伺服基础课 第4讲｜选型流程与裕量

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本讲将带你全面掌握伺服电机的选型流程。从初步的工况分析开始，到详细的运动曲线、转矩计算、电机、驱动器与减速机的匹配，再到如何根据实际应用留有足够的工程裕量，确保系统运行稳定、无故障。

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一、选型流程概述

伺服电机选型的核心是合理匹配负载、运动需求、控制精度与系统响应时间。整个流程可分为以下几个主要步骤：

• 工况分析：首先明确使用伺服的实际工况、运动需求。
• 运动曲线设计：根据加速、减速和速度要求确定运动曲线。
• 转矩计算：根据负载的加速度、惯量计算峰值与连续转矩。
• 电机与驱动器匹配：确保电机的转矩、功率与驱动器的负载能力匹配。
• 减速机选择：依据减速比和惯量匹配电机与负载。
• 再生能量与制动电阻：评估系统是否需要制动单元或电阻来处理再生能量。
• 工程裕量：根据工况预留20%–50%的裕量，避免选型过于紧凑。

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二、第一步：工况分析

伺服电机的选型与实际应用的工况紧密相关。在进行选型前，必须明确以下内容：

1. 负载类型与特性

• 负载是定速还是变速？
• 负载是刚性还是弹性？
• 负载是否存在惯性、摩擦、背隙等？
• 负载的大小、重量与转动惯量。

2. 运动需求

• 加速度、最大速度、行程等。
• 是否需要精确定位或快速响应？
• 是否有高频率启停、快速切换工况的需求？

3. 环境因素

• 环境温度、湿度、灰尘、振动等。
• 是否有特殊防护要求，如防爆、IP等级等。

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三、第二步：运动曲线设计

伺服电机的控制精度与运动曲线的设计密切相关。常见的运动曲线有：

1. 梯形速度曲线（Trapezoid）

• 加速、恒速、减速三阶段，适用于大多数场合。
• 通常用于需要加速和减速的负载，如传送带。

2. S曲线

• 采用平滑加减速，减少机械冲击，适用于高精度控制系统。
• 适用于需要精准定位的场合，如机械手臂。

3. 停-走-停

• 用于重复快速的点动或取放操作。
• 如包装线上的机器人。

4. 关键参数

• 最大速度（Vmax）
• 加速度（a）
• 减速度（d）
• 单次行程
• 周期时间（Cycle time）

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四、第三步：转矩计算

伺服电机选型的关键之一是计算负载的转矩。常见的计算方法包括峰值转矩（Tp）和连续转矩（Tr）。

1. 峰值转矩（Tp）

Tp = J_total × a

其中，J_total为总惯量，a为加速度。

2. 连续转矩（Tr）

Tr = F × r / η

其中，F为负载力，r为力臂，η为效率。

3. 计算惯量（J_total）

总惯量J_total = J_load + J_motor / (减速比)²，其中，J_load为负载惯量，J_motor为电机惯量，减速比用于调整惯量。

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五、第四步：电机、驱动器与减速机的匹配

1. 电机选择

伺服电机选择时，最重要的三个参数为：

• 连续转矩 Tc：需要大于或等于计算出的Tr。
• 最大转矩 Tm：需要大于或等于计算出的Tp。
• 额定转速：必须满足最大速度要求。

2. 驱动器选择

驱动器与电机匹配时，必须确保驱动器的电流和电压额定值满足电机的需求，同时控制模式（如脉冲模式、矢量控制、位置控制）与电机性能匹配。

3. 减速机选择

选择减速机时，减速比需要匹配负载惯量，合理选择减速机可以降低电机负载，提高系统效率。

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六、第五步：再生能量与制动电阻

1. 再生能量评估

在快速减速、起升负载等情况下，伺服电机会变为发电机，电能反向传送至电源。系统若没有良好的能量吸收机制，会导致过压故障。此时，需要加装制动电阻或制动单元。

2. 制动电阻配置

制动电阻功率 = (电机输出功率 × 再生能量比例) / 制动时间

3. 注意事项

制动电阻必须根据负载类型、减速速度与频率来合理选择。

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七、第六步：工程裕量

在选型时，需要留出适当的工程裕量，避免因实际工况波动或负载变化而导致系统不稳定或过载。

1. 裕量建议

• 连续转矩 TR：建议留 20–30% 裕量。
• 峰值转矩 TP：建议留 30–50% 裕量。
• 电机驱动器：电流裕量 ≥ 20%。

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八、总结与展望

伺服选型的过程是一个系统工程，需要从实际工况分析入手，经过运动曲线设计、转矩计算、电机与驱动器匹配，再到制动电阻与工程裕量的配置，每一步都非常关键。

下一讲预告：
我们将介绍伺服电机的安装与调试，讲解如何快速调整参数，优化系统性能。

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