一.电机温升

电机温度是指电机各部分实际发热温度,它对电机的绝缘材料影响很大,温度过高会使绝缘老化缩短电动机寿命,甚至导致绝缘破坏.为使绝缘不致老化和破坏,对电机绕组等各部分温度作了一定的限制,这个温度限制就是电机的允许温度.电机的各部温度的高低。还与外界条件有关,温升就是电动机温度比周围环境温度高出的数值.

θ＝T2-T1

θ-------温升

T1-------实际冷却状态下的绕组温度(即环境温度);

T2-------发热状态下绕组温度

二.电机功率

1. 根据电源电压、使用条件、拖动对象选择电机.要求电源电压与电机额定电压相符.

2. 根据安装地点和工作环境选择不同型式的电机.

3. 根据容量、效率、功率因数、转数选择电机.如果容量选择过小,就会发生长期过载现象,影响电动机寿命甚至烧毁.

如果容量选择过大,电机的输出机械功率不能充分利用,功率因数也不高.因为电机的功率因数和效率是随着负载变化的.

4. 电机在恒定负载运行下,功率计算公式如下:

　　式中:

　 P-----电机的功率(KW);

　P1----生产机械功率(KW);

　 η1----生产机械本身效率;

　 η2 ----电机效率.

　　上式计算出的功率不一定与产品规格相同,所以选择电机的额定功率(P1)应等于或稍大于计算所得的功率

三、电机选型计算需要校核的参数

一.电机扭矩的计算

电机扭矩的计算涉及到2部分：

1.克服驱动机构的摩擦转矩TL

2.克服负载和电机转子惯量的启动转矩TS

电机扭矩T=（TL+TS）*S （S：安全系数）

二.惯量匹配

理论上负载折算到电机轴的惯量与电机转子惯量比 < 5（这个值不一定，看工况，下面有关这方面的介绍）

延伸篇：这里讲讲为什么要进行惯量匹配

经常玩运动控制的朋友都一定听过“惯量比”这个概念，“老法师”们通常对惯量匹配都有着各自独到的见解，比如某些运动控制的应用中惯量比要小于某个数值，20、10、5、3或者更小，也有的说要控制精度比较高的场合，就得惯量比比较小......等等。在某些厂家的产品参数手册中，对其电机产品的选型还有关于惯量比的“推荐值”。

那么，为什么会有惯量比的这个问题？它对于运动控制系统会带来什么样的影响？这就要从关于“传动刚性”的问题说起。当运动控制传动链刚性不佳时，在驱动侧(电机侧)与被驱动侧(负载侧)之间会产生“间隙”和“弹性”效应，电机输出的驱动力传输到负载上有迟滞现象，并且在两侧之间会有一定的相对位移。在系统进行动态调整的过程中，电机需要输出扭矩，驱动负载的加减速运动，但由于电机侧与负载侧所受到的作用力的不同步，造成相互之间有一定速度差，同时由于双方之间有相对位移空间，于是驱动侧与被驱动侧会产生“弹性碰撞”。

而受到这样的“弹性碰撞”的影响，驱动与负载两侧会受到大小相同而方向相反的“碰撞力”的影响并改变运动速度，同时改变双方相对运动的方向，然后在间隙空间的另一侧再次“碰撞”。周而复始，电机侧与负载侧在动态加减速运行时，不断进行着“弹性碰撞”。

这些“碰撞”会给电机的运行速度和位置带来“偏差扰动”，同时这些偏差会通过电机编码器实时反馈给运控系统，系统会“本能”地对这些由于碰撞产生的“偏差扰动”进行实时调整。之所以说是“扰动”，是因为这些偏差本身并不是真实的负载位置和速度误差，而是由于上述频繁的“碰撞”改变了电机的运行状态而产生的“额外”的误差。

前面说的“弹性碰撞”这个词，是不是好熟悉的样子？对哦，在中学物理有教过弹性碰撞的几个定律的，什么动量守恒定律、能量守恒定律啥的......不过呢，这些定量的运算和分析，咱在这就不用费那个劲烧脑了，直接说最关键的定性结论吧。在弹性碰撞过程中，如果物体质量(惯性)越大，其碰撞后的运动状态改变越小，反之质量越小，碰撞带来的运动状态改变越大。换言之，物体质量(惯性)越大，在碰撞中更容易保持接近原有运行状态。

对于运控应用而言，如果系统惯量比大，就意味着电机惯量较小，那么在非刚性的弹性传动系统的动态加减速运动过程中，由于间隙和弹性效应产生的电机侧与负载侧的“弹性碰撞”，会对惯量较小的电机的运行状态产生较大的“扰动”，这就直接增加了系统控制调整的难度，轻则影响控制精度，严重的可能造成电机的抖动甚至系统的振动和崩溃。在这种情况下，我们通常的做法，就是降低运控系统的频率响应值(增益)，而此时的系统动态响应性能自然也就随之下降了。

反过来，较小的惯量比，意味着相对较高的电机惯量，在上述的“碰撞”过程中，其运动状态受到的“扰动”也就相应的小了，这样运控系统控制调整的难度就降低了，更容易让电机和系统达到比较稳定的运行状态，自然也就能够较好的确保其控制精度。

所以，惯量比的问题本质上是由于动力源与负载之间的非刚性传动连接而带来的，它其实是关于在运动过程中“以谁为主”的问题。

如果选择使用较大的惯量比，那么意味着电机驱动力将更多的作用在自身的运动上，而受到相对较小的负载扰动，而系统运动状态更多的以电机为主。从对系统把控力度方面看，这当然是我们更希望的。

那么是不是说，在刚性传动系统中，就没有惯量比的问题了呢？

这个问题比较复杂，因为事实上并不存在绝对的刚性传动，只要驱动力和加速度足够大，任何传动连接都是“软”的。

不过，有一点是肯定的，如果系统传动刚性越大，就能够使用更大的惯量比匹配。比如我们谈到“直接驱动电机”。

延伸阅读：惯量比选多大合适？

运动控制系统，多大的惯量比合适呢?

