29、高效能源设计与智能测绘系统的探索

高效能源设计与智能测绘系统的探索

1. 能源高效伺服驱动系统设计分析

在工业领域，伺服控制系统是众多机电系统、自动化机器和机器人的核心组成部分，其能耗在工业总能耗中占比颇高，可达70%。如今，政府政策推动着机电系统向更“绿色”的方向发展，制造商也纷纷提供高效解决方案，涵盖电机、电子驱动器和齿轮箱等关键组件。

不过，选择“优质”组件并非实现绿色工业的唯一途径。提高能源效率有多种方法，例如采用轻质组件或弹簧存储和释放机械能的“自然运动”方法，以及精心设计运动以减少惯性力对执行器的影响。从机器设计的初始阶段入手，精心选择电动驱动器、电机和齿轮箱，也能实现更高效的能源利用。

传统的机电系统设计方法通常先选择减速器，再选择电机，且往往以价格为导向选择所谓的“最佳”方案。这种方法存在诸多缺陷，如可能需要多次迭代，且通常不考虑能耗，难以实现能源高效。常见的基于惯性匹配的设计准则也并非总能带来能源高效的设计。

为了分析能源高效伺服驱动系统的设计问题，我们对典型测试案例和大量可能的设计进行了研究。通过参数化设计空间，考虑电机尺寸、减速比和惯性比等因素，对每个设计的可行性和能耗进行了分析。

1.1 系统建模

典型的伺服驱动系统可表示为电机、齿轮箱和负载的级联。假设已知负载运动轮廓，可将其表示为随时间变化的阻力转矩曲线。在考虑库仑摩擦和粘性摩擦的情况下，电机所需提供的转矩可由以下公式计算：
[T_m(t) = (J_m + J_r) \ddot{\theta}_l(t)i + k_v \dot{\theta}_l(t)i + T_f + \frac{T_2(t)}{i}]
其中，(J_m)和(J_r)分别为电机和折算后