伺服電機選型之伺服電機慣量匹配

在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會碰到伺服電機慣量匹配問題。在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統(tǒng)換算到電機軸的慣量，再根據(jù)機械的實際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；
在調(diào)試時，正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng) 效能的前提。此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出，這樣，就有了慣量匹配的問題。
一、什么是“慣量匹配”？
1、根據(jù)牛頓第二定律：“進給系統(tǒng)所需力矩T = 系統(tǒng)傳動慣量J × 角加速度θ角”
加速度θ影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達(dá)選定后 輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。
 2、進給軸的總慣量“J＝伺服電機的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM ＋電機軸換算的負(fù)載慣性動量JL
負(fù)載慣量JL由（以平面金切機床為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。
 JM為伺服電機轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負(fù)載改變而變化。如果希望J變化率小些，則 使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。
二、“慣量匹配”如何確定？
傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應(yīng)都有影響。
慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設(shè)計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。
衡量機械系統(tǒng)的動態(tài)特性時，慣量越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達(dá)的負(fù)載也就越大，越難控制，但機械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機構(gòu)，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。
不同的機構(gòu)動作及加工質(zhì)量要求對JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，但大多要求JL與JM的比值小于十以內(nèi)。一句話，慣性匹配的確定需要根據(jù)機械的工藝特點及加工質(zhì)量要求來確定。
對于基礎(chǔ)金屬切削機床，對于伺服電機來說，一般負(fù)載慣量建議應(yīng)小于電機慣量的5倍。
慣量匹配對于電機選型很重要的，同樣功率的電機，有些品牌有分輕慣量，中慣量，或大慣量。其實負(fù)載慣量還是用公式計算出來。常見的形體慣量計算公式在以前學(xué)的書里都有現(xiàn)成的（可以去查機械設(shè)計手冊）。
我們曾經(jīng)做過一試驗，在一伺服電機的軸伸，加一大的慣量盤準(zhǔn)備用來做測試，結(jié)果是：伺服電機低速時停不住，搖頭擺尾，不停地振蕩怎么也停不下來。
后來改為：在兩個伺服電機的軸伸對接加裝聯(lián)軸器，對其中一個伺服電機通電，作為動力即主動，另一個伺服電機作為從動，即做為一個小負(fù)載。原來那個搖頭擺尾的伺服電機，啟動、運動、停止，運轉(zhuǎn)一切正常！
三、慣量的理論計算的功式？
慣量計算都有公式，至于多重負(fù)載，比如齒輪又帶齒輪，或渦輪蝸桿傳動，只要分別算出各轉(zhuǎn)動件慣量然后相加即是系統(tǒng)慣量，電機選型時建議根椐不同的電機進行選配。
負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量肯定是要設(shè)計時通過計算算出來拉，如果沒有這個值，電機選型肯定是不那么合理的，或者肯定會有問題的，這是選伺服的重要的幾個參數(shù)之一。至于電機慣量，電機樣本手冊上都有標(biāo)注。
當(dāng)然，對某些伺服，可以通過調(diào)整伺服的過程測出負(fù)載的慣量，作為理論設(shè)計中的計算的參考。畢竟在設(shè)計階段，很多類似摩擦系數(shù)之類的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗來猜，不可能準(zhǔn)確。
理論設(shè)計中的計算的公式：（ 供參考） 通常將轉(zhuǎn)動慣量J用飛輪矩GD2來表示，它們之間的關(guān)系為
 J=mp^2= GD^2/4g
式中 m與G－轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量（kg）與重量（N）；
與D－慣性半徑與直徑（m）；
g=9.81m/s2 －重力加速度
飛輪慣量=速度變化率*飛輪距/375
當(dāng)然，理論與實際總會有偏差的，有些地區(qū)（如在歐洲），一般是采用中間值通過實際測試得到。這樣，相對我們的經(jīng)驗公式要準(zhǔn)確一些。不過，在目前還是需要計算的，也有固定公式可以去查機械設(shè)計手冊的。
四、關(guān)于摩擦系數(shù)？
關(guān)于摩擦系數(shù)，一般電機選擇只是考慮一個系數(shù)加到計算過程中，在電機調(diào)整時通常都不會考慮。
不過，如果這個因素很大，或者講，足以影響電機調(diào)整，有些日系通用伺服，據(jù)稱有一個參數(shù)是用來專門測試的，至于是否好用，本人沒有用過，估計應(yīng)該是好用的。
有網(wǎng)友發(fā)貼說，曾有人發(fā)生過這樣的情況：設(shè)計時照搬國外的機器，機械部分號稱一樣，電機功率放大了50%選型，可是電機轉(zhuǎn)不動。因為樣機的機械加工、裝配的精度太差，負(fù)載慣量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，對具體工況考慮不周。當(dāng)然，黏性阻尼和摩擦系數(shù)不是同一個問題。
摩擦系數(shù)是不變值，這點可以通過電機功率給予補償，但黏性阻尼是變值，通過增大電機功率當(dāng)然可以緩解，但其實是不合理的。
況且沒有設(shè)計依據(jù)，這個是在機械狀態(tài)上解決，沒有好的機械狀態(tài)，伺服調(diào)整完全是一句空話。還有，黏性阻尼跟機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、裝配等相關(guān)，這些在選型時是必須考慮的。
而且跟摩擦系數(shù)也是息息相關(guān)的，正是因為加工水平不夠才造成的摩擦系數(shù)不定，不同點相差較大，甚至技術(shù)工人裝配水平的差異也會導(dǎo)致很大的差異，這些在電機選型時必須要考慮的。這樣，才會有保險系數(shù)，當(dāng)然歸根結(jié)底還是電機功率的問題。
五、慣量的理論計算后，微調(diào)修正的簡單化
可能有些朋友覺的：太復(fù)雜了！實際情況是，某品牌的產(chǎn)品各種各樣的參數(shù)已經(jīng)確定，在滿足功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的條件下，產(chǎn)品型號已經(jīng)確定，如果慣量仍然不能滿足，能否將功率提高一檔來滿足慣量的要求？
答案是：功率提高可以帶動加速度提高的話，應(yīng)是可以的。