伺服電機是控制伺服系統中機械元件運行的發(fā)動(dòng)機，是輔助電機的間接變速裝置。伺服電機可以精確控制速度和位置，并將電壓信號轉換成扭矩和轉速來(lái)驅動(dòng)被控對象。伺服電機轉子速度由輸入信號控制，并能快速響應。在自動(dòng)控制系統中，它作為執行機構，具有機電時(shí)間常數小、線(xiàn)性度高、啟動(dòng)電壓低等特點(diǎn)。它可以將接收到的電信號轉換成電機軸上的角位移或角速度并輸出。它分為兩類(lèi)：DC伺服電機和交流伺服電機。它的主要特點(diǎn)是信號電壓為零時(shí)，沒(méi)有旋轉現象，轉速隨著(zhù)扭矩的增加而勻速下降。

伺服機構是一種自動(dòng)控制系統，使輸出的被控變量如物體的位置、方向、狀態(tài)等跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化。伺服主要靠脈沖定位?；旧峡梢岳斫鉃樗欧姍C接收到脈沖時(shí)，會(huì )旋轉一個(gè)與脈沖對應的角度，從而實(shí)現位移。由于伺服電機本身具有發(fā)送脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個(gè)角度就會(huì )發(fā)出相應數量的脈沖，與伺服電機接收到的脈沖相呼應，或者稱(chēng)為閉環(huán)。這樣，系統將知道有多少脈沖被發(fā)送到伺服電機，同時(shí)又有多少脈沖被接收回來(lái)。

在伺服系統的選擇和調試中，經(jīng)常會(huì )遇到慣性。其具體表現如下：

在伺服系統的選擇中，除了考慮電機的轉矩和額定轉速外，還需要計算轉換到電機軸上的機械系統的慣量，然后根據機器的實(shí)際動(dòng)作要求和工件的質(zhì)量要求選擇合適慣量的電機，調試時(shí)，正確設置慣量比參數是充分發(fā)揮機械和伺服系統效率的前提。這一點(diǎn)在要求高速高精度的系統中尤為突出，因此存在慣性匹配的問(wèn)題。

　　1、什么是“慣量匹配”？

(1)根據牛頓第二定律：“進(jìn)給系統所需的扭矩t=系統傳動(dòng)慣量J TImes角加速度角”。加速度影響系統的動(dòng)態(tài)特性。越小，從控制器到系統執行的時(shí)間越長(cháng)，系統響應越慢。如果發(fā)生變化，系統響應會(huì )忽快忽慢，影響加工精度。由于選擇電機后，大輸出T值保持不變，如果的變化預計較小，J應盡可能小。

(2)進(jìn)給軸的總慣性“j=由電機軸轉換的伺服電機負載慣性動(dòng)量JL的轉動(dòng)慣性動(dòng)量JM。負載慣性JL是由電機軸上的慣性轉化而來(lái)的線(xiàn)性和旋轉運動(dòng)部件的慣性，如工作臺、夾具和工件、螺釘、聯(lián)軸器等。(以平面金屬切割機為例)。JM是伺服電機的轉子慣性。選擇伺服電機后，該值為固定值，而JL隨工件等負載的變化而變化。如果想讓J的變化率小一點(diǎn)，不如把JL的比例做小一點(diǎn)。這就是通俗意義上的“慣性匹配”。

　　2、“慣量匹配”如何確定？

傳動(dòng)慣量影響伺服系統的精度、穩定性和動(dòng)態(tài)響應。系統慣性大，機械常數大，響應慢，會(huì )降低系統的固有頻率，容易導致共振，從而限制伺服帶寬，影響伺服精度和響應速度。適當增加慣性，只有利于提高低速爬行。因此，在機械設計中，在不影響系統剛度的情況下，應盡可能減小慣性。在測量機械系統的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣性越小，系統的動(dòng)態(tài)特性響應越好。慣性越大，電機負載越大，越難控制，但機械系統的慣性必須與電機的慣性相匹配。不同的機構對于慣性匹配原理和不同的功能有不同的選擇。不同的機構動(dòng)作和加工質(zhì)量要求對JL和JM的尺寸關(guān)系有不同的要求，但大多數要求JL和JM的比例小于10?？傊?，慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點(diǎn)和加工質(zhì)量的要求來(lái)確定。對于基礎金屬切削機床和伺服電機，建議一般負載慣量應小于電機慣量的5倍。

