伺服电机选型之伺服电机惯量匹配

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在伺服系统的选择和调试中，经常遇到伺服电机惯量匹配的问题。在选择伺服系统时，除了考虑电动机的转矩和额定转速等外，还需要计算转换成电动机轴的机械系统的惯性，然后根据实际的动作要求机器和加工零件的质量要求。选择惯量合适的电动机；

在调试期间，正确设置惯性比参数是充分发挥机械和伺服系统最佳性能的先决条件。这一点在需要高速和高精度的系统中特别突出，因此存在惯性匹配的问题。

1.什么是“惯性匹配”？

1.根据牛顿第二定律：“进给系统所需的转矩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，控制器将发出命令，直到执行系统为止。时间越长，系统响应越慢。如果θ变化，系统响应将波动，从而影响处理精度。由于选择电机后最大输出T值不变，因此，如果希望使θ的变化较小，则J应该尽可能小。

2.进给轴的总惯量“ J =伺服电机的转动惯量JM +从电机轴转换的负载惯量JL

负载惯量JL由（对于平板金属切削机床而言）直线和旋转运动部件（如工作台）以及安装在工作台和电机上的固定装置，工件，螺钉，联轴器等的惯性组成轴。

JM是伺服电机的转子惯性。选择伺服电机后，该值为固定值，JL随工件等的负载而变化。如果要减小J的变化率，最好减小JL的比例。这就是普遍意义上的“惯性匹配”。

2.如何确定“惯性匹配”？

传输惯量会影响伺服系统的精度，稳定性和动态响应。

大惯性，系统大机械常数和慢响应会降低系统的固有频率并容易引起共振，从而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度。适当增加惯性仅在改善低速爬行时是有益的。因此，机械设计应在不影响系统刚度的情况下尽可能减小惯性。

测量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态响应越好；惯性越大，电动机上的负载就越大，控制起来就越困难，但是机械系统的惯性需要与电动机的惯性相匹配。不同的机构对惯性匹配原理的选择不同，性能也不同。

不同的机制动作和处理质量要求对JL和JM之间的大小关系有不同的要求，但是大多数要求JL与JM之比小于10。总之，需要根据机器的工艺特征和加工质量要求来确定惯性匹配。

对于基本的金属切削机床，对于伺服电机，建议一般负载惯量小于电机惯量的5倍。

惯量匹配对于电机选择非常重要。对于相同的功率电机，某些品牌的惯性较小，中等或较大。实际上，最好通过公式来计算负载惯量。先前的书中很容易获得用于计算车身惯性的通用公式（您可以查看机械设计手册）。

我们曾经做过一个测试，一个伺服电机的轴伸，再加上一个大惯性盘准备用于测试，结果是：伺服电机不能低速停止，摇头，不停地振荡，如何停不下了。

后来更改为：在两个伺服电动机的轴伸上安装一个联轴器，连接一个伺服电动机作为电源，它是有功的，而另一个伺服电动机作为从机，即是一个很小的负载。事实证明，带有摇头的伺服电动机可以正常启动，移动，停止和运行！

3.惯性理论计算公式？

有用于惯性计算的公式。对于齿轮，齿轮或蜗轮蜗杆传动等多种负载，只要分别计算每个旋转部分的惯量然后相加，即为系统惯量。建议选择不同的电动机进行电动机选择。

在设计过程中，必须通过计算来计算负载的转动惯量。如果没有该值，则电机选择绝对不合理，否则会出现问题。这是选择伺服器的最重要参数之一。 。对于电机惯量，已标记了电机目录。

当然，对于某些伺服器，可以通过调整伺服器的过程来测量负载的惯量，以作为理论设计中计算的参考。毕竟，在设计阶段，许多参数（例如摩擦系数）只能根据经验来猜测，而不能精确。

理论设计中的计算公式为：（仅供参考）惯性矩J通常用飞轮力矩GD2表示，它们之间的关系为

J=mp^2= GD^2/4g

其中m和G为旋转部分的质量（kg）和重量（N）；

和D惯性半径和直径（m）；

g = 9.81m / s2-重力加速度

飞轮惯性=变速率*飞轮螺距/ 375

当然，理论与实践之间总会有偏差。在某些地区（例如欧洲），通常通过实际测试获得中间值。这样，它比我们的经验公式更准确。但是，目前仍然需要计算它，并且有固定的公式来检查机械设计手册。

4.关于摩擦系数？

关于摩擦系数，一般的电动机选择仅考虑要添加到计算过程中的系数，而在调整电动机时通常不考虑该系数。

但是，如果该因素很大，或者足以影响电动机的调节，则据说某些日本通用伺服器具有用于特殊测试的参数。至于是否易于使用，我还没有使用过，因此应该易于使用。

一些网友发帖说，有人在设计过程中发生了外国机器被复制的情况。机械部分声称相同，电动机功率放大了50％。但是，电动机无法移动。由于原型的加工和组装的精度太差，因此负载惯性几乎相同，但是摩擦阻力差异太大，并且没有仔细考虑具体的工作条件。当然，粘性阻尼和摩擦系数不是相同的问题。

摩擦系数是一个恒定值，可以通过电动机功率来补偿，但是粘滞阻尼是一个可变值，当然可以通过增加电动机功率来减轻它，但是实际上这是不合理的。

而且，没有设计依据，这最好在机械状态下解决，没有良好的机械状态，伺服调节完全是空话。此外，粘性阻尼与机械结构设计，加工，组装等有关，在选择模型时必须考虑这些因素。

并且它也与摩擦系数密切相关。正是因为处理水平不够。摩擦系数是不确定的。不同点之间的差异很大。即使是熟练工人的装配水平差异也可能导致较大差异。周到。这样，肯定会有安全因素，归根结底就是电机功率问题。

5.经过惯性理论计算，简化了微调校正

有些朋友可能会认为：太复杂了！实际情况是确定了品牌产品的各种参数。在满足功率，转矩和速度的条件下，确定了产品型号。如果仍然不能满足惯性，是否可以将功率增加一档以满足惯性要求？

答案是：如果功率增加可以驱动加速度增加，那应该是可能的。

6.伺服电机的选择

选择机械传动方案后，必须选择并确认伺服电机的型号和尺寸。

（1）选择条件：通常，选择伺服电机时必须满足以下条件：

1.电动机的最大速度>系统所需的最大移动速度。

2.电机的转子惯量与负载惯量匹配。

3.连续负载工作转矩≤电机额定转矩

4.电机的最大输出扭矩>系统所需的最大扭矩（加速期间的扭矩）

（2）选择计算：

1.惯量匹配计算（JL / JM）

2.回转速度的计算（负载端速度，电机端速度）

3.负载扭矩计算（连续负载工作扭矩，加速时扭矩）

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