电机选型与直线模组（简化版）

电动机我们平时简称电机，大部分情况下指的都是通电后，输出轴会旋转运动的设备。即将电能转换为机械能，供我们使用以驱动机构运行。电机简单的讲，其实就是一个壳子（定子），定子一般是线圈绕组。然后内部是一个转子即电机的输出轴，转子是永磁体（其实就是磁铁）或者绕组。当对定子线圈通电时，电会进一步生磁，磁就会与永磁体转子之间产生作用力，进而推动转子运转，若转子是绕组，那么也同样会在定子产生的磁场中感应出电，进而转子的感应电再生磁，最后依旧是磁与磁之间互相作用，推动电机旋转。其实就是中学时学的电磁感应，电与磁的相互转换。

当然实际的电机控制原理还是相当复杂的，且根据电机种类的不同，定子也不一定是线圈。电机学在大学中甚至是一门专业课，而我们刚入行的非标设计师，个人建议不需要过于深究各种电机的原理和区别，只需要知道不同种类电机的特点、应用场合，如何选型即可。切莫在刚开始入行的时候，过于钻牛角尖，实际工作还是以应用为主。当真正入了这行之后，有闲暇时间，若想深究其原理，再做进一步了解也不迟。不过大部分人只要不是从事电机制造行业，其实只要懂得如何应用即可，并且现在很多公司机械和电气工程师都是两个独立的岗位，对于一些偏电气方面的问题，大家大可以向同公司的电气工程师询问

在非标中我们所谓的普通电机，主要就是指这类异步电机，有的也会叫其感应电机。首先简单解释下异步的含义，异可以理解成差异，相对同步而言，同步的话就是定子一通电转子立马同时旋转，那么异步自然就是定子通电到转子转动这之间有一定的时间差，自然也就有了转速差，比如1500转的异步电机实际的转速可能只有1450转。同步对应的是同步电机，后面会介绍，那么之所以能同步，是因为其转子是永磁体。而异步是因为其转子是导体或者线圈绕组，需要先经过感应生电，再电生磁，才能最终被驱动起来。异步电机根据通入电源的类型，又分单相（220V）异步电机和三相（380V）异步电机，实际工作中可能三相最为常见，毕竟大多公司都是用的工业三相电，具体使用上根据客户现场实际情况而定。 异步电机的输出转速与其极数有关,关于极数这个概念如果要讲会涉及到相数磁极等很多偏理论化的东西，这里不做解释，且个人认为无需纠结此概念，大家只需要记住下面的这段话即可。而在此教程的初始时我也跟大家说过，这套教程以应用为主，为的是让大家在短时间内能够进入非标设计这一行，对于我们选型应用有用的概念我会解释透彻,而对于我们应用的掌握起不到决定作用且偏理论化的概念我则不会过多解释，大家学习要学会抓主次。

常见的电机极数和对应的电机转速如下2极电机同步转速为 3000 转/分。 4 极电机同步转速为 1500 转/分。（用的最多） 6极电机同步转速为1000 转/分。 8 极电机同步转速为 750转/分。 这里还有个磁极对数的概念，比如4级，那么就是2对磁极对数，磁极对数这个概念有什么用呢?可以让我们通过一个公式,直接计算得出对应磁极对数电机的转速。那么我们只要知道了购买的电机极数，立马就能自已计算出电机的输出转速。公式如下:N代表转速，f 是供电频率国内一般是 50HZ，P 则是电机磁极对数。例如：4极电机的磁极对数是2，60X50=3000，3000/2=1500转/分，所以4 极电机同步转速为 1500 转/分。

那么前面也提到一嘴，这个公式算出来的是理论输出转速也就是磁场旋转转速实际电机转速要会打点折扣，也就是转差率，根据品牌不同，会有一定差异，一般在4%左右，比如四极电机1500 转实际是 1440 转左右。大家简单理解成输出时会有损耗即可，无需深究。然后对于电机转速一般指的是每分钟的转速，字母表示为rpm 如1440rpm就表示1440转/每分钟或者1440R/MIN非标中个人认为用的最多的还是4级电机，也就是两磁极对数，对应1500 转至于电机转速其实在实物上会有电机的铭牌，上面能得出电机是几相的以及转速多少，功率多大。

说到电机转速，这里有两点说下，一是大部分情况下，非标中用到三相异步电机，主要是在一些对精度基本没要求，不需要精确定位以及仅需要持续提供动力运行的场合，比如输送线、提升机之类的。二是此类电机一般不单独使用，而会搭配减速机或者直接购买自带减速机的减速电机使用，因为单纯的使用三相异步电机，以常见的1500转输出转速来说，大部分场合下这个转速都太高了，我们往往需要降速使用，并且很多时候我们更看重电机的输出扭矩（通俗来讲就是输出的力道大小）所以往往会搭配减速机使用。减速机的作用直白讲就两点，1是降低转速，2是提高放大电机的输出扭矩，简称减速增扭。甚至大家在网上搜索三相异步电机或者单相异步电机时，会跳出很多名称叫减速电机、齿轮减速电机的，其实就是自带了减速机的异步电机。

关于减速机以及减速电机我们后面会有专门的章节介绍，这里不做过多延伸。然后关于三相异步电机，还有个概念说下。大家工作中可能会听到微型电机这么一种叫法，大部分情况下这个说的也是三相异步电机。一般叫它微型，指的是其功率一般在750W以下，比如60W、90W、120W、140W、180W、200W、250W等，一般在轻工业用的较多。关于电机功率有哪些规格大家不用刻意记忆，需要购买时直接网上查询或者查询对应厂家样册即可。

接下来讲讲关于调速电机或者说电机的调速。首先这里所谓的调速要与加减速机区分开，这里主要是对于转速的微调以满足产线生产速度的要求，比如输送线的输送速度。而减速机带来的速度的变化是固定的，减速后是多少就是多少。而若想进一步改变转速，只能对电机进行调速。 一般常见的是两种调速方法，一种是买专用的调速电机（本质是通过电压调速），另一种则是利变频器调速。大多情况下，我们调速主要是往小了调，这点之前提到减速机的时候也解释过。首先说说调速电机，此类电机一般是单相电机，功率一般不大，多用于轻工业中的小型输送线体。所以本质其实就是一个单相异步电机搭配一个调速器，而调速器调速原理通俗来讲就是改变电压值，进而改变其转速，电压越低转速约慢。注意此类调速一般有个建议调速范围，一般在最高转速的百分之六七十以上（可咨询厂家）。当然理论上可以调到更低，只是电机容易发烫且输出力道会小很多。所以当你发现你买的电机需要调速到百分之六十以下时，你应该考虑是不是电机选择的不合理。可以选择一个减速比更大的电机，这也就是我之前提到的减速机的意义。先通过减速机将电机的高转速降到一定的值，然后通过调速器微调。只有在一些特殊情况下，我们才会不搭配减速机而直接使用异步电机驱动，比如一些打磨设备、切割设备，本身就要求高转速下。其次变压调速，电压下降的同时，扭矩也会下降，注意别超载了，也就是你的负载得依旧要保证能带的动的情况下。

然后是变频器搭配三相异步电机进行调速，所谓变频器其实就是改变频率的工具嘛，利用的原理就是我们之前提到的公式 改变的是f 正常是 50HZ 那么往小调，转速自然下降。同样也有建议的变频范围，一般调速范围不低于 70%，调整过低容易导致电机发热。因为普通的电机后面的散热风扇是跟转子同轴共同转动的,转子速度降低了散热风扇也转的慢了，容易发烫。

如果调速范围需求比较大，可以直接购买专用的变频电机，此类电机与普通异步电机主要的区别是他的散热风扇是单独驱动的，不受转子转速影响，当然价格相比普通异步电机更贵。 变频器调速的特点是，在 50HZ 以下调(一般也都是往下调，减速嘛)，频率下降转速下降，电机的输出扭矩是不变的，也叫恒扭矩调速。若是 50HZ 以上的调速，此时是增速，那么频率调高转速也会增加，但是电机出力（扭矩）会减小，也叫恒功率调速。

4. 带刹车/抱闸功能的刹车电机/抱闸电机/电磁制动电机： 这种电机其实就是在普通电机的尾部还装有一个电磁抱刹，一般电机通电正常运转时其不对电机轴有任何作用，当意外停机断电时，其内部结构会在弹簧作用下复位，抱紧电机轴，不让电机被负载反拖着动。大多时候，用此类电机是出于安全考虑，比如电机带动提升，那么怕电机断电后，负载下落，可以选择带刹车电机。

关于电机的IP等级/防护等级：简单理解，就类似数码设备的防水等级。对电极来讲，一般你不注明，默认下大部分都是IP44或IP54（户外用）也就是普通的防护等级，室内使用。如果是要求防水甚至水下使用的，需要用到IP68等级。

需要注意的是，IP等级越高，虽然防护性好了，但是同时会带来一个问题，电机散热变差，且电机成本更高。所以适用即可，不用一味追求高等级防护。

非标中不常用，作为简单了解即可。首先既然叫同步，指的就是定子磁场与转子的转动是同步的，没有转差率，没有滞后。原因是因为同步电机的转子一般是永磁体，其实就是磁铁，当然也有转子通过励磁转动的，这里不多做介绍，大家只需要知道他两是同步的即可。那么就不需要经过磁生电—电生磁这么一个过程的转换。应用场合大多在发电机、汽车、重工业设备上，功率和转速能做的很大。但是相对异步电机更贵。非标中不怎么常用，外形上其实和异步电机长得差不多。4、直流电机：非标中不常用，作为简单了解即可。大家从名字也能看出，其使用的不是交流电，而是直流电。一般用在家电产品、玩具上。主要特点是体积小、转速高（可达上万转甚至更高）。5、电机品牌：城邦(晟邦)、台邦、东元电机、华力电机、佳木斯电机、玉豹电机、安川、三菱、

