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行业知识
伺服电机转动惯量的选择
编辑:济南常铭数控设备有限公司   发布时间:2020-09-12

随着伺服电机技术的日益成熟、价格不断下降,伺服电机的应用越来越普遍。而伺服电机的选用便成了工程师们首先碰到的问题。一般来说,伺服电机的选用主要考虑以下几个要求:

(1)正常工作状态下,切削负载转矩不得超过伺服电机的额定扭矩

(2)加速时的扭矩小于伺服电机的最大扭矩

(3)电机的额定速度大于最大运行速度

(4)负载和电机的惯量匹配

(1)~(3)各种资料上介绍的很多、也很详细,对于负载和电机的惯量匹配各种资料手册上介绍的很少(尤其对于选用的原理讲的不是很清楚),本文详细讨论一下负载和电机的惯量匹配。

针对伺服电机转动惯量的选用,并不是任何的机器上都必须选用大惯量的伺服电机(有这样的误区)。伺服电机的转动惯量要和负载的转动惯量相匹配,同时考虑伺服电机的使用场合以及对伺服系统的动态性能的要求。

还要说明的一点是很多伺服电机生产厂家,比如力士乐、西门子、发格,他们的伺服电机型号中基本上不区分大惯量和小惯量,大部分伺服电机都做成小惯量的。这主要和永磁同步伺服电机的应用场合有关,永磁同步伺服电机主要应用在进给系统中,进给系统就要求转动惯量小,动态性能好,响应快。而松下伺服电机分成了大惯量和小惯量系列,给选用带来了一点迷茫。

小惯量的伺服电机的一个最明显的外形特征就是”细长”,大惯量的伺服电机的明显特征是”短粗”。

《机械设计手册》( 第三版) 上推荐的闭环惯量匹配关系, 直流电机驱动时

1 ≤JMor / J Load≤ 4 ,即电机的转动惯量大于等于负载折算到电机轴上的转动惯量,小于等于负载折算到电机轴上转动惯量的4 倍。

《机械制造技术及装备》推荐的惯量匹配为:1 ≤JMor / J Load≤ 4 ,通常要求J Mor不小于J Load,但J Mor 也不是越大越好。因J Mor 越大,总的转动惯量J 越大,加速性能受影响。为了保证足够的角加速度,以满足系统反映的灵敏度,将不得不采用转矩过大的伺服电机和它的伺服控制系统。

西门子出版的《自动化技术中的进给电气传动》中提出,按照动态性能进行选择的一种准则:负载转动惯量J Load 应当尽可能的小,它应当不超过电动机转动惯量J Mor 的2 倍:0 < J Load < (1~2) J Mor

激光切割机上要求J Mor / J Load≥ 1: 3 ,即负载的转动惯量不应超过电机的3 倍,否则机床参数无法调到最佳状态。

APEX 行星减速机样本上推荐惯量匹配符合关系J Mor / J Load ≥ 1: 4 ;最佳的惯量匹配符合J Mor ≈J Load 。

安川大功率伺服电机的允许的负载转动惯量不大于电机转动惯量的5 倍,在超过容许负载的转动惯量使用的情况下,减速时会出现过电压警报。

综合分析以上几种情况可以看出:对于动态响应比较高的系统(例如高速加工中心,激光切割机等)以及闭环系统为了缩短定位时间的情况,要求负载转动惯量J Load 不超过电动机转动惯量J Mor 的2 倍,或者是1 ≤J Mor / J Load ≤ 4 ,当然最好是J Mor ≈J Load,这样便能很好的控制启动和制动、缩短定位时间,达到很好的动态响应性。

对于一些动态响应要求不高的系统,负载的转动惯量可以是电机转动惯量5 倍或更多(甚至到20 倍、30 倍),它因伺服电机的驱动条件而异。当然了,如果负载的转动惯量超出了伺服电机允许的范围,制动时驱动器自带的再生电阻器的容量可能不够,这时要考虑使用外接再生电阻器。

其实,伺服电机的惯量匹配问题和“马拉车”的情形有点类似。一个小马拉一个大车,虽然它也能慢慢地启动起来、慢慢地停止下来,但它却无法在短时间内启动和停止,即动态响应性不好。如果一个大马拉一个小车,它便能很好的控制小车的启动和停止,即动态响应性很好。

顺便说一下,转动惯量只影响系统的动态特性,即只影响加减速过程,对匀速过程没有任何影响。

因此,伺服电机与负载惯量匹配的问题要视具体的使用场合而定,使用情况不一样,会有很大的差别。

 

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