淺析伺服電機大型電機的剛性和慣量。

時間：2019-08-16 19:09

      要說伺服電機的剛性，先說剛度。

      伺服電機的剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。材料的剛度通常用彈性模量E來衡量。在宏觀彈性范圍內(nèi)，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力。它的倒數(shù)稱為柔度，即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動剛度。

      一個結(jié)構(gòu)的剛度(k)是指彈性體抵抗變形拉伸的能力。

      k=P/δ

      P是作用于結(jié)構(gòu)的恒力，δ是由于力而產(chǎn)生的形變。

      轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動剛度(k)為：

      k=M/θ

      其中，M為施加的力矩，θ為旋轉(zhuǎn)角度。

      舉個例子，我們知道鋼管比較堅硬，一般受外力形變小，而橡皮筋比較軟，受到同等力產(chǎn)生的形變就比較大，那我們就說鋼管的剛性強，橡皮筋的剛性弱，或者說其柔性強。

      在伺服電機的應用中，用聯(lián)軸器來連接電機和負載，就是典型的剛性連接;而用同步帶或者皮帶來連接電機和負載，就是典型的柔性連接。

      電機剛性就是電機軸抗外界力矩干擾的能力，而我們可以在伺服控制器調(diào)節(jié)電機的剛性。

      伺服電機的機械剛度跟它的響應速度有關(guān)。一般剛性越高其響應速度也越高，但是調(diào)太高的話，很容易讓電機產(chǎn)生機械共振。所以，在一般的伺服放大器參數(shù)里面都有手動調(diào)整響應頻率的選項，要根據(jù)機械的共振點來調(diào)整，需要時間和經(jīng)驗(其實就是調(diào)增益參數(shù))。

      在伺服系統(tǒng)位置模式下，施加力讓電機偏轉(zhuǎn)，如果用力較大且偏轉(zhuǎn)角度較小，那么就認為伺服系統(tǒng)剛性強，反之則認為伺服剛性弱。注意這里我說的剛性，其實更接近響應速度這個概念。從控制器角度看的話，剛性其實是速度環(huán)、位置環(huán)和時間積分常數(shù)組合成的一個參數(shù)，它的大小決定機械的一個響應速度。

      像松下和三菱伺服都有自動增益功能，通常不需要特別去調(diào)整。國產(chǎn)的一些伺服，只能夠手工調(diào)整。

      其實如果你不要求定位快，只要準，在阻力不大的時候，剛性低，也可以做到定位準，只不過定位時間長。因為剛性低的話定位慢，在要求響應快，定位時間短的情況下，就會有定位不準的錯覺。

      而慣量描述的是物體運動的慣性，轉(zhuǎn)動慣量是物體繞軸轉(zhuǎn)動慣性的度量。轉(zhuǎn)動慣量只跟轉(zhuǎn)動半徑和物體質(zhì)量有關(guān)。一般負載慣量超過電機轉(zhuǎn)子慣量的10倍，可以認為慣量較大。

      導軌和絲杠的轉(zhuǎn)動慣量對伺服電機傳動系統(tǒng)的剛性影響很大，固定增益下，轉(zhuǎn)動慣量越大，剛性越大，越易引起電機抖動;轉(zhuǎn)動慣量越小，剛性越小，電機越不易抖動?？赏ㄟ^更換較小直徑的導軌和絲桿減小轉(zhuǎn)動慣量從而減小負載慣量來達到電機不抖動。

      我們知道通常在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等參數(shù)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(手動模式下)，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)最佳效能的前提。

      那到底什么是“慣量匹配”呢?

      其實也不難理解，根據(jù)牛二定律：

      進給系統(tǒng)所需力矩= 系統(tǒng)轉(zhuǎn)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。

      伺服電機選定后最大輸出值不變，如果希望θ的變化小，則J就應該盡量小。

      而上面的，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量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”。

      一般來說，小慣量的電機制動性能好，啟動，加速停止的反應很快，高速往復性好，適合于一些輕負載，高速定位的場合。中、大慣量的電機適用大負載、平穩(wěn)要求比較高的場合，如一些圓周運動機構(gòu)和一些機床行業(yè)。

      所以伺服電機剛性過大，剛性不足，一般是要調(diào)控制器增益改變系統(tǒng)響應了。慣量過大，慣量不足，說的是負載的慣量變化和伺服電機慣量的一個相對的比較。

      
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