非标中不常用，作为简单了解即可。大家从名字也能看出，其使用的不是交流电，而是直流电。一般用在家电产品、玩具上。主要特点是体积小、转速高（可达上万转甚至更高）

5、电机品牌： 城邦(晟邦)、台邦、东元电机、华力电机、佳木斯电机、玉豹电机、安川、三菱、东方马达、三洋、松下、富士、西门子、赛威（SEW）以上电机品牌大部分都不仅仅只做普通电机，很多还做步进以及伺服电机，以及减速机。这里只是先把电机品牌做个大致介绍，我们后面讲到其余电机类型时再说。至于各个品牌的特点、价位等就不做过多介绍了，大家可以根据需要或者客户要求进一步了解。

下面开始介绍一些电机选型将会用到的一些基础性知识，这些知识或者公式是我们计算电机类选型所必须掌握的，包括后面的控制电机也会用到这些概念。

6.1受力计算相关负载重力的计算：所谓负载重力其实就是负载多重，只是在理论计算中，我们不用多少KG来形容或者计算，而是用重力来计算。简单理解成质量在分析计算受力时的另一种表示方式即可。公式是G=mg ,G就是重力单位是N/牛顿 , m就是物体的质量单位KG  ,g是重力加速度，大家不理解的就把其当成一个固定的系数即可，g=9.8N/KG有时候为了方便计算我们会直接取10N/KG那么重量越大的负载自然重力也就越大，也就是说可以理解成其质量所产生的力越大。对于以上以及接下来讲的公式，我都会用通俗的话术解释下，但若大家想详细了解公式的来源以及严谨表述的，那就得去复习初高中的物理部分的知识了。

摩擦力的计算：如果是单纯的提升起吊重物，那么需要输出的力就是负载的重力，但是若是负载放在平面上，需要匀速推动负载前进，那么此时需要的输出力就是用来克服负载与平面之间的摩擦力，也就是输出力等于负载受到的摩擦力公式是F=f=μmg  , F就是电机需要输出的推动力其等于f摩擦力，μ是摩擦系数不同的传动机构不同的接触面之间的摩擦系数都是不同的，具体我们讲案例时再说现在大家只需要知道它也是一个系数即可，系数越大，代表摩擦阻力越大mg就是重力

加速力的计算：上面我们说的是匀速推动物体下摩擦力的计算，而当你把物体从静止推动到匀速速度的这个过程中，其实除了摩擦力以外，你还需要额外输出一个克服物体自身惯性的力，我们称其加速力，即使物体加速到匀速阶段时额外需要提供的力。所谓惯性大家可以简单的理解成惰性，懒惰的惰，任何物体都想保持原有的状态而懒得被改变，比如物体原本是静止的，它不想动。而你想推着它动起来，就需要克服它的惰性也就是惯性，那么用来克服其惯性让它动起来的力即加速力公式是F=maF就是加速力，m质量a是加速度，简单理解就是加速的快慢，加速越快需要提供的加速力就越大。大家可以这么想，你要让一辆车从静止起步，若想要更短时间内达到一个速度，那么自然你需要踩得油门深度就更深，对应我们这里也就是输出的加速力更大。加速度a=v/t，v就是速度的变化量，比如从静止加速到1M/S那么速度变化量就是1M/S，t是加速时间，比如上面加速到1M/S用时0.5S那么加速时间就是0.5此时加速度 a=1/0.5= 2M/S²

匀速直线运动下功率的计算：首先功率这个概念在我们非标中主要用于电机选型时，可以简单的理解成电机的容量大小或者电机的规格大小，电机功率越大，能输出的力道就越大。大家可以想象家里的空调之类的家电，也是用功率来形容其规格大小的，严谨的讲功率是做功的快慢，对电机来说，也就是单位时间内，能输出的力道的大小，功率越大，单位时间内，能输出更大的力。那么电机带动负载做匀速直线运动（如何带动后面提）。公式是P=FV，F是电机的输出力，一般对应的就是负载平移时需要克服的摩擦力V就是速度，匀速时的速度输出力乘以速度就等于功率实际选型电机时，我们还会考虑安全系数和效率损耗，这个后面具体案例时再提。

已知条件： 输送线上负载质量M1=200KG 皮带重量M2=10KG 负载输送速度V=0.2M/S 皮带与支撑之间的摩擦系数μ=0.2 皮带输送机的滚筒直径D=90M

首先对于设计要求中的摩擦系数说明下，皮带输送线一般在皮带下方会有支撑拖着皮带。支撑一般是钣金薄板或者薄板+滚筒的搭配。题目中的μ=0.2的摩擦系数，是皮带与钣金薄板之间的摩擦系数（经验值）那么皮带与滚筒之间肯定摩擦系数会更小，比如0.1但是我们选型设计时，要遵循一个原则，就是宁大勿小，说白了就是要留有余量。故我们一律按0.2算即可。

7.3选型过程：

7.3.1首先大家要明确一点，对于输送线体这种不涉及负载位置的精确控制或者输送速度的定量控制，且不会频繁加减速或者启停。故大部分输送线我们都是用的普通电机或者普通电机+减速机的搭配，也就是说电机只需要单纯的提供一个持续的输出力即可。然后普通电机选型，主要选的是什么或者说我们计算主要要算的是什么。功率，普通电机主要就是计算出负载功率去对照电机样册选电机。那么我们的目标自然是要计算功率，功率的计算公式如下：P=KFV/η，P就是功率单位W，K是安全系数大白话就是放余量，一般在2-5之间取，属于经验值F是带动负载运动需要的输出力单位N如何计算待会说V就是负载运行速度单位M/Sη是效率也是经验值，根据整个机构所用的传动方式、零配件酌情给值，其实除以效率说白了也还是在放余量，因为传动过程中是存在效率损耗的。比如这里我们给75%机械手册上能查到各种配件以及传动机构的效率，严谨上来讲需要查的所有效率再依次相乘，但是实际工作中我们不会如此做，一个是没必要，第二是耗时费力，一般都是直接给经验值。具体不同的机构的经验值效率我们后面讲到时会再提到。

7.3.2电机输出力F的计算计算F就得首先明确，电机带动滚筒滚筒再带动皮带，皮带再带动负载跟随其一起运动，这么一个过程。这个过程中，电机输出的力主要是用来克服摩擦力做功。因为负载与皮带是一起运动的，所以皮带带着负载运动时的阻力主要来自于皮带与其下方的支撑之间的摩擦力。实际中除了摩擦力以外还会有一个加速力，用来克服物体惯性的，即负载刚放上皮带后在皮带带动下加速到与皮带同一速度，但这个过程也就是加速力我们不考虑，因为输送线一般不会频繁加减速或者频繁启停，并且我们计算时会放安全系数。那么我们只要计算出这个摩擦力即可，这个摩擦力也就是电机需要的输出力F

摩擦力f=μmg=0.2X210X10=420N摩擦力计算完了，但是要注意，皮带线皮带一般都是拉的紧紧的，也就是属于张紧过程，那么严格来讲，我们还需要计算一个张紧力，这个力也是电机需要克服的，即因皮带张紧而导致传动系统所增加的额外负载。当然这个张紧力不好计算，一般我们实际工作中，会直接取摩擦力的1/3作为张紧力（经验值）。所以总的电机输出力F=μmg+1/3μmg=560N

7.3.3计算电机需要的输出功率 P=KFV/η=3X560X0.2/0.75=448W，根据计算数据，我们可以选取550W或者750W的电机根据要选择的厂家品牌进行就近规格选取，但注意可大不可小功率计算完后，其实选型就已经完成一半了，之所以说一半，是因为此时电机规格虽然能选出来了，但是我们还得计算下负载速度所对应的电机转速，来得知是否需要加减速机。一般我们最常用的就是4极电机，也就是1500转的，那么我们要知道实际需要的转速是多少，才能知道是否需要加减速机减速或者使用调速电机。

7.3．4计算实际转速N=V/πD，N是转速，即我们要求的V是线速度也就是负载速度π是常数，3.14D是滚筒直径简单解释下上面的公式，首先电机带动滚筒旋转，那么滚筒的转速即电机的转速（假设不加减速机且没有减速装置）。那么我们只需要计算滚筒转速即可，滚筒转速是和皮带的速度有关系的。因为皮带绕在滚筒上，那么滚筒转动一整圈，带动皮带往前走的距离就是滚筒的周长πD。而我们已知需要的皮带运行速度是0.2M/S。那么滚筒需要在一秒内转动多少圈，才能实现让皮带往前运动0.2M,就是通过V/πD来计算。

V/πd=0.2/(3.14X0.09)=0.7077 转这是电机一秒钟内的转速而我们平时说的电机转速都是每分钟多少转，所以乘以60，就是42.5RPM而常用的三相电机转速是1500转的，很明显需要加减速机或者直接购买自带减速机的电机即减速电机。这里转速相差太大，不适合用变频调速。

