伺服電機(jī)是控制伺服系統(tǒng)中機(jī)械元件運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)，是輔助電機(jī)的間接變速裝置。伺服電機(jī)可以精確控制速度和位置，并將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成扭矩和轉(zhuǎn)速來(lái)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子速度由輸入信號(hào)控制，并能快速響應(yīng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、啟動(dòng)電壓低等特點(diǎn)。它可以將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移或角速度并輸出。它分為兩類(lèi)：DC伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。它的主要特點(diǎn)是信號(hào)電壓為零時(shí)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著扭矩的增加而勻速下降。

伺服機(jī)構(gòu)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，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(biāo)(或給定值)的任意變化。伺服主要靠脈沖定位。基本上可以理解為伺服電機(jī)接收到脈沖時(shí)，會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)與脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。由于伺服電機(jī)本身具有發(fā)送脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度就會(huì)發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖，與伺服電機(jī)接收到的脈沖相呼應(yīng)，或者稱(chēng)為閉環(huán)。這樣，系統(tǒng)將知道有多少脈沖被發(fā)送到伺服電機(jī)，同時(shí)又有多少脈沖被接收回來(lái)。

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

在伺服系統(tǒng)的選擇中，除了考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速外，還需要計(jì)算轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的機(jī)械系統(tǒng)的慣量，然后根據(jù)機(jī)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(jī)，調(diào)試時(shí)，正確設(shè)置慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械和伺服系統(tǒng)效率的前提。這一點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)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(jù)牛頓第二定律：“進(jìn)給系統(tǒng)所需的扭矩t=系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J TImes角加速度角”。加速度影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。越小，從控制器到系統(tǒng)執(zhí)行的時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)越慢。如果發(fā)生變化，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)忽快忽慢，影響加工精度。由于選擇電機(jī)后，大輸出T值保持不變，如果的變化預(yù)計(jì)較小，J應(yīng)盡可能小。

(2)進(jìn)給軸的總慣性“j=由電機(jī)軸轉(zhuǎn)換的伺服電機(jī)負(fù)載慣性動(dòng)量JL的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性動(dòng)量JM。負(fù)載慣性JL是由電機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)化而來(lái)的線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的慣性，如工作臺(tái)、夾具和工件、螺釘、聯(lián)軸器等。(以平面金屬切割機(jī)為例)。JM是伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性。選擇伺服電機(jī)后，該值為固定值，而JL隨工件等負(fù)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(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。系統(tǒng)慣性大，機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會(huì)降低系統(tǒng)的固有頻率，容易導(dǎo)致共振，從而限制伺服帶寬，影響伺服精度和響應(yīng)速度。適當(dāng)增加慣性，只有利于提高低速爬行。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，在不影響系統(tǒng)剛度的情況下，應(yīng)盡可能減小慣性。在測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣性越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)越好。慣性越大，電機(jī)負(fù)載越大，越難控制，但機(jī)械系統(tǒng)的慣性必須與電機(jī)的慣性相匹配。不同的機(jī)構(gòu)對(duì)于慣性匹配原理和不同的功能有不同的選擇。不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作和加工質(zhì)量要求對(duì)JL和JM的尺寸關(guān)系有不同的要求，但大多數(shù)要求JL和JM的比例小于10。總之，慣性匹配的確定需要根據(jù)機(jī)械的工藝特點(diǎn)和加工質(zhì)量的要求來(lái)確定。對(duì)于基礎(chǔ)金屬切削機(jī)床和伺服電機(jī)，建議一般負(fù)載慣量應(yīng)小于電機(jī)慣量的5倍。

慣性匹配對(duì)于電機(jī)選擇非常重要。同樣功率的電機(jī)，有的品牌有輕慣性、中慣性或大慣性。其實(shí)負(fù)載慣量好用公式計(jì)算。以前的書(shū)籍中有計(jì)算物體慣性的常用公式(參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè))。我們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)伺服電機(jī)的軸伸上加了一個(gè)大慣性盤(pán)，為測(cè)試做準(zhǔn)備。結(jié)果就是伺服電機(jī)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(jī)的軸伸和對(duì)接處加一個(gè)聯(lián)軸器，通電一個(gè)伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，另一個(gè)伺服電機(jī)作為從動(dòng)力，即作為小載荷。原伺服電機(jī)，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(jì)算的功式？

　　慣量計(jì)算都有公式，至于多重負(fù)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(zhuǎn)動(dòng)件慣量然后相加即是系統(tǒng)慣量，電機(jī)選型時(shí)建議根椐不同的電機(jī)進(jìn)行選配。 負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量肯定是要設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)計(jì)算算出來(lái)拉，如果沒(méi)有這個(gè)值，電機(jī)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(shù)之一。至于電機(jī)慣量，電機(jī)樣本手冊(cè)上都有標(biāo)注。 當(dāng)然，對(duì)某些伺服，可以通過(guò)調(diào)整伺服的過(guò)程測(cè)出負(fù)載的慣量，作為理論設(shè)計(jì)中的計(jì)算的參考。畢竟在設(shè)計(jì)階段，很多類(lèi)似摩擦系數(shù)之類(lèi)的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)猜，不可能準(zhǔn)確。 理論設(shè)計(jì)中的計(jì)算的公式：（僅供參考） 通常將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)然，理論與實(shí)際總會(huì)有偏差的，有些地區(qū)（如在歐洲），一般是采用中間值通過(guò)實(shí)際測(cè)試得到。這樣，相對(duì)我們的經(jīng)驗(yàn)公式要準(zhǔn)確一些。不過(guò)，在目前還是需要計(jì)算的，也有固定公式可以去查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的。

