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伺服电机选型时,为什么要惯量匹配?

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伺服电机选型时,为什么要惯量匹配?

发布日期:2019-12-02 作者: 点击:

作所谓“惯量匹配”,是指为了在伺服控制律层面更好地控制电机(尤其是外部负载会发生变化的场合),要求外部负载折算到电机轴的惯量JL与电机转子的惯量JM比值小于一个经验阈值。很明显地,从电机输出扭矩的角度来说,外部负载惯量(考虑到减速比,折算到电机轴)、电机转子惯量还有抱闸惯量都属于扭矩需要带动的负载,那么同样都属于负载,为什么需要对外部负载与电机转子的负载惯量比JL/JM作为要求呢?


在百度文库“伺服电机惯量问题”一文中,有这样一句话:“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则可能随工件等负载而变化。如果希望总惯量J变化率小些,则最好使JL所占比例小些。”这句话只是给出了一个结论性的东西,至于个中原因,需要进一步挖掘。


再来看另一篇文章“应用人员与伺服产品之优秀功能的笑与泪”,有这样一句话:“自整定是伺服驱动器对负载惯量进行了解,然后存入伺服驱动器,调试者只要调整速度环和位置环参数就可以了”。从这句话可以看出现行大多数伺服驱动器大致的参数整定原理:驱动器需要知道负载惯量比(外部等效负载惯量/电机转子惯量),接着根据这个比值载入出厂预设的电流环全部参数、速度环和位置环的部分参数,然后调试者调整速度环和位置环的相关参数(一般是PI参数)。由上分析可以看出,负载惯量比对伺服驱动器的参数整定是一个很重要的参数。


我们再来看第三篇文章“伺服系统惯量辨识及谐振抑制方法研究_李杰硕士论文”,有一段叙述(为保持行文风格一致,对原文做了适当改写):“在实际工程应用中,人们还常常通过调节伺服系统机械结构参数来避免或削弱谐振现象。减小负载惯量比,则传动柔性对系统的影响越小。通过实验给出了相同外部负载惯量条件下,选择不同电机惯量对伺服系统谐振方程的开环Bode图的影响,可以看出增加电机转动惯量可以明显降低谐振点谐振幅值,提高伺服系统稳定性。但增大电机惯量通常意味着选用更大型号的电机和驱动器,该方法常常带来工程成本的增加。”这篇文章通过实验的形式也给出了一个结论,那怎么样来解释其中的原因呢?


综合第一和第三篇文章,结合自己的理解,尝试着从伺服控制律的层面来解释。我们知道PID三环控制在参数整定时,往往是凭经验,而且永远没有最优参数组合。这说明,一组合适的PID参数对机械结构参数在一定范围内变化具备鲁棒性,或者说具有一定的稳定裕度。那外部负载JL在总惯量J中的占比越小或者说外部等效负载惯量/电机转子惯量的值越小,相应的的一组合适的PID参数的适应范围就越大。反过来说,外部负载JL在总惯量J中的占比越大或者说外部等效负载惯量/电机转子惯量的值越大,相应的一组合适的PID参数越靠近适应范围的边缘。


我把这个称为“边缘效应”。那进一步深挖,电机转子的惯量跟这个PID参数是怎么发生联系的呢?我们知道,直观上来讲,电机转子惯量越小,电机越细长;惯量越大,电机越扁粗。在额定功率相同、极对数相同、转子惯量不同的电机在输出相同力矩的情况下,转子惯量大的电机,绕组电流越小(由简单的理论力学和电磁学知识即可理解)。然后,在结合第二篇文章,电流环参数在三环参数里面影响是占主导位置的。绕组电流的减小,减弱了电流环对整个三环的影响。那么,现在应该明白“惯量匹配”是怎么回事了吧?


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关键词:伺服电机选型,高惯量伺服电机,低惯量伺服电机

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