那么减速比i=1500/42.5=35.3 根据购买的厂家品牌，去选择接近的速比，注意速比没有正好35的，那么就选小于35的而不要往大选，因为0.2M/S的速度若是客户定的，我们是宁大勿小，否则影响生产效率反而可能会不被客户接受。

有一点补充下，上方计算滚筒转速时我们是假设不存在减速装置的情况下，若因为安装位置等原因电机轴没有直接连接滚筒而是通过比如链轮传递动力并且两个链轮直径不一样（实际设计中往往是做成一样大的），那么就得把大小轮之间的减速比也考虑进去，当然我们这里不展开讲，等我们后面讲链传动的时候再提链传动的减速比计算。至此普通电机的选型计算就完事了，

整个选型计算中，有两个点是最重要的，第一点就是普通电机选型的核心就是选功率和转速，第二点是一个贯穿所有选型计算的总原则，宁大勿小。说的直白点，你不确定的情况下，宁愿选大也千万别选小。选大了未必老板能看出来，但是选小了带不动被客户退货或投诉，那老板就要找你喝茶了，所以大家选型的时候一定不要“小气”，当然也不要大的太夸张，这就是我们要学习选型计算的原因。然后关于普通电机的应用以及选型，我们还会讲其在板链、倍速链以及链条输送机上的选型，不过为了让大家更好的理解，这些案例我们放到对应的章节中再讲。最后关于电机的选型，或者某些参数的快速确定，比如有哪些规格、哪些减速比之类的数据获取，除了样册和购物平台以外，也可以通过米思米怡合达之类的工业采购平台获得

从这一章开始，我们就要接触控制电机了，包括后面要讲的伺服电机、直驱电机。控制电机区别于我们前面学习的普通电机来说，最大的区别就在于用于有精确定位或者精确转速控制甚至精确扭矩控制的场合，故而叫其控制电机。而普通电机一般只用于单纯的持续的输出动力，并无太高精度可言。

说的更通俗点，什么时候你要考虑步进电机甚至伺服电机，就是当你对电机的定位精度、转速、输出力矩有精确要求，或者要求高响应性（即快速的启动或停止），或者需要频繁的加减速、启停时，以上这些情况，就需要用到控制电机了。

步进电机既然称为控制电机，那必须得有一个设备对其进行控制，而不能单纯的接根线通电让其自行旋转，那就没有控制一说了。对步进电机进行控制，进行发号施令的叫步进驱动器。

驱动器的作用，就是通过发送命令，让电机严格执行其指令运行。他的命令是以脉冲信号来传递的，大家不需要细究所谓的脉冲信号，只要简单理解成就是一种电信号。电机接受来自驱动器的脉冲信号后，会根据信号的多少以及信号的频率进行对应的转角位移（就是转对应的度数或者说圈数）并且是以某个精确的转速进行转位的。对上面这段话，再补充讲解下。驱动器的脉冲信号，我们分两方面看。第一个方面驱动器发的信号的多与少，就决定了电机转动的角度（这里我们不说转动圈数，而说转动了几度，来凸出控制电机的精确控制）。发的脉冲信号越多，电机就转过的角度就越多，即通过控制脉冲个数进行精确定位。第二个方面，驱动器发送脉冲信号的频率就决定了电机的转动快慢，也就是通过控制脉冲频率达到精确调速。所谓频率，通俗的讲就是发送信号的频繁程度，比如一秒内发了10个和一秒内发100个，这两种肯定100个的情况下电机转的更快。

控制电机应用的机构中，除了有驱动器，还得有PLC或者程序控制卡（大型设备上用），PLC大家可以简单理解成对驱动器进行发号施令的，也就是驱动器控制电机运转（作用提现在驱动控制上），而具体电机如何运转是由PLC将具体指令要求发给驱动器的。PLC就相当于一个司令官，一个总指挥。那么这里再说一个概念：上位机。说白了就是计算机、电脑。PLC为何能称为总指挥，他的运算逻辑从何而来，就来自于他的上级---电脑。我们将程序（就是设备如何一步步运行的代码）通过计算机输入给PLC（相当于用计算机编程），然后PLC进行总指挥

之所以叫步进电机，是因为其转动是以一个很小的角度一步步转的。即每接受一个脉冲，转动一个固定角度（步距角）。那么这个固定角度是多少，取决于步进电机的相数。步进电机常用的有2相、3相、5相，具体原理还是那句话，大家不用太纠结，这里面涉及到电机以及电磁方面的各类知识，这里不过多介绍。我们需要知道的就是2相对应的步距角是1.8度，3相对应1.5度，5相对应0.72度。当然不同厂家可能稍有不同，并且还要4相的，不过用的不多，这里不进行列举。拿上面的1.8度来说，也就是这个2相步进电机，其最小的转动幅度就是1.8度。不考虑细分的情况下，细分的概念待会提。这个最小转动角度大家就可以简单理解成这个电机的最高转动精度就是1.8度即发一个脉冲走过的角度。3相5相同理。那么具体使用几相的步进电机，这就得看你实际使用的场合所需要的精度而言。需要计算出你当前机构的最小定位精度然后去看几相的步进电机符合你的要求。这个我们后面讲具体案例的时候会教大家。

步进电机一般使用转速在600转以内，这一点大家一定要明确。而之所以限制在这个转速内，主要是因为其输出扭矩是随着转速的升高而下降的，当转速超过600转以后，输出扭矩会急剧下降，那么可能原先能带动的负载现在就带不动了。我们后面选型时也会提到，选步进电机除了考虑扭矩还得考虑你的使用转速下的扭矩是否达到你的要求

上图就是所谓的矩频曲线图，矩就是扭矩，频指的是频率也就是代表着转速。由于步进电机的矩频特性，其运行时没有稳定的输出功率，所以步进电机样册上是没有功率这一个参数的。我们平时工作中描述步进电机规格，是以其机座号（法兰尺寸）描述的。

比如57的步进电机，指的就是他的法兰尺寸是57X57,其实就是他的外框尺寸当然机座号越大，自然输出力矩就更大非标设计中，最常用的步进电机规格42、57、86、110，当然还有其余规格，这里不一一列举。大家只需要记住，步进电机选型没有功率一说，我们计算的就是扭矩，去匹配电机。然后步进电机这样子的输出特性，也就决定了其运用的转速范围不高。一般推荐在600甚至有些公司是500转以内使用。如果转速更高，并且依旧对精度有高要求，那么考虑伺服电机。后面会单独有章节介绍。

步进电机的优势在于便宜，便宜的小规格的几十块钱的都有，当然也看品牌。其次步进电机还有一个运行特性，叫低频震动。低频可理解成低转速，也就是在某个较低的转速区间内，步进电机运行会产生很大的抖动噪声，这是其结构导致的。大家购买某个品牌的步进电机时，可咨询品牌方。不同品牌的低频震动转速区间稍有不同。比如有些品牌在30RPM—120RPM之间会有低频震动，那么你使用时应避免长时间在该转速下运行。当然一些比较好的品牌，可以做到在个位数转速下，依旧能以较为正常的状态运行，不过价格自然也就贵了很多。

5．1：通过驱动器进行细分来改善低频震动。所谓细分其实就是通过设置驱动器的相关参数，可以对步进电机的步距角进行细分。比如2相的步进电机，通过半步细分（也叫两倍细分、半步驱动）使得步距角从1.8度变成0.9度，实现半步驱动，即一个脉冲只走0.9度。

之所以细分可以改善低品质震动，如果简单通俗的讲，可以这么理解。你下楼梯，本来你是一跨2层台阶一下，现在改成1层一下，那么自然后者下楼更平稳，冲击更小。如果深入的解释下，那就是步进电机之所以在低转下容易震动，本质是因为低转就对应于较低的脉冲频率。转速低意味着单位时间内转动角度小也就意味着单位时间内发送的脉冲少。那么当进行半步驱动时，假设以2相电机100转每分为例，原先不细分则需要在一分钟内发送20000个脉冲（100X360/1.8=20000），而如果细分后，则一个脉冲只走0.9度，此时就需要40000个脉冲，脉冲多了，自然运行更平稳。

关于细分额外再说一点，原理上来说，步进电机可以进行高达256倍细分，但是细分越多，给系统造成的计算负担越大，我们用细分大部分时候就是为了提升运行平稳性而已，所以实际中一般最多4倍细分，并且高于4倍的细分后对电机的精度并没有实质性的提高。

5．2：加减速机避开低频震动区。 电机连接减速机，减速机再进行输出驱动负载，这个过程中，减速机降低了输出转速，提高了输出扭矩。那么比如原先不加减速机要求100转运行，现在加一个5比的减速机，则电机可以在500转下运行，而输出转速却依旧是100转，并且避开了低频震动区间。减速机后面有专门的章节介绍

5．3：换伺服电机。 当我们既需要高精度控制又需要在低速下平稳运行，那么最好的解决方案就是直接上伺服电机。当然价格自然贵的多，关于伺服电机我们后面有专门的章节讲，现在大家只需知道一点，伺服电机是可以在额定转速内的任意转速下平稳运行的，并且在额定转速下，伺服电机的输出扭矩是恒定的

