惯量匹配的前世今生：伺服系统效能跃迁背后的秘密
- 2024/11/9 10:49:48 7740
- 来源：控制工程网
【仪表网 行业科普】你知道伺服电机和负载的关系吗？它们就像是一对欢喜冤家，没有一个好的惯量匹配规则，他们就无法达成一致，整个系统的稳定性就会大打折扣，因此1:1黄金匹配规则至关重要。随着技术的发展，一场革命悄然而至！传统的惯量匹配规则被颠覆，新的解决方案让系统的效率和成本效益都得到了大幅提升。
01 规则的起源
在20世纪70年代，有刷伺服电机渐渐取代机床的液压系统，设计人员根据机器预设性能参数，计算负载惯量、所需转矩和转速，以选择合适的电机。为保持电机与负载惯量接近1:1 这一黄金匹配规则，常用办法是使用大电机惯量或变速箱，减少伺服端的惯量负荷，但这无疑抬升了成本。
随着处理器速度不断加快，控制算法日益精密化，以往公认的电机与负载惯量匹配原则已经无法适应当前趋势。尤其在高负载惯量、低连续转矩要求的应用中会增加成本以及不必要的质量。在开发兼顾带宽和伺服刚度的高性能解决方案时，电机惯量只是其中的一个考量因素。
02 技术进步带来的新挑战
随着无刷电机技术、高能永磁体和数字整定回路的出现，惯量匹配面临新挑战。与有刷式电机相比，采用高能磁铁转子的电机惯量显著降低，有些电机虽能满足应用的持续和峰值转矩需求，但电机与负载间惯量不匹配程度很高。尽管伺服电机数字整定回路能通过调节增益和滤波器实现稳定控制，但低处理器速度、反馈设备低分辨率等因素推动了带附加惯量的无刷电机方案发展。
03 应对方案
处理能力的提升让人们能够开展复杂分析，构建精确数学模型并模拟系统响应。借助强大的集成伺服驱动工具，可对复杂机械系统交互分析，简化伺服系统优化流程。先进的分析技术还能让机器设计师深入了解机械系统特性并解决性能限制问题，从而应对技术进步带来的挑战。
增加刚度与减小系统惯量
机械系统数学模型揭示，高性价比的高效系统打造秘诀，在于增加机械刚度和减小系统总惯量。直驱设计下，即使面临超1000:1的极端惯量差异，也能确保精准带宽掌控。高刚性系统中，伺服体系按需定制转矩输出，适配惯量需求。然直驱并非全能，柔性元素不可或缺，得益于先进的分析工具，柔性弱点一览无余，性能短板迎刃而解。
使用波特图
波特图是一种强大的分析工具，通过两张图表展示系统对注入信号的频率响应，以确定系统的振幅和相位滞后。具有如下功能：
● 绘图测量
波特图由增益和相位图组成，在理想系统中，振幅图应为 -20dB/decade的负斜率直线，相位图应从 -90°开始，自振幅跨过0dB的点起以负斜率下降。
● 计算带宽
利用波特图能确定开环和闭环带宽以及相关的增益和相位裕度，其中带宽由开环图中达到0dB(~11Hz)的频率表示，相位裕度是-180度(~48度)以上的度数，增益裕度是对应-180度(~9.2db)相位的幅度测量值。
以三轴激光切割机轴为例，运用惯量匹配法则优化电机选型，节支提效需要革新设计。探索替代电机，不仅可提升系统共振点，还增强增益与相位余地，稳固运行。精密伺服电机减轻系统惯性，赋予大轴更强刚性，实现在紧凑空间中释放高功密度。刚性加强削弱柔度，全面提升设备效能。
通过消除惯量匹配方法，可以提高机械刚度和减少惯量，从而提升性能并节省成本。
04 总结
如今，凭借先进的整定能力、高性能伺服电机设计以及高分辨率反馈装置，现代伺服驱动器克服了负载和电机惯量不匹配的痼疾。在设计刚性机构时，合理确定应用容量并借鉴优秀经验，可实现带宽更高、移动和稳定时间更优、动态控制性能强劲的高性能运动控制系统。
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