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伺服電機的慣性產生的因素

文章出處:行業資訊 責任編輯:勢維科技(東莞)有限公司 發表時間:2020-03-18
  

在機電系統中,電機和負載都有慣性,它們的慣性有多相似(或不同)會影響系統的性能。負載慣量與電機慣量之比是伺服電機選型的重要方面之一。

伺服電機慣量由制造商給出,而負載慣量是通過添加所有旋轉部件的慣量來計算的,這些轉動部件通常包括執行器或驅動器(皮帶、滾珠絲杠、齒輪架和小齒輪)、外部負載和聯軸節。

為了使伺服電機在加減速過程中有效地控制負載,理論上電機和負載慣量應相等。但是,1:1的慣性匹配很少實用或實現。許多因素會影響給定應用程序可接受的慣性比,但最重要的因素之一是系統中的遵從性或結束。機械部件不是完全剛性的,傳動系中的皮帶、聯軸節和齒輪箱部件越多,系統就越符合要求。一般來說,柔度越高,轉動慣量比越小,電機應能有效地控制負載。

雖然沒有確定最佳慣量比的公式,但一些電機尺寸指南規定慣量比應為10:1或更低。較高的失配會導致電機消耗比需要更多的電流,從而降低效率并增加運行成本。較高的比率也會增加共振,并可能導致系統超調所需的速度和位置,對性能產生負面影響。

如果慣性比太高,有兩種方法可以降低它:給系統增加一個齒輪箱,或者使用一個更大的電機。齒輪箱經常用于皮帶傳動系統,以優化電機轉速和扭矩。但是,由于齒輪比對負載的慣性有平方反比的影響,它們也可以顯著降低系統的慣性比。

降低慣性比的第二種方法是使用具有更大慣性的大電機。然而,從長遠來看,這很少是一個有益的解決方案,因為更大的電機成本更高,需要更多的扭矩來克服自身的慣性,消耗更多的能量,從而增加了系統的總擁有成本。

一個結構的剛度(k)是指彈性體抵抗變形拉伸的能力。k=P/δ,P是作用于結構的恒力,δ是由于力而產生的形變。

轉動結構的轉動剛度(k)為:k=M/θ 其中,M為施加的力矩,θ為旋轉角度。

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節電機的剛性。

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

在伺服系統位置模式下,施加力讓電機偏轉,如果用力較大且偏轉角度較小,那么就認為伺服系統剛性強,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,位置環和時間積分常數組合成的一個參數,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整。國產的一些伺服,只能夠手工調整。

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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,轉動慣量是物體繞軸轉動慣性的度量。轉動慣量只跟轉動半徑和物體質量有關。一般負載慣量超過電機轉子慣量的10倍,可以認為慣量較大。

導軌和絲杠的轉動慣量對伺服電機傳動系統的剛性影響很大,固定增益下,轉動慣量越大,剛性越大,越易引起電機抖動;轉動慣量越小,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選型時,除考慮電機的扭矩和額定速度等等參數外,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。

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提。

那到底什么是“慣量匹配”呢?

其實也不難理解,根據牛二定律:

進給系統所需力矩=系統轉動慣量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。

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,系統轉動慣量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”。

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、平穩要求比較高的場合,如一些圓周運動機構和一些機床行業。

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