接下来开始讲手动计算选型，讲完手动计算我们再讲如何用软件选型

已知条件： 负载速度：0.2M/S 负载总质量：15KG（丝杠螺母上的所有负载质量，可以通过软件计算） 丝杠长度0.6M 丝杠直径20MM 丝杠导程（丝杠转一圈，上面的负载移动20mm）：20MM 移动距离0.52M 摩擦系数0.1 机械效率0.9（主要来自导轨、轴承、丝杠） 定位时间2.6S 加减速时间各为0.2S 分辨率（精度）（即丝杠可以走的最小距离）：0.05mm/step

6.1计算步距角，确定电机相数

通过客户给定的分辨率可以计算出步距角，分辨率也叫脉冲当量，就是电机发送一个脉冲，带动负载前进的最小距离/最小移动量，也就是精度。

步距角=（360°·分辨率）/单位移动量 =（360°·0.05）/20=0.9°  故选择2相步进电机通过2倍细分可以达到此步距角。

6.2计算所需转速： 转速和负载速度有关，因为负载平移是通过电机带动丝杠旋转，进一步带动丝杠螺母平移的。丝杠导程20MM就代表丝杠每转一圈平台就往前移动20MM故： N(丝杠转速)=V(负载速度) / Pb(导程)=0.2m/0.02m=10RPS（转每秒）X60 = 600RPM（转每分）（电机转速一般都是转每分）

因为是通过联轴器连接，所以丝杠转速就等于电机转速

关于转速的补充知识：接下来我们来看同步带以及齿轮齿条带动平台移动时的转速计算，一般非标中最常见的三种平移机构，就是丝杠、同步带、齿轮齿条。

同步带和齿轮齿条驱动平台平移的计算方法是一样的，都是通过轮子的转动（齿轮或带轮），带动平台移动。拿同步带传动说，带轮上某个点转过的位移，其实就是带往前走的距离，因为他两是同步的。齿轮齿条也是同理，齿条固定的情况下，齿轮兼转动以及移动，齿啮合的同时，齿轮也在往前移动中。 故：N(齿轮或带轮转速)=V(负载移动速度)/2πR(齿轮或者带轮周长)，R就是齿轮或者带轮的半径大小(严格来讲是分度圆，这个概念在后面章节再说)。因为对于轮子转一圈走过的距离其实就是他的周长2πR，那么用线速度除以周长，就是求轮子需要在一秒内走多少圈才能达到0.2M.

6.3计算匀速运行时的扭矩： 前面说过，普通电机选功率，而控制电机一般是选扭矩。那就得计算带动负载运行所需扭矩大小。对于扭矩，我们之前学过力矩，就是力乘以力臂，力矩用在旋转轴上就是扭矩，扭矩的符号用T表示，数值单位用NM(牛米) 之前普通电机计算匀速时的推动力F是等于摩擦力的，那现在计算匀速时的扭矩，只需要用推动力乘以转动半径即可，即T=FR，T就是扭矩，F就是驱动力，R是以旋转形式输出扭矩的终端零件的旋转半径，如同步带轮、齿轮，我们先讲以同步带轮或者齿轮驱动时的匀速力矩计算公式： T=(μmg+F）*R， R：带/齿轮半径， μmg：摩擦力， F是除摩擦力外的力（依据实际情况看要还是不要），比如竖直提升时还额外受到重力， 上面的公式本质就是T=FR，然后来单独讲本案例中丝杠驱动机构的匀速扭矩计算，因为丝杠有点特殊，T=FR中的R并不是丝杠本体的半径。丝杠是通过自身的旋转，然后带动螺母座往前移动的。而不像带齿轮这样，旋转运动时直接驱动负载的。丝杠本体转动一圈，平台移动一个导程，那可以认为这个导程就是其相对周长，类比与带齿轮。那么根据周长=2πR公式可以推导出丝杠驱动半径R的计算公式：R=Pb/2π半径有了，就可以计算匀速扭矩了， 公式：T=（μmg）*(Pb/2π)=0.1X15X10X(0.02/(2X3.14))=0.048NM(牛米)

6.4计算加速扭矩： 之前说过惯性的概念，也就是物体从静止到被带动起来运动，这其中是需要克服其惰性的，那么体现在在电机上，就是从静止加速直到匀速过程中，电机除了克服摩擦力以外，还需要额外输出力来克服物体的惯性。体现到扭矩上，就是我们要计算的加速扭矩。然后在介绍如何计算加速扭矩前，首先说明一点，实际工作中很多工程师其实算到6.2这步得到0.048NM就直接去选型电机了。一般会直接将匀速扭矩乘以一个安全系数，比如3-5倍，然后除以机械效率，直接去匹配样册了。这样做也是可以的，毕竟加速过程只是持续很短时间，且我们也放了安全系数。但是以上属于偷懒算法，严谨来讲，我们还是要说下加速扭矩如何计算的。加速扭矩就是加速时克服惯性而额外输出的扭矩， 其公式如下：T=JXβ关于式子中的字母代号， 先简单介绍下：T就是加速扭矩J是负载的总惯量，可以理解成负载惰性的大小，其专业叫法叫惯量，代号这里用J表示，β是角加速度，通俗讲就是加速过程的快慢下面来详细解释以及分别计算式子中的J和β

6.4.1先来看β角加速度 在说角加速度前，先说加速度，所谓加速度就是直线加速过程的快慢，比如从静止加速到1M/S如果分别用时0.5S和1S那么显然0.5S的加速过程更快也就是加速度更大，所以加速度就是用来形容加速快慢的，即速度变化的快慢。加速度的代号是a，计算公式如下：

a=V/tV就是速度的变化量，如从0加速到1M/S那么速度变化量就是末速度减初速度，1-0=1M/St就是加速过程所用时间，单位秒比如从0加速到1M/S用时0.5S那么加速度就是a=1/0.5=2M/S2直线运动的加速度理解了， 那么角加速度就是旋转运动的加速度，代号β计算公式如下：β=ω/t，ω是角速度，可以参照着线速度来理解，线速度是形容直线运动的速度的，那角速度无非就是描述转动速度的快慢的。单位是rad/s，即每秒钟转多少弧度，对于弧度，不理解的朋友只需要记住以下内容，它就是描述角度的另一种方式而已，比如描述身高你可以说1.8米,也同样可以说180CM。描述角度我们最常用的是度，比如一整圈是360度，那么若用弧度来描述，360度就对应2π这里的π在数值上就是3.14所以360度也可以说是2π弧度，或者6.28个弧度那么180度就对应一个π弧度90度就对应0.5π弧度计算分析中，描述角速度，我们一般都是用的弧度制。

现在回到案例来，我们要计算本案例中的角加速度，就得先知道匀速后的角速度。题目中给我们的条件是0.2M/S从这个线速度我们已经求得了电机转速是600RPM，那么这个转速其实也是旋转速度的另一种表示形式，我们现在要做的就是将转速转为角速度来表示。600转每分钟，那么每秒钟就是10转，而一转是2π弧度，所以10转就是10X2π个弧度，故角速度就是20π弧度每秒，即62.8rad/s（要记住角速度的单位是rad/s是每秒）， 所以已知转速求角速度的公式就是：(下面式子中的N得是每秒转速) ω=2πN， 角速度出来了，就可以算角加速度了，题目中告知了加速时间是0.2S所以β=ω/t=62.8/0.2=314rad/s² 关于加速时间再提一点，一般普通电机加速时间我们取0.5-2S 步进电机0.2-0.3S，伺服电机0.1-0.15S以上是经验值，也可根据实际调试而来。

6.4.2接下来看J负载总惯量如何计算： 负载惯量的计算分两部分，转动件的转动惯量，和平移部分的直线运动惯量。也就是说不管旋转部件还是直线运动部件，都有惰性，都需要计算惯量，但是由于公式不同，所以我们需要分开计算。

先来计算转动惯量，这个案例中转动件主要是丝杠和联轴器，他两是被电机带着克服惯性转动的。先说理论计算，这两都可以看成是圆柱形件，对于此类形状的件，计算惯量公式如下：J=(m*R²)/2 J就是转动惯量，单位kg·m² m是转动件质量，比如丝杠、带轮、齿轮、联轴器的质量单位KG R就是丝杠、带轮、齿轮、联轴器的半径，注意这里就是丝杠本体的半径 来计算丝杠的转动惯量，丝杠的质量题目没告知，但是告诉了丝杠长度和丝杠直径，根据m=ρv（质量等于密度乘以体积）（圆柱体体积=πR²xh ）可以手动算出丝杠质量，当成一整根实心圆柱算，忽略形状变化，密度就是铁的密度大约7900KG/M³J=(m*R²)/2=0.0000744kg·m²   联轴器的计算和丝杠一样的公式，不过由于它的惯量实在小的可怜，实际中我们一般会忽略不算。

然后来说如何通过软件计算转动惯量，这里介绍两种软件。首先是用SW中的质量属性直接求得物体转动惯量，点击评估，点击质量属性，选择绕哪根轴旋转（x轴），下面就会有惯量出来了。 我们这里的轴只是举例用的，不是上面丝杠的大小。

注意：惯量的单位不同样册或者文章中可能表述都不一样，大家只要会换算即可。 常见的有  kg·m²          g· mm²           kg·cm²  

换算：10kg·m²  = 10 x 10⁹  g· mm²  = 10 x 10⁴​​​​​​​   kg·cm²  

第二种方法是利用第一节课中提到的东方马达软件也可以计算，此种方式就不需要你画三维模型。发现与我们前面计算的值完全吻合。

除了软件计算之外，类似丝杠、联轴器这样的外购件，它们的转动惯量一般在厂家的选型样册上也是直接给出了的，可以直接查询获取。比如丝杠型号确定后样册上一般都会写上丝杠每单位长度的惯量值