慣性匹配對于電機選擇非常重要。同樣功率的電機，有的品牌有輕慣性、中慣性或大慣性。其實(shí)負載慣量好用公式計算。以前的書(shū)籍中有計算物體慣性的常用公式(參考機械設計手冊)。我們做了一個(gè)實(shí)驗，在一個(gè)伺服電機的軸伸上加了一個(gè)大慣性盤(pán)，為測試做準備。結果就是伺服電機低速停不下來(lái)，搖頭擺尾，一直振蕩也停不下來(lái)。后來(lái)改為：在兩個(gè)伺服電機的軸伸和對接處加一個(gè)聯(lián)軸器，通電一個(gè)伺服電機作為驅動(dòng)力，另一個(gè)伺服電機作為從動(dòng)力，即作為小載荷。原伺服電機，搖頭擺尾，啟動(dòng)，移動(dòng)，停止，一切正常！

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　　3、慣量的理論計算的功式？

　　慣量計算都有公式，至于多重負載，比如齒輪又帶齒輪，或渦輪蝸桿傳動(dòng)，只要分別算出各轉動(dòng)件慣量然后相加即是系統慣量，電機選型時(shí)建議根椐不同的電機進(jìn)行選配。 負載的轉動(dòng)慣量肯定是要設計時(shí)通過(guò)計算算出來(lái)拉，如果沒(méi)有這個(gè)值，電機選型肯定是不那么合理的，或者肯定會(huì )有問(wèn)題的，這是選伺服的重要的幾個(gè)參數之一。至于電機慣量，電機樣本手冊上都有標注。 當然，對某些伺服，可以通過(guò)調整伺服的過(guò)程測出負載的慣量，作為理論設計中的計算的參考。畢竟在設計階段，很多類(lèi)似摩擦系數之類(lèi)的參數只能根據經(jīng)驗來(lái)猜，不可能準確。 理論設計中的計算的公式：（僅供參考） 通常將轉動(dòng)慣量J用飛輪矩GD2來(lái)表示，它們之間的關(guān)系為

　　J=mp^2= GD^2/4g

　　式中

　　m與G－轉動(dòng)部分的質(zhì)量（kg）與重量（N）；

　　D－慣性半徑與直徑（m）；

　　g=9.81m/s2 －重力加速度 飛輪慣量=速度變化率*飛輪距/375

　　當然，理論與實(shí)際總會(huì )有偏差的，有些地區（如在歐洲），一般是采用中間值通過(guò)實(shí)際測試得到。這樣，相對我們的經(jīng)驗公式要準確一些。不過(guò)，在目前還是需要計算的，也有固定公式可以去查機械設計手冊的。

　　4、關(guān)于摩擦系數？

　　關(guān)于摩擦系數，一般電機選擇只是考慮一個(gè)系數加到計算過(guò)程中，在電機調整時(shí)通常都不會(huì )考慮。不過(guò)，如果這個(gè)因素很大，或者講，足以影響電機調整，有些日系通用伺服，據稱(chēng)有一個(gè)參數是用來(lái)專(zhuān)門(mén)測試的，至于是否好用，本人沒(méi)有用過(guò)，估計應該是好用的。 有網(wǎng)友發(fā)貼說(shuō)，曾有人發(fā)生過(guò)這樣的情況：設計時(shí)照搬國外的機器，機械部分號稱(chēng)一樣，電機功率放大了50%選型，可是電機轉不動(dòng)。因為樣機的機械加工、裝配的精度太差，負載慣量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，對具體工況考慮不周。 當然，黏性阻尼和摩擦系數不是同一個(gè)問(wèn)題。 摩擦系數是不變值，這點(diǎn)可以通過(guò)電機功率給予補償，但黏性阻尼是變值，通過(guò)增大電機功率當然可以緩解，但其實(shí)是不合理的。況且沒(méi)有設計依據，這個(gè)好是在機械狀態(tài)上解決，沒(méi)有好的機械狀態(tài)，伺服調整完全是一句空話(huà)。 還有，黏性阻尼跟機械結構設計、加工、裝配等相關(guān)，這些在選型時(shí)是必須考慮的。而且跟摩擦系數也是息息相關(guān)的，正是因為加工水平不夠才造成的摩擦系數不定，不同點(diǎn)相差較大，甚至技術(shù)工人裝配水平的差異也會(huì )導致很大的差異，這些在電機選型時(shí)必須要考慮的。這樣，才會(huì )有保險系數，當然歸根結底還是電機功率的問(wèn)題。

