设计中电机选择的个人经验（一）
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设计中电机选择的个人经验（一）
作者语：社区里不时就会见到有人问关于电机选型的问题。这一方面说明社区时刻都在有新鲜血液的流入，另一方面也反映出关于电机的选型的确是个普遍问题。&关于这个问题我想过来人经过自己的学习、摸索、实践多少都会有一些自己的经验和方法，但是大家遇到的问题又常常看似类似又有不同，遇到类似的提问又不知从何说起。以下作为我个人在学习工作中总结的一点经验，希望能为初入机械行业又恰巧看到此文的社又有所帮助，也望其他社友不吝赐教。关于电机的计算选型能说的话题太多，电机的类型、控制等等任何一个方面都够我们研究很久。&以下两点比较主要：&一、为了使问题清晰，我将真个机械传动过程分为动作执行机构和驱动电机两部分。二、在这里我找到一个很好的切入点就是减速器（增速器）我想用传动比i来表示，从这个传动比i进入我们的话题。&无论如何总是从驱动电机到执行机构中间有个传动比i暂且忽略传动效率。传动比i（减速箱）有三个作用：1、转速匹配；2、转矩匹配；3、惯量匹配。（1）、什么叫转速匹配我们的电机有额定转速，我们总是希望她工作在额定转速下但我们的执行机构却有自己的运动速度这就需要减速器（增速器）i来完成速度的匹配满足执行机构的要求，通过各种齿轮齿条、涡轮蜗杆、链轮带轮等等实现这一过程（液压气动有自己的一套理论有机会会另开贴讨论）。&执行机构决定电机的额定转速，传动比i在其中调节。转速与传动比i成反比，假设电机转速n，经过传动比i后得到的转速为n/i&（2）、什么叫转矩匹配与转速匹配相似，运动需要力反映在电机上就是转矩，转矩有额定转矩，同样需要去匹配，需要的转矩要和电机的额定转矩相互匹配，这中间也需要传动比i只是转矩与传动比i成正比，假设电机转矩T，经过传动比i后得到的转矩为iT。到这我们就会稍微有点思路，原来选电机就是选电机的额定转速和额定扭矩，中间的机械结构只是一些传递这两个参数的机构，我们要做的只是去找一个合适的两边都能接受的i。问题好像得到解决了，那就太简单了，事实要比这复杂的多，下面就是其中一个。&（3）、什么叫惯量匹配电机具有转动惯量J，这是电机一个很重要的参数，很多情况下我们发现根据公式转速，扭矩都吻合但我们选的电机依然会有问题这时候我们就需要关注一下这个转动惯量J了，不同结构的转动惯量计算有不同的公式，我会在后面慢慢贴上（包括上面提到的转速、转矩）。这里主要说下是负载转动惯量在归算到电机轴上时是按传动比平方的倒数倍减小，1/i的平方倍。本文由中国机械社区原创。
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电动机种类和形式的选择
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三相交流异步电动机的选择
&&& 1.功率的选择
选用电动机的功率大小是根据生产机械的需要所确定的。
(1)连续运行电动机功率的选择
对于连续运行的电动机，先算出生产机械的功率，所选用的电动机的额定功率等于或大于生产机械的功率即可。
例如，带动车床切削的电动机功率为:P==（kW）
式中P1为车床的切削功率；F为切削力（N）；v为切削速度（m/min）;η1为传动机构的效率。
(2)短时运行电动机功率的选择
短时运行电动机的功率可以允许适当过载．设过载系数为λ，则电动机的额定功率可以是生产机械所要求的功率的。
如上例是短时切削加工车床，其电动机的功率为；
2.种类和型式的选择
(1）种类的选择
选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、调速与起动特性、维护及价格等方面考虑。
因为生产上常用的是三相交流点，如没有特殊要求，多采用交流电动机。由于三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便；其缺点是调速困难，功率因数较低，起动性能较差。因此，在要求机械特性较硬而无特殊要求的一般生产机械的拖动，如水泵、通风机、运输机、传送带和机床都采用鼠笼式异步电动机。
绕线式电动机的基本性能与鼠笼式相同。其特点是起动性能较好，并可在不大的范围内平滑调速。但是它的价格较鼠笼式电动机为贵，维护亦较不便。因此，只有在某些必须采用绕线式电动机的场合，如起重机、锻压机等，大多采用鼠笼式异步电动机。