然后来计算平移部分的直线运动惯量也就是负载惯量： 在放出公式前，首先说下公式得来原理。我们先拿同步带平移机构来讲更好理解。把整坨负载想象成一个质点，并且这个质点正好位于带轮边缘上某处，带轮的旋转，带动此点往前移动。那么这个质点的转动惯量其实就是带轮边缘上此点的转动惯量。惯量公式就是J=m*R²。 这里有两点需要注意，我们算的不是整个轮子的转动惯量，而是轮子上一点的转动惯量，此种情况下不用除以二，对于这点建议大家直接死记硬背即可。第二点，公式中的m是负载质量，R自然就是带轮半径。以上原理明白后，那么这个案例中是丝杠传动，丝杠传动的驱动半径是用导程除以2π，这点之前讲匀速扭矩时解释过了，不明白的同学往回看下。

所以负载惯量：J=m*(Pb/2π)2=15（0.02/2·3.14）2=1.5·10-4kg·m² 所以总惯量就等于：J总=J丝杠+J负载=0.0000744kg·m2+1.5·10-4kg·m²=0.744·10^-4+1.5·10^-4=2.244·10-4kg·m² 所以加速力矩就等于：T=J总Xβ=2.244·10-4X314=0.07NM 故电机需要的理论扭矩即总扭矩：理论力矩T=T加+T匀=0.07+0.048=0.118NM 接着对计算值，进行放余量并考虑效率得出电机所需力矩：T电=K*T理论/效率=3*0.118/0.9=0.393NM 步进电机选型的安全系数推荐：300转以下取2，300以上取3

然后查看样册，选型合适的电机型号，一般可按如下步骤来选：1根据快速选型表（大部分品牌样册都有），快速拟定一个机座号这里以雷赛步进电机样册为例，我们查看其快速选型表，可以发现要输出0.393NM也就是0.4NM至少得选到42机座号。所以初定42，那么具体的型号还得往下看2查看对应型号的矩频特性图，在你要求转速下，对应的转矩必须大于理论力矩第一步中已经初定了42机座号，所以翻到对应页面下，查看具体型号（同样的机座号，也有不同的机身长度，不同的工作电流，这些都会影响电机输出能力）

通过上图发现，机身长度至少40，那40下面还有两种型号，区别在于额定电流不同，一般的电流和电压越大，电机的中速运转性能越好，具体区别看矩频表观察上表发现，同样机座同样机身长度下，小电流在500转以后，力矩衰减的略微更快些。

然后我们发现，40机身长度下，不管哪个型号，在600转时都不满足0.4NM的要求，42CM04比较勉强，保险起见，还是加大一号，毕竟价格差不了太多。所以我们选择步进电机型号：42CM06-1A对应驱动器型号DM422S(V2.0)

至此步进电机选型计算就讲完了，里面涉及的公式、理论非常多，大家一定要花时间沉下心把这些理论部分吃透。吃透了以上这些内容，再来学习接下来的伺服电机选型，就非常简单了，因为伺服电机选型也是这些计算公式

大家看样册，会发现步进电机有一类别叫闭环步进电机，也有叫混合伺服电机或者混合步进的，反正都是指的它。跟普通步进比，有两个最大的区别，1就是有反馈，关于这个反馈我们会再接下来的伺服电机中还会讲到。现在大家只需要知道，所谓闭环，就是比如要求电机带动负载往前走1MM，实际走了0.9，那么开环就是走的结果不会反馈给电机，电机是不知道的，自然也无法修正。而闭环，就是走的结果会反馈给PLC，然后PLC根据误差计算还需要发送几个脉冲，给驱动器进一步驱动电机补偿误差。 而电机之所以能够反馈结果，就是因为它带了一个编码器，具体的我们放到伺服中再讲。第二个不同点在于，闭环步进的电机结构其实与普通步进还是有点不一样的，大家只需要知道，一般闭环步进电机的使用转速可达1500转，而非普通步进的600转内，也就是其高速性能更优异，并且低速时的震动也比较小，自然价格也会更贵。2步进电机品牌推荐：国内品牌：雷赛，鸣志，研控国外品牌：信浓，东方马达，山社，百格拉，汉德保3步进电机的选型案例中，我们没有涉及到减速机，涉及减速机时的控制电机选型我们放到伺服电机这节来讲

首先伺服电机的应用场合就是：能用步进电机的场合也可以用伺服电机，但是用伺服电机的场合未必能用步进电机代替。主要原因有以下几点： 1、伺服电机在额定转速下扭矩是恒定的 下图是汇川750W伺服电机的转矩-转速特性图

2、伺服电机相比步进电机的运行转速更高，一般都在3000转甚至更高

3、伺服电机是闭环控制，有反馈，而步进电机一般是开环。

比如电机带动丝杠，往前走一个脉冲，那实际可能走了0.99个脉冲距离。此时若用的步进，那么电机是不知道的，因为它没有反馈。而伺服是知道的，其带有反馈装置--编码器，会把误差告诉PLC，PLC再通过计算，补发指令给驱动器补偿驱动误差。

4、伺服电机一般拥有3倍过载能力

所谓过载其实就是当负载突然增大超过额定输出时，在短时间内伺服电机依然能正常工作简单来说，步进电机控制的是转速和位置，而伺服电机还额外多了一项--对转矩的控制，

伺服电机有三高：高精度、高转速、高响应     用途和步进类似，但更广，用于高速高精度、频繁加减速的移栽、定位、工艺机构，驱动原理也是同样靠接收脉冲。

编码器原理说的简单点就是通过码盘上的条纹透光和不透光交替，将信号的有无（光的通断）转为电信号即反馈脉冲，并且上面还有能表示转动能方向的条纹。正是由于编码器，系统能准确的掌握电机的位置、转动量和转动方向。故伺服电机精度取决于其编码器更具体的说取决于编码器的位数，而编码器又增量式编码器和绝对式编码器。

对于我们非标设计人员来说只需要知道，增量式编码器在断电或者设备重新开机后他是不知道自己当前位置的，故需要回零位，才能重新运行。绝对式编码器则不需要回零位，但是价格较贵，大部分伺服电机配置的是增量式的。对于编码器还有个代表精度的参数--位数。比如17位编码器，就是代表转动一圈需要2的17次方个脉冲，13万多个脉冲转一圈。所以选型伺服电机，我们分辨率往往是不计算的，因为就算是比较低的位数精度也很高，比如13位。

伺服电机主要有三类：直流伺服电机、交流永磁同步电机和交流感应异步电机。非标中最常用的是交流永磁同步伺服电机，也就是定子是线圈，转子是永磁体，转速最常见的是3000转，也有2000或者1500转的。 而交流异步伺服主要用在超高转速下，其工作转速可高达上万转，一般中小型伺服很少用异步的，因为低速性能和电机效率没有同步好。说的通俗点，用异步伺服的基本都是大家伙，功率几十到上百千瓦，有些甚至电机是带水冷的，大家仅做了解即可而直流伺服电机主要用于一些小型加工设备、AGV小车等设备上

伺服电机有三种控制方式，也叫三环控制：（具体设置由电气工程师操作，我们仅做了解） 4.1电流环/转矩控制​​​​​​​：用于对输出力矩需要精确控制，而对电机的转速、位置没有特别要求的场合。比如对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，又比如打螺丝、拧瓶盖这些对输出力矩有要求的设备中。此种控制模式下，整个控制系统的计算量最小。 ​​​​​​​4.2速度环/转速控制：顾名思义，就是对电机输出转速有控制要求的场合，不过此种控制方式用的比较少。有这方面需求一般会直接用下面的第三种控制方式---位置控制。 4.3位置环/位置控制：常规设备中最常用的模式，用于定位装置，可以同时对转速和位置控制，所以上面说单独的速度环很少用。不过位置模式下，其实电流环也是同时在工作的，因为电流环是最内部的一环，所以此时也就是大家常听说的伺服电机的三环控制

普通的步进电机对应的就是开环控制，而带编码器的伺服电机或者混合步进就属于半闭环控制。而全闭环其实就是在半闭环的基础上，对移动部件单独用一把尺子（光栅尺）进行测量，实时反馈数据。因为编码器只是让系统知道电机是否真的走了要求的角度，但这只是确保了电机处不出错。无法保证移动平台那也不出错，万一移动平台因为过载或者碰到阻碍亦或是其余原因，本来要走100MM的实际只走了99.9，系统是不知道的。因为编码器只对电机的转动负责，无法照顾到负载端。那对于直线移动的负载端，我们同样需要一个装置来检测他有没有走到位，一般用的是光栅尺，可以简单的理解成把编码器展开铺平。齿上有刻度，负载移动了多少，有没有少走多走，都会被记录下来，反馈给PLC。

伺服电机代表厂商：汇川，台达，松下，三菱，安川，西门子等

伺服电机选型时，一般要看下惯量比，惯量比等于负载惯量/电机转子惯量（样册上有） 一般电机规格越大，输出能力越大，转子越粗壮，自然转子惯量越大。而负载惯量自然与负载质量有关，步进篇中讲过计算方式。

