慣量匹配對于伺服電機(jī)選型是很重要的

在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會碰到慣量問題。其具體表現(xiàn)為：在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量，再根據(jù)機(jī)械的實(shí)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(jī)；在調(diào)試時，正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提。此點(diǎn)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(jìn)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)選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。

2、進(jìn)給軸的總慣量“J＝伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM＋電機(jī)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(jī)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(yùn)動件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機(jī)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，則最好使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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機(jī)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(jī)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(jī)械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來確定。對于基礎(chǔ)金屬切削機(jī)床，對于伺服電機(jī)來說，一般負(fù)載慣量建議應(yīng)小于電機(jī)慣量的5倍。

慣量匹配對于電機(jī)選型很重要的，同樣功率的電機(jī)，有些品牌有分輕慣量，中慣量，或大慣量。其實(shí)負(fù)載慣量最好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(jī)械設(shè)計手冊）。我們曾經(jīng)做過一試驗(yàn)，在一伺服電機(jī)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(jī)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(jī)的軸伸對接加裝聯(lián)軸器，對其中一個伺服電機(jī)通電，作為動力即主動，另一個伺服電機(jī)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(jī)，啟動、運(yùn)動、停止，運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常！

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審核編輯 黃宇