(2)结构形式的选择
在不同的工作环境，应采用不同结构形式的电动机，以保证安全可靠地运行。电动机常用的结构形式有：开启式、防护式、封闭式和防爆式，如下图所示。
3.电压和转速的选择
&&&& 电动机电压等级的选择，要根据电动机的类型，功率以及使用地点的电压来决定。电动机的额定转速根据生产机械的要求而决定，一般采用尽量高转速的电动机。豆丁微信公众号
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3秒自动关闭窗口机器人电机选择注意事项
> 机器人电机选择注意事项
机器人电机选择注意事项
& & &机 器 人 执 行 预 先 规 划 好 的 具 体 任 务 ， 比 如 组 装 线 工作、手术援助、仓库提货/检索，甚至是排除地雷等危险任 务。如今的机器人不仅能够处理高重复性的工作，还能完成 在方向和动作上需要灵活性的复杂功能（图1）。随着技术 的进步、速度与灵活性的提升、成本的降低，机器人将被逐 渐广泛采用。低于人工的成本优势也让我们看到了机器人产 业的曙光。此外，机器视觉、计算能力以及网络的进步也将 推动机器人应用的普及。这 些 高 性 能 机 器 人 的 实 现 得 益 于 以 下 几 个 方 面 的 提 升：o 复杂的传感器；o 实现实时决策与动作的计算能力与算法；o 快速、精确进步机械动力实现复杂任务的；本文引用地址：图1 & 如今机器人被大量运用在各个领域，从小的贴片机到大的汽车组装领域，如在组装线上抬、放置、安装甚至焊接零件与部件。（图片来源： IStockPhoto.com）图2 & 在无刷里，当线圈磁场与转子上的永久磁铁相互作用时，定子绕组里的线圈进行电流切换。图中，空缺的转子位于中间位置。（图片 来源：Microchip AN885）图3 & 配备了所有元件的步进框图，其中MOSFET位于功率级。在具体选择电机类型和型号时，设计师要考虑三个首要的因素设计师要考虑：1. 电机的最小和最大转速（还有加速度）；2. 电机可以提供的最大扭矩，以及扭矩和速度曲线的 关系；3. 电机操作（不用传感器和闭环控制时）的精确性和 重复性；当然，在选择电机时还有许多其它如尺寸、重量还有 成本等重要因素要考虑。几乎对于所有小型到中型等大小的 机器人驱动器来说，驱动电机的选择通常有刷直流电机、无 刷直流电机(BLDC)和步进电机。（然而，某些情形下液压 与气压机才是最好的选择。）有刷直流电机是最古老的直流电机技术，最简单、成 本也最低。由于电刷与转子间的接触，电机转子的转动会切 换（换向）绕在转子上的绕组磁场。电机的速度是施加电压 的函数，因此驱动要求不高，但管理扭矩却很难。由于电刷 磨损、需要清理维护，以及可能会成为电子噪声源(电磁干 扰)等因素，工作时也存在可靠性问题。由于这些问题的存 在，大多数情况下，有刷直流电机成为机器人设计中最不具 有吸引力的选择。无刷直流电机（图2）出现于19世纪60年代，它得益于两方面的发展：一是出现了坚固、体积小、低成本 的 永 磁 铁 ； 二 是 出 现 了 体积小效率高的电子开关（通常为MOSFET）来切 换流向绕组的电流。“电 子换向”取代了有刷电机 的机械换向来控制磁场的 切换，周围固定的切换线 圈与旋转芯上的磁铁间的 相互作用取代了有刷电机 的机械换向，即利用了磁 场 与 电 场 之 间 的 相 互 作 用。通过改变MOFSET的 开关频率，电机速度从而 可以被控制。另外，相对 于有刷电机，其电机控制器 能 更 好 地 控 制 电 机 性能。更妙的是，高级算法如PID（比例-积分-微分）校正算 法或者FOC（磁场定向控制，有时也称之为矢量控制）控制 算法能被固化到电机控制器中。这使理想的电机操作与实 际的负载及负载变化相匹配，从而使电机性能更加强大与精 确。例如，电机控制算法/程序可以考虑到转子惯性等相关 因素，并且使电机驱动器适应并逐渐减少由于机械因素导致 的错误。这样的算法使精确控制加速度和转矩成为可能。与有刷电机相比，无刷电机 (BLDC) 虽需更复杂的控制 电路但却可以表现出更优的性能。通常BLDC电机需要配备 一个位置反馈传感器，比如霍尔效应传感器、光学编码器， 或者反电动势检测器件。机 器 人 中 常 用 的 另 一 种 B L D C 电 机 是 步 进 电 机 （ 图3），此时用到开关式电磁铁，位于永磁环中央磁芯旁。步 进电机不以常规方式“旋转”；而是借助于不断转动的轴， 逐步提升转速，因此可以实现某一个角度的旋转或持续旋 转。