　　4、關(guān)于摩擦系數(shù)？

　　關(guān)于摩擦系數(shù)，一般電機(jī)選擇只是考慮一個(gè)系數(shù)加到計(jì)算過(guò)程中，在電機(jī)調(diào)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(jī)調(diào)整，有些日系通用伺服，據(jù)稱(chēng)有一個(gè)參數(shù)是用來(lái)專(zhuān)門(mén)測(cè)試的，至于是否好用，本人沒(méi)有用過(guò)，估計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)照搬國(guó)外的機(jī)器，機(jī)械部分號(hào)稱(chēng)一樣，電機(jī)功率放大了50%選型，可是電機(jī)轉(zhuǎn)不動(dòng)。因?yàn)闃訖C(jī)的機(jī)械加工、裝配的精度太差，負(fù)載慣量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，對(duì)具體工況考慮不周。 當(dāng)然，黏性阻尼和摩擦系數(shù)不是同一個(gè)問(wèn)題。 摩擦系數(shù)是不變值，這點(diǎn)可以通過(guò)電機(jī)功率給予補(bǔ)償，但黏性阻尼是變值，通過(guò)增大電機(jī)功率當(dāng)然可以緩解，但其實(shí)是不合理的。況且沒(méi)有設(shè)計(jì)依據(jù)，這個(gè)好是在機(jī)械狀態(tài)上解決，沒(méi)有好的機(jī)械狀態(tài)，伺服調(diào)整完全是一句空話。 還有，黏性阻尼跟機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(shù)也是息息相關(guān)的，正是因?yàn)榧庸に讲粔虿旁斐傻哪Σ料禂?shù)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(dǎo)致很大的差異，這些在電機(jī)選型時(shí)必須要考慮的。這樣，才會(huì)有保險(xiǎn)系數(shù)，當(dāng)然歸根結(jié)底還是電機(jī)功率的問(wèn)題。

　　5、慣量的理論計(jì)算后，微調(diào)修正的簡(jiǎn)單化

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

　　6、伺服電機(jī)選型

　　在選擇好機(jī)械傳動(dòng)方案以后，就必須對(duì)伺服電機(jī)的型號(hào)和大小進(jìn)行選擇和確認(rèn)。

　　（1）選型條件：一般情況下，選擇伺服電機(jī)需滿足下列情況：

　　1.馬達(dá)大轉(zhuǎn)速＞系統(tǒng)所需之高移動(dòng)轉(zhuǎn)速。

　　2.馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。

　　3連續(xù)負(fù)載工作扭力≤馬達(dá)額定扭力

　　4.馬達(dá)大輸出扭力＞系統(tǒng)所需大扭力（加速時(shí)扭力）

　　（2）選型計(jì)算：

　　1. 慣量匹配計(jì)算（JL/JM）

　　2. 回轉(zhuǎn)速度計(jì)算（負(fù)載端轉(zhuǎn)速，馬達(dá)端轉(zhuǎn)速） 3. 負(fù)載扭矩計(jì)算（連續(xù)負(fù)載工作扭矩，加速時(shí)扭矩。

　　伺服電機(jī)低慣量與高慣量的區(qū)別

　　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=轉(zhuǎn)動(dòng)半徑*質(zhì)量

　　低慣量就是電機(jī)做的比較扁長(zhǎng)，主軸慣量小，當(dāng)電機(jī)做頻率高的反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣量小，發(fā)熱就小。所以低慣量的電機(jī)適合高頻率的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使用。但是一般力矩相對(duì)要小些。高慣量的伺服電機(jī)就比較粗大，力矩大，適合大力矩的但不很快往復(fù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)到停止，驅(qū)動(dòng)器要產(chǎn)生很大的反向驅(qū)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(zhuǎn)動(dòng)的慣性的度量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小的物理量。它與剛體的質(zhì)量、質(zhì)量相對(duì)于轉(zhuǎn)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(jī)慣量，也是伺服電機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。它指的是伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的慣量，對(duì)于電機(jī)的加減速來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要。如果不能很好的匹配慣量，電機(jī)的動(dòng)作會(huì)很不平穩(wěn)。

　　一般來(lái)說(shuō)，小慣量的電機(jī)制動(dòng)性能好，啟動(dòng)，加速停止的反應(yīng)很快，高速往復(fù)性好，適合于一些輕負(fù)載，高速定位的場(chǎng)合，如一些直線高速定位機(jī)構(gòu)。中、大慣量的電機(jī)適用大負(fù)載、平穩(wěn)要求比較高的場(chǎng)合，如一些圓周運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和一些機(jī)床行業(yè)。

　　如果負(fù)載比較大或是加速特性比較大，而選擇了小慣量的電機(jī)，可能對(duì)電機(jī)軸損傷太大，選擇應(yīng)該根據(jù)負(fù)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(cè)上有相關(guān)的能量計(jì)算公式。

　　伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電機(jī)的響應(yīng)控制，值為負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比為一，大不可超過(guò)五倍。通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，可以使負(fù)載

　　慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比接近一或較小。當(dāng)負(fù)載慣量確實(shí)很大，機(jī)械設(shè)計(jì)不可能使負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比小于五倍時(shí)，則可使用電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量較大的電機(jī)，即所謂的大慣量電機(jī)。使用大慣量的電機(jī)，要達(dá)到一定的響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)器的容量應(yīng)要大一些。