干貨：伺服電機慣量問題

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，正確設定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提。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。

1、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)反應越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應該盡量小。

2、進給軸的總慣量“J＝伺服電機的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM ＋ 電機軸換算的負載慣性動量JL。

負載慣量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”。

2、“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)響應都有影響。

慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應慢，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速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應盡量減小慣量。

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)特性反應越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統(tǒng)的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。不同的機構動作及加工質(zhì)量要求對JL與JM大小關系有不同的要求，但大多要求JL與JM的比值小于十以內(nèi)。

總之，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。對于基礎金屬切削機床，對于伺服電機來說，一般負載慣量建議應小于電機慣量的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的書里都有現(xiàn)成的（可以去查機械設計手冊）。

我們曾經(jīng)做過一試驗，在一伺服電機的軸伸，加一大的慣量盤準備用來做測試，結果是：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。

3、慣量的理論計算的功式？

慣量計算都有公式，至于多重負載，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。負載的轉(zhuǎn)動慣量肯定是要設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，這是選伺服的最重要的幾個參數(shù)之一。

至于電機慣量，電機樣本手冊上都有標注。當然，對某些伺服，可以通過調(diào)整伺服的過程測出負載的慣量，作為理論設計中的計算的參考。畢竟在設計階段，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，不可能準確。理論設計中的計算的公式：（僅供參考）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）；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計手冊的。

4、關于摩擦系數(shù)？

關于摩擦系數(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然可以緩解，但其實是不合理的。況且沒有設計依據(jù)，這個最好是在機械狀態(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，黏性阻尼跟機械結構設計、加工、裝配等相關，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，甚至技術工人裝配水平的差異也會導致很大的差異，這些在電機選型時必須要考慮的。這樣，才會有保險系數(shù)，當然歸根結底還是電機功率的問題。

5、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，應是可以的。

6、伺服電機選型

在選擇好機械傳動方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小進行選擇和確認。

1、選型條件：一般情況下，選擇伺服電機需滿足下列情況：

• 馬達最大轉(zhuǎn)速＞系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速。
• 馬達的轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量相匹配
• 連續(xù)負載工作扭力≤馬達額定扭力
• 馬達最大輸出扭力＞系統(tǒng)所需最大扭力（加速時扭力）

2、選型計算：

• 慣量匹配計算（JL/JM）
• 回轉(zhuǎn)速度計算（負載端轉(zhuǎn)速，馬達端轉(zhuǎn)速）
• 負載扭矩計算（連續(xù)負載工作扭矩，加速時扭矩）

來源：旺材電機與電控

審核編輯 黃昊宇