它会影响到整个运动控制性能么？

如何可以通过整定来补偿呢？

机械连接（如联轴器等）对其有何影响？

答案没有那么简单。

我们提到惯量比与传动刚性之间的关系。

本期，我们试着通过一个简单的实验，帮助大家寻找一些线索。

本期有此实验的完整视频（视频无法上传）。

腾讯视频搜索（伺服整定和惯量比）

实验比相对简单，上图所示，用一台功率 1.5kW 的伺服电机来带动一个5 倍于电机转子惯量的钢制飞轮负载。这个系统的惯量比为 5

不过这个飞轮负载并不是直接连接在电机轴上，而是安装在一根长约 1 米、直径约 10mm 的金属棒长轴上，并通过联轴器与电机轴相连。在实验中，这根金属棒长轴就模拟了设备中的机械传动机构。

同时这个飞轮负载在长轴上的位置是可以调节的，如果将其置于长轴上离电机较远的位置时，模拟机械传动系统的柔性连接。

将飞轮负载置于离电机较近的位置时，模拟传动系统的刚性连接。

先将负载置于电机远端。我们通过一些基本的整定功能对轴进行调整。

此时我们发现，如果使用较高的系统增益（响应带宽）参数，电机会产生剧烈抖动和啸叫，系统变得极不稳定。为了获得稳定的运动性能，我们不得不将增益值降下来。

但相应的，系统的运动特性也变得很软，动态响应力度变弱，用手指就可以轻松来回转动负载。

接下来，将负载靠近电机，此时再对系统进行调整，则已经可以轻松地使用极高的系统增益值了，相应的，电机的动态响应力度变强，系统的运动特性也变得很硬，有了极高的动态特性。

在这个实验中，负载和电机的惯量比仅为 5 ：1，在使用同一套增益和频响值的情况下，仅仅是简单地调整负载离电机的远、近，就可以让系统的运动性能产生巨大的差异和变化：

• 远：不稳定的抖动或者稳定但较软的动态特性

• 近：稳定且有较硬的动态特性

看上去很难相信，这么一小段（约半米）的轴所带来的机械联接的刚性（弹性）的变化，都会影响到伺服系统的稳定性与动态性能。

对于大惯量的负载，在做完轴的自整定后，伺服环的增益值可能会很高，这是为了在大惯量负载时获得更好的动态性能。但是通常这样的增益值，是伺服系统基于系统刚性联接情况下计算出来的。如果系统刚性不那么好，那么系统将会变得不稳定，出现啸叫和抖动。

通常要将伺服系统调的稳定，需要将增益值降下来，也就是降低系统响应频率。在这里，响应频率降下来后，系统立刻变得稳定，而且不再啸叫。然而，系统的性能也变软了，而且我们发现已经可以用手转动轴了。也就是说，响应频率的下降直接导致性能的下降。

如果需要更好的性能，那么比较现实的做法，是将电机和负载之间的连接刚性提高。

因此，惯量比多大是“太大了”以及多少合适，其实并没有标准答案。惯量比只是系统“方程式”中的一部分。所有的伺服系统，都需要在这几个方面相互平衡、折中、妥协：

• 较高的惯量比

• 高动态性能的预期

• 柔性机械连接

在任何系统中，以上这三点我们是无法同时做到的。

比如要让一个惯量比达到100：1或者更高的系统运转起来，如果系统刚性不佳，此时就需要降低系统响应频率（即增益值）－在性能上妥协；或者我们仍然需要有较高的动态特性，那么就不能允许在电机和负载之间有任何间隙和柔性的联接，例如：直接驱动电机，直线电机技术，使得电机和负载直接联接在一起，传动系几乎没有间隙，达到极高的刚性，此时即便有很高的惯量比，系统性能依然可以极高。

下面这张基于经验的趋势图表，定性的诠释了惯量比与系统刚性和动态性能之间的关系，或许可以为我们在实际应用的系统设计和选型，起到一定的参考作用。

合适的惯量比主要取决于运动曲线有多么“激进”以及机械传动有多“硬”，不同的动态特性预期和传动刚性的差异，决定了特定运控系统所“适合”的惯量比。

一些速度较慢或者基本保持恒速运行的应用，如分度转台等，对惯量比要求并不苛刻，基本不要求个位数的惯量比，如果采用刚性较好的机械传动（如直接驱动电机），惯量比达到几百甚至上千有时也是可以的。

但对于那些高动态、高精度应用，比如：印刷的套准同步、三角机器人的高速抓取等，即使采用极佳的刚性传动，也不敢使用较大的惯量比（有时 10 都已经很大了）；而如果传动刚性不足，那么可能 1:1 的惯量比都大了。