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                電機選型計算第一篇:電機選型注意哪些參數與慣量比

                2022-04-29 20:01:37        0

                電機選型計算第一篇:電機選型注意哪些參數與慣量比


                一.電機溫升



                電機溫度是指電機各部分實際發熱溫度,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,溫升就是電動機溫度比周圍環境溫度高出的數值.



                θ=T2-T1



                θ-------溫升



                T1-------實際冷卻狀態下的繞組溫度(即環境溫度);



                T2-------發熱狀態下繞組溫度



                二.電機功率



                1. 根據電源電壓、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. 根據安裝地點和工作環境選擇不同型式的電機.



                3. 根據容量、效率、功率因數、轉數選擇電機.如果容量選擇過小,就會發生長期過載現象,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,功率因數也不高.因為電機的功率因數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----生產機械功率(KW);



                  η1----生產機械本身效率;



                  η2 ----電機效率.



                  上式計算出的功率不一定與產品規格相同,所以選擇電機的額定功率(P1)應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



                一.電機扭矩的計算



                電機扭矩的計算涉及到2部分:



                1.克服驅動機構的摩擦轉矩TL



                2.克服負載和電機轉子慣量的啟動轉矩TS



                電機扭矩T=(TL+TS)*S (S:安全系數)



                二.慣量匹配



                理論上負載折算到電機軸的慣量與電機轉子慣量比 < 5(這個值不一定,看工況,下面有關這方面的介紹)



                延伸篇:這里講講為什么要進行慣量匹配



                經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用中慣量比要小于某個數值,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。在某些廠家的產品參數手冊中,對其電機產品的選型還有關于慣量比的“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會帶來什么樣的影響?這就要從關于“傳動剛性”的問題說起。當運動控制傳動鏈剛性不佳時,在驅動側(電機側)與被驅動側(負載側)之間會產生“間隙”和“彈性”效應,電機輸出的驅動力傳輸到負載上有遲滯現象,并且在兩側之間會有一定的相對位移。在系統進行動態調整的過程中,電機需要輸出扭矩,驅動負載的加減速運動,但由于電機側與負載側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,于是驅動側與被驅動側會產生“彈性碰撞”。



                而受到這樣的“彈性碰撞”的影響,驅動與負載兩側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再次“碰撞”。周而復始,電機側與負載側在動態加減速運行時,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,系統會“本能”地對這些由于碰撞產生的“偏差擾動”進行實時調整。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而產生的“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,直接說最關鍵的定性結論吧。在彈性碰撞過程中,如果物體質量(慣性)越大,其碰撞后的運動狀態改變越小,反之質量越小,碰撞帶來的運動狀態改變越大。換言之,物體質量(慣性)越大,在碰撞中更容易保持接近原有運行狀態。



                對于運控應用而言,如果系統慣量比大,就意味著電機慣量較小,那么在非剛性的彈性傳動系統的動態加減速運動過程中,由于間隙和彈性效應產生的電機側與負載側的“彈性碰撞”,會對慣量較小的電機的運行狀態產生較大的“擾動”,這就直接增加了系統控制調整的難度,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,就是降低運控系統的頻率響應值(增益),而此時的系統動態響應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,其運動狀態受到的“擾動”也就相應的小了,這樣運控系統控制調整的難度就降低了,更容易讓電機和系統達到比較穩定的運行狀態,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,而系統運動狀態更多的以電機為主。從對系統把控力度方面看,這當然是我們更希望的。



                那么是不是說,在剛性傳動系統中,就沒有慣量比的問題了呢?



                這個問題比較復雜,因為事實上并不存在絕對的剛性傳動,只要驅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“直接驅動電機”。



                延伸閱讀:慣量比選多大合適?



                運動控制系統,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 倍于電機轉子慣量的鋼制飛輪負載。這個系統的慣量比為 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,并通過聯軸器與電機軸相連。在實驗中,這根金屬棒長軸就模擬了設備中的機械傳動機構。



                同時這個飛輪負載在長軸上的位置是可以調節的,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整。



                此時我們發現,如果使用較高的系統增益(響應帶寬)參數,電機會產生劇烈抖動和嘯叫,系統變得極不穩定。為了獲得穩定的運動性能,我們不得不將增益值降下來。



                但相應的,系統的運動特性也變得很軟,動態響應力度變弱,用手指就可以輕松來回轉動負載。



                接下來,將負載靠近電機,此時再對系統進行調整,則已經可以輕松地使用極高的系統增益值了,相應的,電機的動態響應力度變強,系統的運動特性也變得很硬,有了極高的動態特性。



                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,僅僅是簡單地調整負載離電機的遠、近,就可以讓系統的運動性能產生巨大的差異和變化:



                • 遠:不穩定的抖動或者穩定但較軟的動態特性

                • 近:穩定且有較硬的動態特性



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



                對于大慣量的負載,在做完軸的自整定后,伺服環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性能。但是通常這樣的增益值,是伺服系統基于系統剛性聯接情況下計算出來的。如果系統剛性不那么好,那么系統將會變得不穩定,出現嘯叫和抖動。



                通常要將伺服系統調的穩定,需要將增益值降下來,也就是降低系統響應頻率。在這里,響應頻率降下來后,系統立刻變得穩定,而且不再嘯叫。然而,系統的性能也變軟了,而且我們發現已經可以用手轉動軸了。也就是說,響應頻率的下降直接導致性能的下降。



                如果需要更好的性能,那么比較現實的做法,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“方程式”中的一部分。所有的伺服系統,都需要在這幾個方面相互平衡、折中、妥協:



                • 較高的慣量比

                • 高動態性能的預期

                • 柔性機械連接



                在任何系統中,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或者更高的系統運轉起來,如果系統剛性不佳,此時就需要降低系統響應頻率(即增益值)-在性能上妥協;或者我們仍然需要有較高的動態特性,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接,例如:直接驅動電機,直線電機技術,使得電機和負載直接聯接在一起,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,系統性能依然可以極高。



                下面這張基于經驗的趨勢圖表,定性的詮釋了慣量比與系統剛性和動態性能之間的關系,或許可以為我們在實際應用的系統設計和選型,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”,不同的動態特性預期和傳動剛性的差異,決定了特定運控系統所“適合”的慣量比。



                一些速度較慢或者基本保持恒速運行的應用,如分度轉臺等,對慣量比要求并不苛刻,基本不要求個位數的慣量比,如果采用剛性較好的機械傳動(如直接驅動電機),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、高精度應用,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。




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