　　5、慣量的理論計算后，微調修正的簡(jiǎn)單化

　　可能有些朋友覺(jué)的：太復雜了！ 實(shí)際情況是，某品牌的產(chǎn)品各種各樣的參數已經(jīng)確定，在滿(mǎn)足功率，轉矩，轉速的條件下，產(chǎn)品型號已經(jīng)確定，如果慣量仍然不能滿(mǎn)足，能否將功率提高一檔來(lái)滿(mǎn)足慣量的要求？ 答案是：功率提高可以帶動(dòng)加速度提高的話(huà)，應是可以的。

　　6、伺服電機選型

　　在選擇好機械傳動(dòng)方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小進(jìn)行選擇和確認。

　?。?）選型條件：一般情況下，選擇伺服電機需滿(mǎn)足下列情況：

　　1.馬達大轉速＞系統所需之高移動(dòng)轉速。

　　2.馬達的轉子慣量與負載慣量相匹配。

　　3連續負載工作扭力≤馬達額定扭力

　　4.馬達大輸出扭力＞系統所需大扭力（加速時(shí)扭力）

　?。?）選型計算：

　　1. 慣量匹配計算（JL/JM）

　　2. 回轉速度計算（負載端轉速，馬達端轉速） 3. 負載扭矩計算（連續負載工作扭矩，加速時(shí)扭矩。

　　伺服電機低慣量與高慣量的區別

　　轉動(dòng)慣量=轉動(dòng)半徑*質(zhì)量

　　低慣量就是電機做的比較扁長(cháng)，主軸慣量小，當電機做頻率高的反復運動(dòng)時(shí)，慣量小，發(fā)熱就小。所以低慣量的電機適合高頻率的往復運動(dòng)使用。但是一般力矩相對要小些。高慣量的伺服電機就比較粗大，力矩大，適合大力矩的但不很快往復運動(dòng)的場(chǎng)合。因為高速運動(dòng)到停止，驅動(dòng)器要產(chǎn)生很大的反向驅動(dòng)電壓來(lái)停止這個(gè)大慣量，發(fā)熱就很大了。

　　慣量就是剛體繞軸轉動(dòng)的慣性的度量，轉動(dòng)慣量是表征剛體轉動(dòng)慣性大小的物理量。它與剛體的質(zhì)量、質(zhì)量相對于轉軸的分布有關(guān)。（剛體是指 理想狀態(tài)下的不會(huì )有任何變化的物體），選擇的時(shí)候遇到電機慣量，也是伺服電機的一項重要指標。它指的是伺服電機轉子本身的慣量，對于電機的加減速來(lái)說(shuō)相當重要。如果不能很好的匹配慣量，電機的動(dòng)作會(huì )很不平穩。

　　一般來(lái)說(shuō)，小慣量的電機制動(dòng)性能好，啟動(dòng)，加速停止的反應很快，高速往復性好，適合于一些輕負載，高速定位的場(chǎng)合，如一些直線(xiàn)高速定位機構。中、大慣量的電機適用大負載、平穩要求比較高的場(chǎng)合，如一些圓周運動(dòng)機構和一些機床行業(yè)。

　　如果負載比較大或是加速特性比較大，而選擇了小慣量的電機，可能對電機軸損傷太大，選擇應該根據負載的大小，加速度的大小，等等因素來(lái)選擇，一般的選型手冊上有相關(guān)的能量計算公式。

　　伺服電機驅動(dòng)器對伺服電機的響應控制，值為負載慣量與電機轉子慣量之比為一，大不可超過(guò)五倍。通過(guò)機械傳動(dòng)裝置的設計，可以使負載

　　慣量與電機轉子慣量之比接近一或較小。當負載慣量確實(shí)很大，機械設計不可能使負載慣量與電機轉子慣量之比小于五倍時(shí)，則可使用電機轉子慣量較大的電機，即所謂的大慣量電機。使用大慣量的電機，要達到一定的響應，驅動(dòng)器的容量應要大一些。