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【每周精选】关于伺服产品特性


通常伺服产品的手册上都会列出电机的各项参数,而且各家的表述方法和名称都会有些差异,看上去非常复杂。那么在实际伺服应用中,我们应该如何看待这些参数,怎样根据这些参数选择适合应用的产品呢?这里分享一下对电机特性的一些解读。


电机的输出特性其实是有扭矩和速度两方面的,因此,电机的特性通常使用矩频(扭矩和转速)特性曲线的方法来描述更加直观。


1.输出峰值扭矩

a. 电机绕组能承载的最大电流,决定了电机能输出的最大扭矩。电机峰值扭矩越大,要求绕组承载更大电流,电机的框架也会因此更大。而电机的个头(框架大小)直接决定了电机硬件成本。

b. 驱动器能输出的最大电流会限制电机轴输出的峰值扭矩。

 

2.连续输出扭矩

a. 虽然电机连续输出扭矩和连续输出电流成正比,但其并不受电机绕组承载电流限制,而是受到电机绕组温度限制,绕组温度过高会使得电机输出扭矩降容。因此电机的连续输出扭矩很大程度上取决于绕组快速散热和冷却的能力。这里面有两个要素

i.电机的绕组散热特性。同样个头(框架大小)有着相同峰值扭矩的电机,会因为其散热特性较好使得电机绕组运行温度更低,从而获得更高的连续输出扭矩。

ii.环境温度升高会影响电机绕组散热变差,从而有可能使电机连续输出扭矩下降。

 

b. 驱动器连续输出电流的能力会影响轴连续输出扭矩。

 

c. 通常连续输出扭矩都会是一条斜线,也就是说随着电机转速的升高,其连续输出扭矩会有所下降。不同的电机,其下降的斜率也是不同的。电机供应商在标称连续扭矩时会注明“连续堵转扭矩”(转速为零时的连续输出扭矩值)和“额定连续输出扭矩”(额定转速时的连续输出扭矩值)。

 

3.电机峰值转速与高转速时的扭矩(右侧红色斜线)

a.由于电机转速和绕组端电压成正比,因此,当驱动器进线电压或直流母线电压下降时,电机所能输出的最高转速会降低。因此这条线会向左移动。

 

b.当电机运行到高转速时,会有一部分电流转换成热能消耗影响电机绕组散热,从而使得在高转速时的扭矩有所下降。因此此线是一条斜线。通常电机功率越大,此线越斜;功率较小,此线较垂直。

 

4.电机功率

功率P=扭矩T*转速v。 我们通常可能有个经验公式功率=扭矩*转速/9550, 是通常大家用的单位是KW和RPM,而国际单位制里功率是w,转速是rad/s.

 

单从产品角度很难说什么样的矩频特性曲线是好的。只能依据运动轴应用所需的电机运行矩频输出点,比较不同的特性曲线,找到相对更加合适的电机和驱动的组合。所谓电机运行矩频输出点,就是电机在特定速度上需要输出的扭矩值,在矩频坐标上体现为一个点。如下图,应用需要电机能在2500RPM时输出6NM扭矩,上下两个曲线特性都可以满足应用需求,但如上面电机的峰值扭矩和连续堵转扭矩都较高,法兰框架为165,而下面电机法兰只有130,从整体成本上显然优于上面电机。

 



而对于一个完整的应用,电机运行点是连续的分布在整个坐标系的(如下图)。


匹配电机的时候需要让这些瞬间的运行点能够被电机峰值输出包围,而这些点的平均运行点在连续运行值范围内。同时,考虑到成本和经济性,需要使这些点尽量靠近电机曲线范围的右上角,并放合适余量。运行点超过电机曲线范围,会导致应用风险增加甚至不可用;反过来运行点离原点过近,电机曲线留了过大余量,会导致成本的增加(这个是从电机到驱动、电缆、变压器、滤波器及前端电源等一系列的成本增加)。由此看来,准确获得运动应用的运行点分布以及合理匹配相应特性的电机直接决定着伺服系统的性价比。实际应用中,要做到准确分析,有很大的难度,比如,机械参数以及工艺参数的复杂性,以及多部门协同工作的同步等,但正因为其对整机竞争力的至关重要的影响,不少企业都愿意为此投入大量的人力和时间。不少伺服的供应商也为了更好的方便客户在运动特性上的分析,减少客户的分析成本,为自己的产品推出了相应的选型和优化软件工具。


|mcrazy

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