伺服電機的高低慣量到底是什么,要怎么匹配?

發表時間:2019-11-08 文章出處:網絡人氣:-

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伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制,并能快速反應,在自動控制系統中,用作執行元件,且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性,可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。


低慣量與高慣量


那么,伺服電機的低慣量和高慣量是什么意思?什么區別?


慣量就是剛體繞軸轉動的慣性的度量,轉動慣量是表征剛體轉動慣性大小的物理量。它與剛體的質量、質量相對于轉軸的分布有關。(剛體是指理想狀態下的不會有任何變化的物體),選擇的時候遇到電機慣量,也是伺服電機的一項重要指標。它指的是伺服電機轉子本身的慣量,對于電機的加減速來說相當重要。如果不能很好的匹配慣量,電機的動作會很不平穩。


轉動慣量=轉動半徑*質量


低慣量就是電機做的比較扁長,主軸慣量小,當電機做頻率高的反復運動時,慣量小,發熱就小。所以低慣量的電機適合高頻率的往復運動使用。但是一般力矩相對要小些。


高慣量的伺服電機就比較粗大,力矩大,適合大力矩的但不很快往復運動的場合。因為高速運動到停止,驅動器要產生很大的反向驅動電壓來停止這個大慣量,發熱就很大了。


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,如一些直線高速定位機構。中、大慣量的電機適用大負載、平穩要求比較高的場合,如一些圓周運動機構和一些機床行業。


如果負載比較大或是加速特性比較大,而選擇了小慣量的電機,可能對電機軸損傷太大,選擇應該根據負載的大小,加速度的大小等等因素來選擇,一般的選型手冊上有相關的能量計算公式。


伺服電機驅動器對伺服電機的響應控制,最佳值為負載慣量與電機轉子慣量之比為一,最大不可超過五倍。通過機械傳動裝置的設計,可以使負載。


慣量與電機轉子慣量之比接近一或較小。當負載慣量確實很大,機械設計不可能使負載慣量與電機轉子慣量之比小于五倍時,則可使用電機轉子慣量較大的電機,即所謂的大慣量電機。使用大慣量的電機,要達到一定的響應,驅動器的容量應要大一些。


慣量匹配

前文有提到,在伺服系統選型及調試中,?;崤齙焦吡課侍?!

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  • 具體表現


1、在伺服系統選型時,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換算到電機軸的慣量,再根據機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機。

2、在調試時(手動模式下),正確設定慣量比參數是充分發揮機械及伺服系統最佳效能的前題,此點在要求高速高精度的系統上表現由為突出(臺達伺服慣量比參數為1-37,JL/JM)。這樣,就有了慣量匹配的問題!


  • 那到底什么是“慣量匹配”呢?


1、根據牛頓第二定律:“進給系統所需力矩T=系統傳動慣量J×角加速度θ

角加速度θ影響系統的動態特性,θ越小,則由控制器發出指令到系統執行完畢的時間越長,系統反應越慢。如果θ變化,則系統反應將忽快忽慢,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(以工具機為例)工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯軸器等直線和旋轉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”。


知道了什么是慣量匹配,那慣量匹配具體有什么影響又如何確定呢?


  • 影響

傳動慣量對伺服系統的精度,穩定性,動態響應都有影響,慣量大,系統的機械常數大,響應慢,會使系統的固有頻率下降,容易產生諧振,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剛度的條件下,應盡量減小慣量。


  • 確定

衡量機械系統的動態特性時,慣量越小,系統的動態特性反應越好;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。例如,CNC中心機通過伺服電機作高速切削時,當負載慣量增加時,會發生:

(1)控制指令改變時,馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求。

(2)當機臺沿二軸執行弧式曲線快速切削時,會發生較大誤差:

①一般伺服電機通常狀況下,當JL≦JM,則上面的問題不會發生;

②當JL=3×JM,則馬達的可控性會些微降低,但對平常的金屬切削不會有影響(高速曲線切削一般建議JL≦JM);

③當JL≧3×JM,馬達的可控性會明顯下降,在高速曲線切削時表現突出。

不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關系有不同的要求,慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點及加工質量要求來確定。





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