设计要点：如何正确选择电机以避免尺寸过大
运动控制工程师面临的挑战之一是如何正确选择电机。如果电机尺寸过小或太小，将无法承受负载。如果电机过大或太大，则电机在购买点和操作方面都将太昂贵。准确地确定电机的尺寸可以帮助防止这些情况的发生。
惯性
运动控制中的主要挑战之一是克服惯性。惯性是物体抵抗加速度变化的趋势。克服惯性对工程师来说是一个不懈的努力，特别是在运动周期短但要求很高速度的装配机上。电机需要在线性系统中提供足够的力，或者在旋转系统中提供足够的扭矩，以便以受控方式改变负载的加速度。
正确选择电机尺寸的第一步是计算负载惯量。例如，旋转质量的惯性矩(J)可以通过以下方式确定：
这描述了距旋转轴特定距离(r)的点质量(m)的惯性矩。该公式可用于为诸如圆柱体，圆盘，球体和块体之类的复杂形状建立惯性矩。负载惯量从负载及其之间的组件反射回电机轴。该值应包括电机负责移动的任何其他机械元素。这可能意味着零件，例如螺钉，皮带轮，皮带或联轴器。这些额外的运动部件将要求系统具有更高的性能。
对于复杂系统，找到合适的分析表达式取决于重量，而不是零件的质量，这是重力引起的加速度的原因。电机选型过程需要总的系统惯量，包括负载惯量和电机惯量。许多工程师的趋势是仅将实际负载和齿轮箱计算为惯性，而忽略皮带，皮带轮和其他机械组件的重量和惯性。
这就是为什么许多人采用10%超大尺寸方法并将其电机要求提高到下一个主要尺寸的原因，或者使用具有较大扭矩值的相同机架尺寸的原因。因此，这导致电机尺寸过大。
负载惯量与电机惯量之比表示电机可如何有效控制负载。当惯性比高时，表明系统可能难以控制负载。较低的惯性比显然表明相反。电机将拥有更轻松的时间，并且可以更有效地控制负载。但是，低惯性比可能意味着电机对于系统来说尺寸过大，成本更高，并且比必要的更大。
最终，经验法则是基于性能。伺服和运动控制中的惯性失配可能会高达60：1，但是根据您对系统的调整程度，其性能可能会非常出色。自整定驱动器可以补偿机器资源和振动，即使在高速下也可以支持精确的性能。
扭转挠性或柔度是电机尺寸的重要因素。如果系统过于宽松且具有较高的柔度，则惯性比为1：1的电机可能无法控制负载。系统可能需要拧紧，或者操作参数可能需要放松。
变速箱通过齿轮比的平方减小惯性，从而帮助管理惯性。齿轮箱还会降低电机的速度，这对于步进电机可能会造成问题，因为它们通常仅以每分钟几百转(RPM)的速度运行。伺服电机得益于齿轮箱的使用，因为它们以2,000至6,000 RPM之间的较高速度运行。
申请条件
梯形运动曲线显示了加速和减速区域以及恒定速度范围。(由运动控制和电机协会提供)
在确定系统的惯性之后，下一步就是确定操作参数和所需的扭矩。首先应定义负载的运动曲线。最基本的形式是梯形。突然加速的爆发，随后是一段恒定的速度并以减速结束。加减速可以通过以下方法确定：
观察上面的简单运动曲线，加速度和减速度相互镜像，可以通过以下方式确定：
扭矩要求
一旦获得了负载惯量，加速度和减速度，就可以计算定位负载所需的扭矩量。总扭矩(T t)是加速扭矩(T acc)和负载扭矩(T L)之和。负载扭矩是系统中机械损耗的总和，通常是由于摩擦和重力造成的损耗。
为了计算摩擦力，将滑动表面的摩擦系数与施加到该表面的法向力相乘。摩擦力是一种设计因素，在电机选型过程中很容易忘记。这对于确定扭矩扳手等测量仪器的摩擦力很有帮助。
均方根(RMS)扭矩是应用中电机所需的扭矩。它不仅考虑扭矩量，而且考虑扭矩持续时间。为了确定T RMS，必须计算扭矩加速度和扭矩减速度：
该方程式的最后一个扭矩值为运行扭矩。该扭矩值可在整个运行阶段保持恒定速度，并在移动结束时保持较小的空闲时间跨度。
一旦有了T RMS，就可以通过参考速度-转矩曲线来确定所需的速度。制造商为其电机提供这些曲线，以描述其在工作速度范围内的性能。这些数据图是确定电机是否适合应用条件的重要参考。
速度-转矩曲线显示了电机的额定转矩点。曲线的低端是电机可以安全运行的地方，但可能尺寸过大(绿色区域)。在曲线的高端，电机尺寸可能会变小，并且可能会随着时间的流逝而失效(橙色区域)。(由运动控制和电机协会提供)
基础设施与环境
在选型过程中，选择合适的电机时必须考虑外部条件。必须考虑电源的电压和频率特性。您选择的电机可能会因可用功率而异。
操作环境也至关重要。电机会暴露在低温或潮湿环境中吗?是否将其放置在偏僻的地方，使得定期维护工作变得困难?冲洗环境是否需要电机?这些问题的答案将影响您选择哪种电机。
物理运动方面
控制负载的一种简单方法是增加电机功率。但是，物理限制可能会阻止您增大电机尺寸。空间限制限制了电机的机架尺寸和长度。一些制造商通过堆叠磁体叠片来增加电机功率，同时保持相同的框架尺寸。这会使电机更长，但不会增加宽度。但是，这也可能会受到空间限制。
当涉及到步进电机时，通常会加大尺寸。步进电机的极数设计很高-大约50或更多。可以命令它们以不连续的步骤前进，而不是以连续运动的方式前进，并且能够开环运行，从而使它们高效而廉价。
许多人会加大步进电机的尺寸，以防止它们处于过转矩模式时失速。电机轴上通常没有反馈监控装置，因此电机会停转而不会引起注意。通过正确选择电机的尺寸，可以使步进电机处于闭环状态。这有助于节省金钱，可以将其投资购买编码器。
超越基础
工程师可以应用多种技术来缩小电机的尺寸和成本。首先是增加一个齿轮减速器。变速箱可能会降低电机要求。蜗轮蜗杆箱的效率约为30%，而行星齿轮箱的效率为85%。使用高效齿轮箱可以减少电机的负载。
也可以考虑用步进电机代替伺服电机。在计算出所需的扭矩之后，可以将步进电机用于低速应用。有了合适的机架尺寸，步进电机就可以独立工作，而无需变速箱，从而大大节省了成本。
选择电机时，常见的错误是选择具有连续负载转矩的电机，该转矩等于最大转矩要求。电机有两种模式：连续工作模式/峰值或过载模式。电机可以在短暂的时间间隔内以峰值转矩/电流运行，而不会损坏电机绕组。许多应用程序包括简短而快速的动作。
在最大扭矩要求下选择电机意味着要多花钱购买电机。如果尺寸合适，则可以选择能够在短时间内在过载转矩范围内运行的电机。这使用户可以选择小型电机并节省成本。
使用这种方法选择电机时，请特别注意占空比。峰值电流的间隔应短一些，以使其不超出规格范围，并且应在足够低的频率下发生，以使电机绕组和电子器件冷却下来。从传动装置的角度看，占空比对于防止过早磨损和故障很重要。
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