伺服电机惯量问题

伺服电机惯量问题伺服电机惯量问题 在伺服系统选型及调试中，常会碰到惯量问题。 其具体表现为： 在伺服系统选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外，我 们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量， 再根据机械的实 际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机； 在调试时， 正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能 的前提。此点在要求高速高精度的系统上表现尤为突出，这样，就有 了惯量匹配的问题。 一、什么是“惯量匹配”？ 1、根据牛顿第二定律： “进给系统所需力矩 T = 系统传动惯量 J × 角加速度θ 角” 。加速度θ 影响系统的动态特性， θ 越小， 则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应 越慢。如果θ 变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。 由于马达选定后最大输出 T 值不变，如果希望θ 的变化小， 则 J 应该尽量小。 2、进给轴的总惯量“J＝伺服电机的旋转惯性动量 JM ＋ 电机轴 换算的负载惯性动量 JL。 负载惯量 JL 由 （以平面金切机床为 例）工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和 旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成。 JM 为伺服电 机转子惯量，伺服电机选定后，此值就为定值，而JL 则随工 件等负载改变而变化。如果希望 J 变化率小些，则最好使 JL 所占比例小些。这就是通俗意义上的“惯量匹配” 。 二、 “惯量匹配”如何确定？ 传动惯量对伺服系统的精度， 稳定性， 动态响应都有影响。惯量大， 系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐 振，因而限制了伺服带宽， 影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当 增大只有在改善低速爬行时有利， 因此，机械设计时在不影响系统刚 度的条件下，应尽量减小惯量。 衡量机械系统的动态特性时， 惯量越小， 系统的动态特性反应越好； 惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和 马达惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择， 且有不同的作用表现。 不同的机构动作及加工质量要求对 JL 与 JM 大小关系有不同的要求，但大多要求 JL 与 JM 的比值小于十以内。 一句话， 惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点及加工质量要求来 确定。 对于基础金属切削机床，对于伺服电机来说，一般负载惯量 建议应小于电机惯量的 5 倍。 惯量匹配对于电机选型很重要的，同样功率的电机，有些品牌有分 轻惯量， 中惯量， 或大惯量。 其实负载惯量最好还是用公式计算出来。 常见的形体惯量计算公式在以前学的书里都有现成的 （可以去查机械 设计手册） 。 我们曾经做过一试验，在一伺服电机的轴伸，加一大的 惯量盘准备用来做测试， 结果是： 伺服电机低速时停不住， 摇头摆尾， 不停地振荡怎么也停不下来。 后来改为：在两个伺服电机的轴伸对 接加装联轴器，对其中一个伺服电机通电，作为动力即主动，另一个 伺服电机作为从动，即做为一个小负载。原来那个摇头摆尾的伺服电 机，启动、运动、停止，运转一切正常！ 三、惯量的理论计算的功式？ 惯量计算都有公式，至于多重负载，比如齿轮又带齿轮，或涡轮蜗 杆传动，只要分别算出各转动件惯量然后相加即是系统惯量， 电机选 型时建议根椐不同的电机进行选配。 负载的转动惯量肯定是要设计 时通过计算算出来拉，如果没有这个值，电机选型肯定是不那么合理 的，或者肯定会有问题的， 这是选伺服的最重要的几个参数之一。至 于电机惯量，电机样本手册上都有标注。 当然，对某些伺服，可以 通过调整伺服的过程测出负载的惯量，作为理论设计中的计算的参 考。毕竟在设计阶段，很多类似摩擦系数之类的参数只能根据经验来 猜，不可能准确。理论设计中的计算的公式： （仅供参考）通常将转 动惯量 J 用飞轮矩 GD2 来表示，它们之间的关系为 J=mp^2= GD^2/4g 式中 m 与 G－转动部分的质量（kg）与重量（N） ； 与 D－惯性半径与直径（m） ； g=9.81m/s2 －重力加速度 飞轮惯量=速度变化率*飞轮距/375 当然，理论与实际总会有偏差的，有些地区（如在欧洲） ，一般是 采用中间值通过实际测试得到。 这样，相对我们的经验公式要准确一 些。不过，在目前还是需要计算的，也有固定公式可以去查机械设计 手册的。 四、关于摩擦系数？ 关于摩擦系数，一般电机选择只是考虑一个系数加到计算过程中， 在电机调整时通常都不会考虑。不过，如果这个因素很大，或者讲， 足以影响电机调整，有些日系通用伺服，据称有一个参数是用来专门 测试的，至于是否好用，本人没有用过，估计应该是好用的。 有网 友发贴说，曾有人发生过这样的情况：设计时照搬国外的机器，机械 部分号称一样，电机功率放大了 50%选型，可是电机转不动。因为样 机的机械加工、装配的精度太差，负载惯量是差不多，可摩擦阻力相 差太多了，对具体工况考虑不周。 当然，黏性阻尼和摩擦系数不是 同一个问题。摩擦系数是不变值，这点可以通过电机功率给予补偿， 但黏性阻尼是变值，通过增大电机功率当然可以缓解， 但其实是不合 理的。况且没有设计依据， 这个最好是在机械状态上解决，没有好的 机械状态，伺服调整完全是一句空话。 还有，黏性阻尼跟机械结构 设计、加工、装配等相关，这些在选型时是必须考虑的。而且跟摩擦 系数也是息息相关的，正是因为加工水平不够才造成的摩擦系数不 定，不同点相差较大，甚至技术工人装配水平的差异也会导致很大的 差异，这些在电机选型时必须要考虑的。这样，才会有保险系数，当 然归根结底还是电机功率的问题。 五、惯量的理论计算后，微调修正的简单化 可能有些朋友觉的：太复杂了！实际情况是，某品牌的产品各种各 样的参 数已经确定，在满足功率，转矩，转速的条件下，产品型号 已经确定，如果惯量仍然不能满足，能否将功率提高一档来满足惯量 的要求？ 答案是：功率提高可以带动加速度提高的话，应是可以的。 六、伺服电机选型 在选择好机械传动方案以后， 就必须对伺服电机的型号和大小进行选 择和确认。 （1）选型条件：一般情况下，选择伺服电机需满足下列情况： 1.马达最大转速＞系统所需之最高移动转速。 2.马达的转子惯量与负载惯量相匹配。 3 连续负载工作扭力≤马达额定扭力 4.马达最大输出扭力＞系统所需最大扭力（加速时扭力） （2）选型计算： 1. 惯量匹配计算（JL/JM） 2. 回转速度计算（负载端转速，马达端转速） 3. 负载扭矩计算（连续负载工作扭矩，加速时扭矩）