什么是“惯量匹配”,三菱伺服电机惯性发生原因

2021-1-6 10:18 1176 17

什么是“惯量匹配”,与伺服电机有什么关系?

三菱伺服电动机惯性发生的主要原因是什么? 三菱伺服电机的惯性因素是电机和负载都有惯性化,但这也有差异,如何区别? 它存在什么样的因素,下面小编分享三菱伺服马达惯性发生的因素是什么样的。

在机电系统中,电机和负载是惯性的,的惯性相似(或不同),影响系统的性能。 负载惯性与电机惯性的关系是伺服电机选型的重要方面之一。 伺服电机的惯性由制造商给出,负载惯性是通过增加所有旋转部件的惯性来计算的,这些旋转部件通常包括执行器或执行器(皮带,滚珠丝杠,齿条和销),外部负载和联轴器。

为了使伺服电机在加减速过程中有效地控制负载,理论上电机与负载惯性必须相等。 但1:1惯性匹配很少使用或实现。 许多因素会影响给定应用程序可接受的惯性比,但最重要的因素之一是系统的遵从性或终结性。 机械部件不是完全刚性的,动力总成中的皮带,联轴器和齿轮箱部件越多,系统就越能满足要求。 一般来说,柔性越大,惯性比越小;电机应能有效地控制负载。

虽然没有确定惯性比公式,但一些电机尺寸指南规定惯性比为10:1或更小。 当失配变大时,电机消耗的电流比需要的多,导致效率下降和运行成本增加。 较高的比率可能导致更大的共振,使系统超调到所需的速度和位置,并对性能产生不利影响。

如果惯性比过高,则可以通过两种方法来降低惯性比:向系统中添加齿轮箱或使用较大的电动机。 齿轮箱常用于皮带传动系统,以优化电机转速和扭矩。 然而,传动比与负载的惯性成反比,因此系统的惯性比可以大大降低。

降低惯性比的第二种方法是使用具有更大惯性的大电机。然而,从长远来看,这很少是一个有益的解决方案,因为更大的电机成本更高,需要更多的扭矩来克服自身的惯性,消耗更多的能量,从而增加了系统的总拥有成本。一个结构的刚度(k)是指弹性体抵抗变形拉伸的能力。k=P/δ,P是作用于结构的恒力,δ是由于力而产生的形变。转动结构的转动刚度(k)为:k=M/θ 其中,M为施加的力矩,θ为旋转角度。

举个例子,我们知道钢管比较坚硬,一般受外力形变小,而橡皮筋比较软,受到同等力产生的形变就比较大,那我们就说钢管的刚性强,橡皮筋的刚性弱,或者说其柔性强。在伺服电机的应用中,用联轴器来连接电机和负载,就是典型的刚性连接;而用同步带或者皮带来连接电机和负载,就是典型的柔性连接。

电机刚性就是电机轴抗外界力矩干扰的能力,而我们可以在伺服控制器调节电机的刚性。

伺服电机的机械刚度跟它的响应速度有关,一般刚性越高其响应速度也越高,但是调太高的话,很容易让电机产生机械共振,所以,在一般的伺服放大器参数里面都有手动调整响应频率的选项,要根据机械的共振点来调整,需要时间和经验(其实就是调增益参数)。在伺服系统位置模式下,施加力让电机偏转,如果用力较大且偏转角度较小,那么就认为伺服系统刚性强,反之则认为伺服刚性弱。注意这里我说的刚性,其实更接近响应速度这个概念。从控制器角度看的话,刚性其实是速度环,位置环和时间积分常数组合成的一个参数,它的大小决定机械的一个响应速度。

像松下和三菱伺服都有自动增益功能。通常不需要特别去调整。国产的一些伺服,只能够手工调整。其实如果你不要求定位快,只要准,在阻力不大的时候,刚性低,也可以做到定位准,只不过定位时间长。因为刚性低的话定位慢,在要求响应快,定位时间短的情况下,就会有定位不准的错觉。而惯量描述的是物体运动的惯性,转动惯量是物体绕轴转动惯性的度量。转动惯量只跟转动半径和物体质量有关。一般负载惯量超过电机转子惯量的10倍,可以认为惯量较大。导轨和丝杠的转动惯量对伺服电机传动系统的刚性影响很大,固定增益下,转动惯量越大,刚性越大,越易引起电机抖动;转动惯量越小,刚性越小,电机越不易抖动。可通过更换较小直径的导轨和丝杆减小转动惯量从而减小负载惯量来达到电机不抖动。

我们知道通常在伺服系统选型时,除考虑电机的扭矩和额定速度等等参数外,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(手动模式下),正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统效能的前提。


那到底什么是“惯量匹配”呢?

其实也不难理解,根据牛二定律:

“进给系统所需力矩= 系统转动惯量J × 角加速度θ

角加速度θ影响系统的动态特性,θ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θ变化,则系统反应将忽快忽慢,影响加工精度。

伺服电机选定后输出值不变,如果希望θ的变化小,则J就应该尽量小。 而上面的,系统转动惯量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,则使JL所占比例小些。

这就是通俗意义上的“惯量匹配”。一般来说,小惯量的电机制动性能好,启动,加速停止的反应很快,高速往复性好,适合于一些轻负载,高速定位的场合。中、大惯量的电机适用大负载、平稳要求比较高的场合,如一些圆周运动机构和一些机床行业.。

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