电机与驱动系统选型：避免过大或过小实现最优性能

正确选型是电机选择关键。电机过小无法控制负载，导致超调和振荡。

过大选型与过小一样糟——虽能控制负载，但体积更大更重，采购价和运行成本更高。可能物理上不适配，肯定更贵。会占用控制柜或车间更多宝贵空间。

供应商常接到电话询问特定马力电机。工程师可能买同尺寸前代平台电机。可能加大安全裕度补偿变化。可能用10:1或5:1负载惯量与电机惯量比——或上述混合。

目标应是指定能提供所需速度、加速度、转矩以在指定时间将负载定位到指定位置的电机。可包含补偿电机间差异或预期运行条件变化的安全裕度。但安全裕度应加在知情计算之上。

常见错误是选持续转矩等于应用最大转矩需求的电机（典型见于极端加减速）。运动控制应用常含短促快速移动。选额定持续产生此转矩的电机，本质上是为不必要的电机买单。

为有效选型电机，必须计算负载惯量（JL）。负载惯量与电机惯量（本质上是转子惯量）之比衡量电机控制负载的有效性。高惯量比表明系统难控制负载。低惯量比（如4:1或1:1）表明电机控制负载极有效，但也揭示电机可能对系统过大。

设计师常纳入实际负载、齿轮箱、电机，却将皮带、滑轮等机械件排除在计算外。直接跳到下一规格或用同机座更大转矩型号。这就是10%超配法的由来。

选型过程涉及数据收集和详细分析。需知机械系统、运行参数、设备使用环境。若早期不考虑运行环境，选定系统可能不适用。

惯量——物体抵抗加速度变化倾向——是运动控制主要挑战之一。电机需施加足够力（直线系统）或转矩（旋转系统）以受控方式改变负载加速度。

选型过程中必须考虑的主要约束可总结为：

此外，需考虑两种应用制度：

这两种制度差异可用车床说明。车床主轴驱动是连续工作制，恒速恒载运行；轴驱动是间歇工作制，因需跟随刀具路径加减速。

机器人和机床驱动器持续变速以生成所需运动轮廓。齿轮比选型及其与电机产生转矩的关系须充分考虑。若负载需恒速或恒转矩运行，可确定最优齿轮比。实践中考虑情况包括有无外部负载转矩的加速、变化负载惯量影响。

了解负载所需转速范围和齿轮比初步估算，允许估算峰值电机转速。为防因供电电压波动导致电机达不到所需转速，最大所需转速应乘1.2系数。此系数满足大多数工业应用，特殊应用（如飞机、海上石油平台受限电源）可细化。

电机峰值转速依赖供电电压，须考虑低电压时期。指导原则：驱动器通常按80%额定供电电压下仍能以峰值转速运行来选型。若系统供电易发生电压跌落或断电，须格外小心保护驱动器、控制器和负载免受损害；微处理器系统若配置不当，可能无预警锁死或复位，导致灾难性后果。

加速性能至关重要时，电机惯量须加到反映负载惯量上，确定以所需速率加速总惯量所需转矩。电机-驱动器组合需具备至少1.5至2倍此值的峰值转矩能力以确保足够转矩能力。

电机-驱动器组合峰值转矩必须以至少15%安全裕度超过估算摩擦转矩+加速转矩+加速期间任何持续转矩负载之和。若不可行，需换电机或齿轮比。

极高性能机器上，最新自整定驱动器能有效补偿机器共振和振动，支持极高速下精准性能。电磁兼容性对系统设计应用有重大影响。

电机机械要求须在选型早期识别。常被忽略项包括机械设计导致的尺寸和方向限制。

若早期识别这些，可防设备安装后性能不满意。特别是电机垂直安装时，可能需特殊垫片或轴承预载。

确定驱动要求时，摩擦转矩可能是电机选型程序最难部分。

旋转轴情况下，轴承是最广泛使用的支撑方式。类型很多，最常见是滚子和球轴承。

常规齿轮列由两个或更多齿轮组成，改变输入输出轴间角速度和转矩。齿轮箱为管理惯量提供重要工具。齿轮箱按齿轮比平方减少惯量。代价是齿轮箱也降低电机转速。多数伺服电机在2000-6000rpm运行，即使配高减速比齿轮箱也能在有用转速下工作。

常规齿轮列通常用直齿轮或斜齿轮。直齿轮优势是产生最小轴向力，减少齿轮轴承运动问题。

斜齿轮广泛用于机器人系统，因同速比下接触比高于直齿轮，代价是轴向齿轮载荷。

齿轮传动限制因素是齿刚度，可通过选择应用允许的最大直径齿轮、最小化齿隙或齿间失去运动来最大化。

梯形丝杠中丝杠与螺母直接接触，导致相对高摩擦、传动效率低。精密应用用滚珠丝杠，因低摩擦、良好动态响应。

滚珠丝杠原理同梯形丝杠，但动力通过螺母螺纹中的线性滚珠轴承传递给螺母。

用齿形带或链传动是电机与负载间有效动力传输方式，同时保持同步。

线性驱动应用中，适用于梯形/滚珠丝杠的相同程序可用于皮带传动。

电机选型很好的网络参考：
https://www.electricmotors.com/sizing.html

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