变速装置应用形式[1]。在运动位置、速度等控制方面，伺服电机能够获得较为精准的控制效果，其中最为关键的控制过程为如何把电压信号转变成为相应的转矩和转速，因此，运动控制在伺服电机选型方面的要求极为严格。

      2 运动控制中伺服电机选型原理分析

      2.1 直接转动类型的选择

      在对运动控制中伺服电机进行选择的过程中，最为简单直接的类型即为直接转动型电机，这一类型的电机与机械联动无关，所以不需要进行负载参数反馈。直接转动电机的运行较为直接，无论是在转速控制还是在力矩计算方面都相对比较简单。在对直接转动方程式进行计算时，电机转速与需要克服摩擦阻力即为负载的转速与摩擦力。在惯量计算方面，电机惯量就是载荷惯量。在对导杆、轴件以及其他与电机相关机械零部的惯量计算过程中，可以采用一些固定的方程式计算获得。在完成对惯性计算之后可以通过电机对其荷载惯性与摩擦力进行直接读取。

      2.2 齿轮转动类型的选择

      在现行的机械转动中，齿轮转动是其中一种应用较为普遍的转动形式，这种转动类型的使用具备传动准确、运行效率较高、运行寿命长等的应用优点。齿轮技术应用与发展至今已经达到了较高标准，现行标准中，齿轮的圆周速度能够达到300m/s，最高转速达10r/min[2]。现行的齿轮转动类型一般为两种形式，一种是根据两轴相应位置和齿轮运动方向为分类标准；另一种则是以齿轮工作条件为分类标准。齿轮转动过程中，荷载与电机之间存在着明显的机械联动关系，因此需要对电机的荷载参数进行反馈。电机除了需要对荷载惯量进行反馈之外，还需对齿轮惯量等其他全部惯量进行读取，以确保传动准确。同时力矩的计算
也涉及到对机械转动装置效率的分析、计算。

      2.3 切向转动类型的选择

      切向转动类型电机的电机轴需要获得准确的载荷参数反馈，并且切向转动产生于同步带与滑轮之间的可能性极大，在一定条件下也会产生于链条和链轮之间，或者形成于齿条与齿轮之间。因此，在进行具体选择时应结合实际运动控制需要进行合理选择。

      2.4 球螺杆转动类型的选择

      采用球螺杆的方式在对电机的载荷参数进行反馈过程中，需要对载荷惯量、电机产生的关联性等进行准确计算。在对球螺杆产生的惯性进行计算的难度较大，因此一般采用锟简计算公式进行计算，以此得出其近似值。对于某些需实现较为准确定位的运动控制，可能会采用对球螺杆进行预先加载的方式对反向齿隙产生不良影响进行削弱、消除。然而，这样的计算方式将会产生一定计算误差。此时则需要对球螺杆的预紧力与传动效率进行全面分析、计算，最终确定电机力矩。

      2.5 运动轨迹类型的选择

      运动控制中选择运动轨迹，在较大程度上决定着电机运行时间、速度与加速度、以及负载的控制要求。运动控制过程中的运动轨迹控制应用，需要对惯性、摩擦力等进行抵消、克服，此过程中大部分电能会被转化成为热能而被消耗，同时也会占据电机处理能力的较大容量，因此，为确保电机在额定处理容量获得较好的运动控制效能，要求对各种不同运动控制进行单独测算。只有确定相应控制电机基本动力公式和实现对控制容量的准确测算，才能确保运动轨迹类型的电机选择正确、合理。

      3 运动控制中的伺服电机应用注意事项

      3.1 加速力矩的控制

      加速力矩是在电机进行载荷运动过程中所克服机载摩擦，以及控制惯量需要达到的力矩，确保运动控制的传动效果[3]。在计算过程中主要结合加速力矩=全部惯性*加速度+全部摩擦力矩公式进行计算。

      在运动控制过程中电机发挥的重要作用毋容置疑，其承担着整个运动控制惯量与摩擦力抵空加速度所需的全部力矩，以及实现自身运动的力矩作用。所以电机合理应用需要加强对加速力矩的有效控制。运动轨迹控制需要电机提供相关力矩，这就要求实现对运动轨迹进行全面考虑，确定电机工作的实际周期力矩。

      3.2 控制选择

      电机工作的控制选择极为重要。控制功能的实现需要为电机运行提供充足的加速电流与连续电流，满足放大器转动需求，以及运动控制需求。因此，在电机选择方面需要结合对控制选择的考虑确定各项参数。

      3.3 温度技术与控制

      电机运行过程会产生较多热能，而电机内部线圈绕组方式与电机散热方式、散热能力息息相关。目前对于电机内部散热能力衡量主要以热阻值的计算结果为依据。因此，电机运行温度的计算，必须对电机绕组方式及运行能力损耗进行充分考虑，实现对运行温度的有效控制，避免不必要的能量损耗与电机机械损伤。

      4 结语

      在社会经济与科技水平不断进步发展的推动作用下，电机的应用领域也越来越广泛。电机机械运动控制的重要部件，其涉及的应用类型、适用的情况多种多样，这就要求在具体应用过程中实现对电机类型的合理选择，确保运动控制的较高有效性，更好地为社会生活和经济生产提供保障。

      参考文献
      [1] 袁琳,王玉玲,闻绍靖.运动控制中伺服电机选型需求分析[J].科技经济导刊,2018,26(17):76.
      [2] 李光辉,郭伟博.运动控制中伺服电机选型需求研究[J].山东工业技术,2017(15):258.
      [3] 段宝利,徐晓东.运动控制中伺服电机选型需求分析[J].自动化与仪器仪表,2017(2):70-73;76.