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1、伺服系统的惯量匹配一、“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
2、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
3、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。二、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 X角加 速度e角”。加速度e影响系统的动态特性，e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e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e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
4、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”。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，电机选型时建议根据不同的 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
5、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=mp2= 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二速度变化率*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
6、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
7、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、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。
伺服系统的惯量匹配