步进电机具有可重复的运动控制；在需要时可以返回之 前的位置。步进角度范围为1.8°(200步/转)至30°(12步/转)，步 进角或步数取决于电机所拥有的永磁铁个数，但这个范围之外的值也是可以实现的。对于步进电机，如果通电却没有步进指向，它们会维持在原位置；步进电机能以低rpm提供高扭矩。让步进电机 转动最直接的方法是有序通断电磁铁，但这可能会带来抖动 或振动。无刷电机和步进电机的应用领域有部分重叠。步进电 机更适合需要精确的进退动作(如捡拾和安置)的应用领域， 而不是需要长时间持续转动的领域，也适合于不需要电机提 供高转矩或速度的小应用领域。此外，步进电机对于能源效 率的要求也低于无刷直流电机。除了这里列出的电机以外，还有许多其它类型可供选 择。电机系列很多而且也很复杂，有很多的分支。例如，永 磁铁同步电机 (PMSM)是无刷直流电机（相对于转子）和交 流感应电机（相对于定子结构）的结合体。它具有高能效、 单位小体积相对密度高、扭矩重量比、快速响应时间，以及 相对容易控制等特点，但价格相对也比较高。2 控制需要技巧机器人运动系统不仅涉及电机，它包括三个主要功能 模块。1. 实时控制器，表现为以下三种形式。o &作通常用途、 运行运动-控制固件的快速计算处理 器；o 应用在控制方面、面向DSP的FPGA ；o 带硬连线和内置算法的专用控制器IC电路。2. 一个或多个级联的驱动层，以把低层信号从控制器 输出中取出，然后输出控制电子器件通断所需要的高电压/ 电流。3. MOSFET（或者其它开关器件，如IGBT或者双极型 晶体管），它控制流向电机绕组的电流。具体MOSFET的选取主要取决于电机和绕组所需的电 流和电压大小。MOSFET型号确定下来之后再选择驱动器， MOSFET驱动器的选择由MOSFET的额定值决定；有时可能 需要一系列升压驱动器，具体取决于MOSFET的尺寸。3 选择控制器时可能会遇到的问题控制器型号选择也很富有策略性，需要在选择具体供 应商和型号之前作出决定。选择是使用一个仅作电机控制的 通用处理器，还是具有高计算能力的FPGA，抑或是一个专 用的控制IC电路（通常出自特定的电机控制供应商）时有许多需要权衡考虑的地方。设计师需要考虑因素包括：o 你需要何种复杂度的控制算法，有多少I/O口？o 谁来提供控制算法及代码：是IC供应商、第三方合作 伙伴，还是不相关的第三方开发者？他们如何确认并验证电 机及其应用的性能？o 你需要多少用户编程能力？即使是专用的、不需要编 程的控制器，也会要求用户选择算法类型、闭环控制模式（位置、速度或加速度），并且需要设置一些操作参数。o 电机和应用有独特的属性要设置吗？如果答案是肯定 的，那选择可编程IC会更好。相反，如果不需要修改算法， 这种情况下，相比完全可编程的IC，选择带有硬连线、固化 算法的专用IC会比较好。o 控制器需要支持多种电机型吗？即便是同一种，控制 器是只需支持该型号中某种尺寸的电机，还是支持一系列尺 寸范围？o 供应商提供何种程度的技术支持？他们有哪些实际动 手开发的电机经验？他们会不会提供曾经搭建且验证过的具 体参考设计，包括控制IC和MOSFET驱动器间的接口电路？o &是否有一些监管问题需要注意？如授权的能效评估（许多电机应用现在必须满足各种“绿色”环保要求）。如 果是，供应商理解这些问题吗，他们的元器件和算法满足这 些要求吗？4 开发套件展示控制器与接口性能对于许多工程师来说，将所有的部分 - 包括带有固化或 独立算法的控制器、驱动器、MOSFET等 - 融合到一起，是 一个需要多部门配合完成的任务，一个他们不想“从零开 始”的任务。出于这个缘由，许多供应商提供包含了控制 器、示例算法、驱动器和MOSFET的评估板甚至是完整的套 件。举例来说，Freescale MTRCKTSPNZVM128三相无传感 器PMSM套件采用无传感器电机控制技术驱动三相BLDC或 PMSM电机。该套件设计用于通过借助微控制器集成ADC模 块支持使用反电动势快速进行原型设计和评估。此外，此套 件（具有MC9S12ZVML12 微控制器）还可配置为基于传感 器评估使用霍尔传感器或解析器的操作。随着技术的进步，包括通过改进电机控制和传感所带 来的精确执行将创造新的机遇，机器人的前景也非常可观。 传感、控制和电机这些关键领域的革命将持续影响机器人技 术的变革。
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