慣量匹配的前世今生：伺服系統(tǒng)效能躍遷背后的秘密

　　【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】你知道伺服電機(jī)和負(fù)載的關(guān)系嗎？它們就像是一對(duì)歡喜冤家，沒有一個(gè)好的慣量匹配規(guī)則，他們就無(wú)法達(dá)成一致，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)大打折扣，因此1:1黃金匹配規(guī)則至關(guān)重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，一場(chǎng)革命悄然而至！傳統(tǒng)的慣量匹配規(guī)則被顛覆，新的解決方案讓系統(tǒng)的效率和成本效益都得到了大幅提升。
 

　　01  規(guī)則的起源
 

　　在20世紀(jì)70年代，有刷伺服電機(jī)漸漸取代機(jī)床的液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)機(jī)器預(yù)設(shè)性能參數(shù)，計(jì)算負(fù)載慣量、所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以選擇合適的電機(jī)。為保持電機(jī)與負(fù)載慣量接近1:1 這一黃金匹配規(guī)則，常用辦法是使用大電機(jī)慣量或變速箱，減少伺服端的慣量負(fù)荷，但這無(wú)疑抬升了成本。
 

　　隨著處理器速度不斷加快，控制算法日益精密化，以往公認(rèn)的電機(jī)與負(fù)載慣量匹配原則已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前趨勢(shì)。尤其在高負(fù)載慣量、低連續(xù)轉(zhuǎn)矩要求的應(yīng)用中會(huì)增加成本以及不必要的質(zhì)量。在開發(fā)兼顧帶寬和伺服剛度的高性能解決方案時(shí)，電機(jī)慣量只是其中的一個(gè)考量因素。
 

　　02  技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的新挑戰(zhàn)
 

　　隨著無(wú)刷電機(jī)技術(shù)、高能永磁體和數(shù)字整定回路的出現(xiàn)，慣量匹配面臨新挑戰(zhàn)。與有刷式電機(jī)相比，采用高能磁鐵轉(zhuǎn)子的電機(jī)慣量顯著降低，有些電機(jī)雖能滿足應(yīng)用的持續(xù)和峰值轉(zhuǎn)矩需求，但電機(jī)與負(fù)載間慣量不匹配程度很高。盡管伺服電機(jī)數(shù)字整定回路能通過(guò)調(diào)節(jié)增益和濾波器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，但低處理器速度、反饋設(shè)備低分辨率等因素推動(dòng)了帶附加慣量的無(wú)刷電機(jī)方案發(fā)展。
 

　　03  應(yīng)對(duì)方案
 

　　處理能力的提升讓人們能夠開展復(fù)雜分析，構(gòu)建精確數(shù)學(xué)模型并模擬系統(tǒng)響應(yīng)。借助強(qiáng)大的集成伺服驅(qū)動(dòng)工具，可對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)交互分析，簡(jiǎn)化伺服系統(tǒng)優(yōu)化流程。先進(jìn)的分析技術(shù)還能讓機(jī)器設(shè)計(jì)師深入了解機(jī)械系統(tǒng)特性并解決性能限制問題，從而應(yīng)對(duì)技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
 

　　增加剛度與減小系統(tǒng)慣量
 

　　機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型揭示，高性價(jià)比的高效系統(tǒng)打造秘訣，在于增加機(jī)械剛度和減小系統(tǒng)總慣量。直驅(qū)設(shè)計(jì)下，即使面臨超1000:1的極端慣量差異，也能確保精準(zhǔn)帶寬掌控。高剛性系統(tǒng)中，伺服體系按需定制轉(zhuǎn)矩輸出，適配慣量需求。然直驅(qū)并非全能，柔性元素不可或缺，得益于先進(jìn)的分析工具，柔性弱點(diǎn)一覽無(wú)余，性能短板迎刃而解。
 

　　使用波特圖
 

　　波特圖是一種強(qiáng)大的分析工具，通過(guò)兩張圖表展示系統(tǒng)對(duì)注入信號(hào)的頻率響應(yīng)，以確定系統(tǒng)的振幅和相位滯后。具有如下功能：
 

　　● 繪圖測(cè)量
 

　　波特圖由增益和相位圖組成，在理想系統(tǒng)中，振幅圖應(yīng)為 -20dB/decade的負(fù)斜率直線，相位圖應(yīng)從 -90°開始，自振幅跨過(guò)0dB的點(diǎn)起以負(fù)斜率下降。
 

● 計(jì)算帶寬
 

　　利用波特圖能確定開環(huán)和閉環(huán)帶寬以及相關(guān)的增益和相位裕度，其中帶寬由開環(huán)圖中達(dá)到0dB(~11Hz)的頻率表示，相位裕度是-180度(~48度)以上的度數(shù)，增益裕度是對(duì)應(yīng)-180度(~9.2db)相位的幅度測(cè)量值。
 

　　以三軸激光切割機(jī)軸為例，運(yùn)用慣量匹配法則優(yōu)化電機(jī)選型，節(jié)支提效需要革新設(shè)計(jì)。探索替代電機(jī)，不僅可提升系統(tǒng)共振點(diǎn)，還增強(qiáng)增益與相位余地，穩(wěn)固運(yùn)行。精密伺服電機(jī)減輕系統(tǒng)慣性，賦予大軸更強(qiáng)剛性，實(shí)現(xiàn)在緊湊空間中釋放高功密度。剛性加強(qiáng)削弱柔度，全面提升設(shè)備效能。
 

通過(guò)消除慣量匹配方法，可以提高機(jī)械剛度和減少慣量，從而提升性能并節(jié)省成本。
 

04  總結(jié)
 

　　如今，憑借先進(jìn)的整定能力、高性能伺服電機(jī)設(shè)計(jì)以及高分辨率反饋裝置，現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)器克服了負(fù)載和電機(jī)慣量不匹配的痼疾。在設(shè)計(jì)剛性機(jī)構(gòu)時(shí)，合理確定應(yīng)用容量并借鑒優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)帶寬更高、移動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間更優(yōu)、動(dòng)態(tài)控制性能強(qiáng)勁的高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。