之所以要匹配惯量比，即控制在某个值下。因为惯量比如果太大，那么相当于小马拉大车，会造成电机运行不稳定、响应缓慢、发热、容易过载、噪声共振、定位精度不足等各种不良情况，或者可以这么理解，负载的惯量越小，那么自然整个系统的控制更加容易更加可控。 有减速机构的时候，惯量比=（负载惯量/i²）/转子惯量，所以加减速机是能降低惯量比的，也就是能增大整个系统的刚性。(i²表示减速机减速比的平方)

1、高精度、高响应、加速时间在0.1S内，惯量比在5-10内如高速贴片机、点胶机、加工设备、雕刻机等。（对于这些设备大家不了解没关系，只需要知道用于三高要求的场合下即可）

2、一般精度和响应性，响应速度在1S内，惯量比在20内

3、单纯的点到点输送或者加速时间1-5S，此时惯量比可在30甚至超过30使用如移栽手、输送设备等

4、步进电机一般可不算惯量比，因为若针对响应性、高精度有很高要求下，此时一般建议还是上伺服电机更为稳妥

8.1 已知条件： 转盘直径D=500MM 转盘质量7.9KG 转盘厚度H=15MM 载具数量：16 总质量：2.14KG 载具中心到转盘中心距离：220MM 联轴器惯量：0.1·10-4kg·m² 加速时间t1：0.1S 减速时间t2：0.1S 匀速时间t3：0.3S 安全系数K:2关于安全系数K总结（经验值）：步进电机300RPM以下使用K取2，300RPM以上可取3-4伺服电机K取1.5-2  

8.2 转速计算： 转一圈360度，总共16工位，所以工位间角度就是22.5°整个运行过程是经历了加速匀速减速的，而我们要求的转速自然是稳定后的运行转速即匀速转速

要求转速，其实本质就是求角速度，而角速度未知，我们就直接用ω代入公式计算从题知，22.5度这个转位角度是经过0.1S加速0.3S匀速再加0.1S减速得来的那么把这三个过程的运行距离分别列出来，相加得22.5度就能求出角速度（用面积求法，速度乘时间等于路程，也就等于图形面积） ω*t1/2+ω*t2/2+ω*t3=22.5°求得ω=56.25°/S换算成弧度制0.98rad/s ​​​​​​​以上面积求法不理解的，也可以通过初末速度求平均速度再乘以时间也能求得ω

8.3匀速力矩计算： 此模型是转盘在电机带动下转动，由于匀速时摩擦的主要来源就是轴承，而轴承的摩擦我们一般不计算，我们将其对运动的阻碍考虑在效率中，所以此案例不用计算匀速力矩

8.4加速力矩计算： 还是同样，分别计算惯量和角加速度，相乘就是加速力矩

8.4.1惯量计算： 惯量主要来源是转轴、转盘、以及转盘上的工件，当然联轴器也存在惯量 转盘惯量可以通过软件直接读出

也可手算，公式如下：（实心回转体一般都需要除以2）J=mr²/2=7.9*0.25*0.25/2=0.2468kg·m²=2468·10^-4kg·m² 转盘上负载的转动惯量：负载是沿着转盘周向布置一圈的，可以想象成一个环故公式不用除以2

J=mr²=2.14*0.22*0.22=1035·10^-4kg·m² 公式中的R是载具中心到转盘中心的距离m是16个载具总质量

转轴惯量：转轴质量4KG，惯量软件查得27.6·10^-4kg·m²

联轴器惯量已知，故总惯量J总=3,530·10^-4kg·m²

8.4.2角加速度计算：β=ω/t=0.98/0.1=9.8rad/s²（0.1为加速时间）

8.4.3加速力矩计算：

T加=J总*β=3,530·10^-4X9.8=3.46NM

8.5电机力矩计算：

T电=T加*K=3.46*2=6.9NM

6.9NM的伺服电机扭矩很大了，所以这里需要加减速机，来减小电机的规格，否则电机得选个很大的，并且很贵。拿6.9NM来讲，汇川的伺服电机要选到2.5KW太大了，非标中使用最多的伺服电机功率基本在200、400、750W

并且从惯量比上考虑，也要加减速机。此案例为回转盘对响应性要求不高，定位精度也不算高精度，单纯用于定位，惯量比可以在30附近。计算下不加减速机时需要电机转子惯量多少时，能控制在30附近

J电机=J总/30计算出电机转子惯量至少需要117.60·10^-4kg·m²，而上面提到的2.5KW伺服电机的转子惯量也才3.65·10^-4kg·m²，明显差的太多所以不管从电机价位上考虑，还是从惯量比上考虑，加减速机都是很有必要的

8.6匹配减速机： 一般控制电机匹配的减速机为行星齿轮减速机（具体的后面有减速机章节），我们初选一个减速比，比如10，然后来计算下，加了减速机后电机需要的扭矩以及惯量

减速机有减速增扭的作用，速比10，即电机通过减速机后，输出转速会变成十分之一，但是扭矩会增大十倍。那么原先我们需要电机输出6.9NM现在由于减速机的放大，电机只需要输出0.69NM即可，行星减速机还可以有效减小惯量，从而减小传动机构对伺服电机的冲击，提高设备稳定性和响应性。 故加了减速机后需要的转子惯量：J电机=J总/i²/30=1.17·10^-4kg·m²   (i²表示减速机减速比的平方) 至此可以来选伺服电机了

其实单看扭矩的话，400W的伺服电机就够用了，甚至200W也能输出0.64NM。但是出于惯量匹配考虑此处还是选了750W的非抱闸电机，当然实际中也不排除惯量比超过30甚至50依旧也在用的。

9.1已知条件： 同步带质量M00.5kg 同步轮直径D0.05m 同步轮质量M20.5kg 负载总质量M13.5kg 负载运行速度V1.0m/s 负载定位时间t01.0s 电机加速时间t10.1s 电机匀速时间t20.8s 电机减速时间t30.1s 负载移动距离L0.9m 摩擦系数μ0.1 机械效率η0.8 安全系数K1.5

9.2转速计算： 所需转速也就是同步轮的转速，由线速度V和轮子周长C即可计算，原理前面章节以解释过，不再赘述。N=V/C=1/0.157=6.4rps=382rpm（转每分）➗60 = 6.4（转每秒） 公式中的C是轮子周长既然算到了转速，那顺便可以算下角速度和角加速度，后面算力矩会用

9.3角加速度计算： ω=2πN（这里的N是转每秒，因为角速度是弧度每秒）=6.28*6.4=40.2rad/s

β=ω/t1=40.2/0.1=402rad/s²

9.4匀速力矩计算： T匀=μmgR=0.1*(0.5+0.5+3.5)*10*0.025=0.1125nm

9.5加速力矩计算： ​​​​​​​T加=J总*β

9.5.1转动体惯量：

J同步轮=J=mr²/2=1.56·10^-4kg·m²   此处无联轴器，电机与同步带轮是直连

9.5.2负载直线运动产生的惯量：

J负载=m（负载总质量）r²=4*0.025*0.025=0.0025=25·10^-4kg·m²

9.5.3总惯量： J总=2*1.56·10-4+25·10-4=28.12·10-4kg·m²=28.12kg·cm²（注意同步带轮有两个）

9.5.4加速力矩：T加=J总*β=28.12·10-4X402=1.13nm

9.6计算总力矩和电机力矩并选型电机： T总=T匀+T加=0.1125+1.13=1.24nm

T电机=T总*K/η=1.24*1.5/0.8=2.325nm

9.7考虑是否需要加减速机，首先是同步带点到点定位运动，惯量比要求30内即可发现750W电机扭矩和惯量比都匹配故可直接选用

这里再补充下，实际中此案例的工况，可能也会配减速机，因为对于伺服电机虽然能工作在任何转速下，但是想让其运行在最佳状态，建议上还是让其在额定转速附近工作。并且配了减速机后，伺服电机可以再选小几个规格，成本上也是合适的。不过具体如何选择，并无标准。非标设计本身就是10个人可能有10种做法

​​​​​名字就表明了其特点，直驱，直接驱动。区别于传统的驱动方式，比如丝杠传动，电机的动力需要经过减速机、联轴器、丝杠、丝杠螺母这一系列的装置和机构才能到达负载端，将电机转动转为直线运动输出。那么对于传动精度要求非常高，要求极高响应性，要求设备整体高刚性的前提下，此类传动就有点过于复杂不够直接了。动力在传递过程中所经中介越多，自然就会产生更多的间隙、变形、摩擦、效率损耗等

那么直驱电机的优势就体现出来了，其直接跳过了电机和负载之间的这些中介，直接由电机驱动负载运行，故有如下优势： 1.不存在中间传动，最大程度上避免了反向间隙，惯性，摩擦力，刚性不足、效率损耗等问题 2.极高的运行速度，可达5-10M/S这是常规驱动方式无法达到的 3.极高的加速度，即加速时间极短。加速度可达10g甚至更高 4.极高精度重复定位精度1UM 5.运动速度范围宽：最慢1UM/S最高10M/S甚至更高6噪音小，维护容易，可用于无尘环境

直驱电机是直接驱动负载的，首先其主要分三大类：直线电机、DD马达、音圈电机

其实简单的总结下就是：直线电机用于高精度直线往复，DD马达用于高精度转动，音圈电机则非标应用较少，主要在一些微小运动平台上，比如几毫米甚至更小的运动行程，比如手机镜头调焦就是用的音圈电机。

品牌：斯科特、上银、NIKKI、中川、同茂、雅科贝思、天友、大族、横川、线马、CKD、科尔摩根等

我们先来看直线电机，直线电机又叫线性电机、线性马达，其原理可以想象成把伺服电机剖开展平。定子就是一排平铺的磁铁，然后动子（连接负载的滑台）通电也产生磁场，动子与定子磁铁间产生吸力，并通过改变线圈电流来使得动子不断往前移动。从结构上分有三种类型平板型、U槽型、直管型其中前两种最为常见

4.1平板型直线电机也叫有铁芯直线电机之所以叫有铁芯，是因为动子的线圈是绕在磁铁上的，好处就是与定子之前的吸力可以更大，能输出更大的推力，但同时定子与动子之间的竖直方向上的吸力也会更大，此类电机适合于大负载

4.2U型电机也叫无铁芯直线电机从名字也能看出，线圈内没有绕组，也就是没有铁芯，那么动定子之间竖直方向没有吸力，相对于有铁芯电机来说，其在低速下具有更好的稳定性，更高的精度，更轻的质量，更快的响应速度、加速度。至于使用上和平板型并无明显区分，很多场合都能够互替，只是U型安装上相对更为紧凑。

4.3圆柱型直线电机/管状直线电机

此类直线电机非常少见，大家只需要知道有这么回事即可然后说下直线电机的价格与配置建议，价格自然是非常贵的，基本都是上万起步的，但是在高精度设备上，该用还得用。若是用普通的伺服电机搭配丝杠，那么丝杠首先你得用磨制的，不便宜，并且为了保证精度，丝杠还得定期更换。其次还得配置光栅尺，所以总的下来，其实和直线电机差不了多少。但是直线电机维护简单，把时间跨度拉长的话，很多时候还是划算的。

直线电机选型主要就是计算其有效推力/持续推力，看下图样册截图

那么有效推力如何计算，用的是下方的公式：下方公式只是看着比较复杂，大家不要被吓到。其实只需要把相关参数直接往公式中代入即可。 其实也就是直线电机运行时的四个过程的各自推力和作用时间分别代入即可。之所以是四个过程，这与直线电机的运行模式/运行轨迹有关,见下图（其实前面讲的控制电机也是同样的）

其实关键就在于要算出匀速力、加速力和减速力。匀速力之前电机篇讲过，主要就是克服摩擦力，加减速力和加速度有关，大家可以参照步进和伺服电机时讲到的匀速力矩和加速力矩来帮助理解。至于静止阶段的静止推力，其实就是保持力，看设备是竖直运行还是水平，若水平保持力一般为0，竖直则就是克服重力，故保持力等于重力。具体算法看下面实际案例

6.1已知条件： 负载质量M=10KG 负载运行速度V=2M/S 加速时间T10.1S 匀速时间T20.9S 减速时间T30.1S 静止时间T41s 摩擦系数μ=0.1 分辨率要求：0.01MM 运动距离L=2M 由于目标是算出持续推力，进一步分成两个小目标： ​​​​​​​1。计算各阶段时间2计算各阶段推力各阶段时间题目已知，故只需计算各阶段推力，计算加速和减速段推力需要用到加速度，故

6.2计算加速度：（减速过程大家就看成加速度为负的过程即可）由于加减速时间相等的，故加速度也相等，只是方向相反，也就是符号相反加速度就等于始末位置的速度差除以时间a=v/t=2/0.1=20M/S2

6.3匀速阶段推力计算：F匀=μmg=0.1*10*10=10N在讲加减速阶段电机推力计算前，首先要说明一个公式：F合力=ma也就是物体所受的合外力，就等于物体质量乘以物体的加速度那么不论加减速阶段，负载的加速度都是a只不过减速时a方向反向，那么也就是说加减速阶段合外力的大小是一样的，都是ma=200N然后我们再往下看

6.4加速阶段推力计算：加速阶段负载受到的阻力是摩擦力，动力是电机推力，故合力就等于电机推力-摩擦力F合=ma=F推-μmg则F推=ma+μmg=200+10=210N

6.5减速阶段推力计算：减速阶段摩擦力是在帮助减速的，而电机此时也处于反向输出，也在帮助减速。故此时的合力就等于电机推力+摩擦力F合=ma=F推+μmg则F推=ma-μmg=200-10=190N

6.6接下去就是把已知的数据挨个代入公式中的分子分母，求出持续推力即可此案例水平运动故静止阶段推力为0

最终算得：有效推力=62.144N

6.7选型电机，注意上面公式算得的62.144还应该乘以一安全系数，直驱电机比较贵，故我们系数放的不像普通电机那么大，可取1.3（经验值）

故最终电机的连续推力=62.144*1.3=81N  选择如下规格直线电机，虽然样册上此规格80的连续推力看着有点勉强，但其实足够使用的，直驱电机类似伺服电机也有三倍的过载能力，并且如果再选大一级的话价格贵的不止一点，故对直线电机的选型，我们不像步进电机那么随意，大一两个机座号，也差不了多少钱。当然这也只是个人建议，若觉得不放心，选大一号自然也不是不行。

至于电机的行程，还是那句话不是任意定的，查看厂家样册，选择最接近需要行程的即可，注意留余量本案例中根据样册对标准行程的要求，可以选择行程2112mm（2112=168+18*108）其次再说明一点，对于此类比较贵的外购件，大家除了自己选型以外，的确是可以要求供应商替你选型，你只需要将你的工况条件告知他们的工程师，不过至于会不会刻意选大一个规格，这个就不好说了，还需大家自行斟酌

DD马达可以简单理解成升级版的伺服电机，所谓升级，主要体现在大力矩上，故也有叫其大力矩电机的。不过除了力矩远大于伺服电机，它的精度也比伺服电机还要高，并且使用的还是绝对式编码器。

很多时候，将其用在旋转平台或者加工设备上做变位机用，甚至机器人底座也有用它的，因为它还具有高刚性的特点。

转速范围广，大白话就是可快可慢，即既能输出大力矩（可达数千NM），又能同时输出高转速（快的可达上万转）。

DD马达构造：关于内部结构以及原理还是那句话，大家不用过于深究可以简单旋转部相当于转子，固定部相当于定子，本质还是电磁感应

首先DD马达选型其实用的公式还是前面直线电机的选型公式，只不过把里面的各阶段推力改成扭矩即可，因为直线电机是直线输出而DD马达是旋转

也就是对应下图样册上的连续最大扭矩

8.1已知条件： 转盘直径D1=0.5m 转盘厚度H1=0.015m 转盘重量M1=12KG 工位数8 单个工位质量M2=1KG 工位重心到转盘中心距离L1=0.15m 转动时间t转=0.3S 节拍t总=1.3S (节拍是包括了转动时间+停止时间)

8.2计算角加速度和惯量

目标是连续扭矩，提到扭矩就要提到惯量和角加速度而这些计算方式是和之前的伺服和步进一样的，故这里不会赘述太多篇幅，而直接给出相关计算值

首先是计算角速度，进一步计算角加速度8工位，那么每次转位就是45度，经历的时间是0.3S而这0.3S内并不是匀速的，电机经历了一个加速---减速的过程，注意DD马达在点到点定位时，大部分时候是走的三角形轨迹而非前面的直线电机的梯形轨迹（加速--匀速--减速）

所以我们要求的角速度应该是最大角速度，设角速度为ω用三角形面积求法：t*ω/2=0.785rad(将45度化成弧度制)故ω=5.23rad/s，则角加速度β=ω/t=5.23/0.15=34.86rad/s²

然后是计算惯量，这里只是简单介绍下，若要详细了解惯量计算，回看前面章节圆盘惯量公式用mR2/2或软件计算，值为3750·10-4kg·m²，8个载具当成是一个圆环，公式mR²，R就是距离圆盘中心的距离，值为1800·10-4kg·m²

总惯量：转盘惯量+载具惯量=5550·10-4kg·m²

8.3各阶段力矩计算：

T加=5550·10-4·34.86rad/s=19.351NM（就是前面算的角加速度乘以总惯量）因为是转盘，故摩擦转矩一般不算，考虑在安全系数和效率中，这点前面章节提到过故匀速阶段的力矩为0，减速阶段和加速阶段由于不考虑摩擦，故都是19.351NM

8.4连续扭矩计算：将加速段扭矩和减速段扭矩代入下方公式，求得连续扭矩为9.3NM电机的连续

最大扭矩T=9.3*1.3（安全系数）=12.1NM

注意由于DD马达类似伺服电机是旋转输出，故最好也校核下惯量比​​​​​​​

惯量比：负载总惯量/转子惯量=5550/179=30.72（此案例为转盘定位设备，对响应速度并无太高要求，故30可以）

音圈电机（Voice-coil-motor故也叫VCM马达）其应用场合其实上文中已经说到了：非标应用较少，很适合小位移直线运动，比如几毫米甚至更小的运动行程，比如手机镜头调焦就是用的音圈电机。简单说下原理，1就是音圈电机的运动部分，其实就是个线圈，2是一个外壳，内部有永磁铁，线圈通电在磁场中就会受力，就能运动了。所以其实本质上和电机的转子定子之间的电磁感应互相作用是一样的。这种是线圈来回运动，叫线圈运动式音圈电机当然音圈电机除了上述这种结构外，还有磁体运动式音圈电机。说白了就是音圈固定，磁体驱动负载动。

直线模组叫法很多：线性模组、直线滑台、单轴机器人、直角坐标机器人都指的是它这东西说白了，其实就是我们之前讲控制电机案例时，接触到的丝杠驱动、同步带驱动平台，当然还有齿轮齿条驱动的。

所以本质结构其实我们都已经有一定了解了，那直线模组，主要体现在模组这两个字上。我们之前看过的结构基本都是自制的，而模组自然是由专业的厂家，进行批量化模块化生产出来的产品。当然这些专门做模组的厂家做出来的产品的定位精度、稳定性、紧凑程度、外观等肯定都是优于你自己组装的，毕竟人家是专门做这个的。如果经济上允许，一般是建议使用外购的模组直接使用的，主要出于以下考虑：

1、缩短设计周期，因为这些模组买回来直接就可以用，并且此类模组的选型也是非常简单的，甚至偷懒的可以直接联系供应商让他们帮忙选型

2、相比自己设计的，外购的模组一般精度、稳定性都要优于自己设计组装的（买到质量不好的另说）

3、现在做模组的厂家越来越多，其实价格也在逐渐下降，除非你自己批量制作，否则成本其实差不太多

4、在进行多轴联动设计时，外购的模组在设计上只需要进行简单拼接组装即可，大大节省设计时间，且不容易出错有些厂家甚至直接卖组装好的多轴机器人这里额外说下个人对设计经验积累的一点看法,建议大家平时多跑跑展会，很多比较新奇的、好用的结构都能从展会上看到，并且可以和参展商要样册，基本都会给的，大家平时要多想、多看、多记。

所谓分类其实就是按照传动结构的不同分：

2.1丝杠直线模组

可以说是最常见的直线模组，其相比其余结构的模组能做到更高精度。一般重复定位精度能达到2丝到5UM。不过此种模组由于受到丝杠细长比的限制，一般长度都在1M左右，2M已经属于比较长的了，丝杠可能得做的很粗。细长比即直径与长度比值，为了好形容，我们用长度比直径，这个值一般在40-60左右。若超过这个值，运转会不稳定，说直白点就是轴会甩。其次丝杠模组的运行速度一般在1M/S内，速度过高会产生啸叫，就是会有噪声。而一般当丝杠超过800MM后，每增加100mm行程，模组对应的最高运行速度降低15%（经验值）

这里单独介绍一种比较有名的丝杠模组：KK模组。这是上银开发生产的一款直线模组，之所以有名，主要在于其紧凑、高刚性、高精度。

简单看下其结构与普通模组的不同之处：KK模组的直线导轨区别于传统的结构，导轨是U型的底座，滑块兼做丝杠螺母，且丝杠为磨制（后面章节会专门讲丝杠，现在只需知道磨制丝杠精度非常高而普通丝杠是轧制的），此种设计让其体积可以做的非常小，并且设备整体的刚体非常好，且精度相比普通模组高的多可达3-5um。市面上也有其他厂家生成的KK模组，但有些用的并不是磨制丝杠，主要看中的是此种结构体积的紧凑。

2.2同步带直线模组可以说除了丝杠模组外最常用的模组，对比丝杠模组最大的特点就是行程能够做的更长，2M甚至4M的同步带模组也是正常的，精度的话一般也能达到2丝左右，当然这里指的都是专业品牌厂家做的产品。运行速度同样也比丝杠更高，可以达到2M/S甚至4M/S

2.3齿轮齿条直线模组相较于其余模组，齿轮齿条模组最大的特点就是重载下用，一般用于大型桁架类搬运设备。并且行程上，只要齿条够长（可以拼接），齿轮齿条模组的行程没有上限。速度可达2M/S，精度在5丝到2丝左右（需要对齿轮消隙处理，后面齿轮章节讲）

2.4电缸也叫电动推杆或电动缸，其实从结构上讲它属于丝杠模组，只是比较特殊，他是没有滑台的。动作方式上，更接近气缸。但是其输出力远远大于气缸，可以用做压机，推力可高达几吨甚至几十吨。速度一般不快，在0.5M/S左右，精度1丝左右，一般是伺服电机控制。电缸是气缸和液压缸的最佳替代品，噪音低、节能、干净、维护简单。不过目前其输出力依旧没有液压缸来的大，不过非标中大部分压机所需压力是足够的。

其实就是丝杠旋转然后螺母座带动着空心轴往外伸之所以空心轴是为了给丝杠让位

2.5气动直线模组

其实这个叫法有点牵强，因为所谓的气动模一般是自制的，而不像上面那些是外购件，有一定的标准。之所以把它放在这里，只是为了凸出其使用功能上是类似于上面这些模组的，一般会与前面介绍的这些真正的模组搭配使用气动部分我们后面有专门的专题，这里大家只需知道我们下面要介绍的这些结构，精度和前面的是远远不能比的，甚至一般只能实现2点定位，单纯就是用来实现移动搬运用虽然如此，但用气动来实现搬运移动的的结构大把的在，因为它结构简单，又足够便宜。在条件工况允许的情况下，自然是能用气动就用气动。

3、选型前细节补充：

3.1之所以说选模组简单，是因为大部分时候你甚至不需要计算，看下图

样册上直接告诉你使用时最大能承受的负载质量都不用去算力或扭矩。推力一般都不用看，除非是用的电缸，因为电缸大部分情况拿来当压机用

3.2虽然可以不用计算了，但是对于负载的偏心情况还是需要关注下，说的通俗点就是样册上注明的最大承载量是有一定条件的，你的负载幅面，偏心情况得在一定范围内。而如果超范围了，那么能承载的负载质量就会下降。具体的看下图（ABC是负载重心距离模组滑台中心的距离）

对照上图，我们发现，水平安装时，导程5的直线模组，最大搬运重量50KG。这个承载是要求A在437内B在29内C在35内这三都满足情况下才能达到的输出

可以用sw软件求负载的重心与平台重心之间的偏差

3.3丝杠模组匹配的电机品牌是可选的，至于选什么品牌，可以与电气工程师商量确定，因为涉及到程序编程。并且除了厂家指定的品牌，还可以自己搭配别的品牌电机也是可以的。马达的安装位置，一般根据安装位置，现场情况自行确定，这个没有标准答案，怎么方便怎么来

4丝杠模组选型：（我们以最常见的丝杠模组选型举例，同步带和齿轮齿条选型过程基本一样的）

4.1已知条件： 负载质量：M1=25Kg 运行行程：L=600mm 运行速度：V=1M/s 加速时间：T1=0.2S 减速时间：T2=0.2S 重复定位精度：±0.1mm 力臂距离：80mm 垂直距离：110mm（关于这两个距离，待会会拿图解释）

4.2通过快速选型表，初定一个型号一般的如果有快速选型表的，先初定一个型号，然后翻到对应型号页复核，这样可以节省时间。

我们题目中的条件是墙壁安装，而快速选型表中只有水平和垂直安装，并没墙壁安装。我们可以先看垂直使用，来初定PSS140垂直安装时导程5时可承载33KG我们负载是25KG而定位精度题目要求0.1MM而这里都是1丝完全足够

4.3复核初定的型号

我们是墙壁安装所以看下图从模型可知B方向没有偏心所以看A和C即可

A就是上右图也就是题目中的80MM力臂距离，

C就是题目中的110mm垂直距离，然后直线模组选型同样需要放系数，一般取2（同伺服电机）所以实际要求的承载能力是25*2=50KG看样册发现导程10就够了（导程越小输出能力越大）其实该题目工况下，用PSS130貌似也可以用，只是导程要选择5MM的

导程不同，区别就在于匹配电机的输出转速不同了，同样的速度要求下，导程选的小，电机转速就要更高，这些知识在前面章节中讲解过的拿本题要求的1M/S来说，若用导程5MM的则电机转速N=V/Pb=200RPS=12000RPM很明显，这个转速超出普通伺服电机的输出转速极限了，所以这里实际选择5MM导程是不合理的。那么PSS140用10MM导程其实也不太合适，因为需要电机达到6000RPM所以这里可以使用更高一个规格的，或者加个减速机使用，当然购买额定转速6000RPM的伺服电机也是可以的。

4.4其余细节确认

4.4.1行程确认题目要求600但我们肯定要留余量，一般单边留25-50MM比如这里选择650的行程注意行程不是任意给的厂家有标准

5电缸选型案例：

5.1已知条件: 负载质量M1=1KG 运行行程L=210MM 压装阶段速度V压=0.01M/S 下移阶段速度V=0.1M/S 加速时间t1=0.5s 匀速时间t2=1.7s 减速时间t3=0.15s 压装时间t4=0.75s 停止时间t5=0.15s 重复定位精度±0.1MM 最大压装力F=750N

关于上面提到的几个时间，看下图加速+匀速+减速整个这过程其实还没有真正的进行压装只是夹具在靠近工件

其实电缸选型虽然条件给的多，但是负载质量其实很小的，主要影响选型的是最大压装力F=750N

5.2确认各要求，选型

5.2.1确定精度±0.1mm没问题

5.2.2确定行程210mm+30mm+30mm=270mm电缸和直线模组一样，行程也不是任意取的，这里我们取315

​​​​​​​

5.2.3确认输出能力：负载：1kg·2=2kg（系数给2）压装力：750N·1.3=975N(保持压装时间很短，系数这里给1.3)​​​​​​​

通过复核，上图红色圈中的部分，都是满足题目所给要求的