【儀表網 行業(yè)科普】你知道伺服電機和負載的關系嗎？它們就像是一對歡喜冤家，沒有一個好的慣量匹配規(guī)則，他們就無法達成一致，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會大打折扣，因此1:1黃金匹配規(guī)則至關重要。隨著技術的發(fā)展，一場革命悄然而至！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70年代，有刷伺服電機漸漸取代機床的液壓系統(tǒng)，設計人員根據(jù)機器預設性能參數(shù)，計算負載慣量、所需轉矩和轉速，以選擇合適的電機。為保持電機與負載慣量接近1:1 這一黃金匹配規(guī)則，常用辦法是使用大電機慣量或變速箱，減少伺服端的慣量負荷，但這無疑抬升了成本。
隨著處理器速度不斷加快，控制算法日益精密化，以往公認的電機與負載慣量匹配原則已經無法適應當前趨勢。尤其在高負載慣量、低連續(xù)轉矩要求的應用中會增加成本以及不必要的質量。在開發(fā)兼顧帶寬和伺服剛度的高性能解決方案時，電機慣量只是其中的一個考量因素。
02 技術進步帶來的新挑戰(zhàn)
隨著無刷電機技術、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)。與有刷式電機相比，采用高能磁鐵轉子的電機慣量顯著降低，有些電機雖能滿足應用的持續(xù)和峰值轉矩需求，但電機與負載間慣量不匹配程度很高。盡管伺服電機數(shù)字整定回路能通過調節(jié)增益和濾波器實現(xiàn)穩(wěn)定控制，但低處理器速度、反饋設備低分辨率等因素推動了帶附加慣量的無刷電機方案發(fā)展。
03 應對方案
處理能力的提升讓人們能夠開展復雜分析，構建精確數(shù)學模型并模擬系統(tǒng)響應。借助強大的集成伺服驅動工具，可對復雜機械系統(tǒng)交互分析，簡化伺服系統(tǒng)優(yōu)化流程。先進的分析技術還能讓機器設計師深入了解機械系統(tǒng)特性并解決性能限制問題，從而應對技術進步帶來的挑戰(zhàn)。
增加剛度與減小系統(tǒng)慣量
機械系統(tǒng)數(shù)學模型揭示，高性價比的高效系統(tǒng)打造秘訣，在于增加機械剛度和減小系統(tǒng)總慣量。直驅設計下，即使面臨超1000:1的極端慣量差異，也能確保精準帶寬掌控。高剛性系統(tǒng)中，伺服體系按需定制轉矩輸出，適配慣量需求。然直驅并非全能，柔性元素不可或缺，得益于先進的分析工具，柔性弱點一覽無余，性能短板迎刃而解。
使用波特圖
波特圖是一種強大的分析工具，通過兩張圖表展示系統(tǒng)對注入信號的頻率響應，以確定系統(tǒng)的振幅和相位滯后。具有如下功能：
● 繪圖測量
波特圖由增益和相位圖組成，在理想系統(tǒng)中，振幅圖應為 -20dB/decade的負斜率直線，相位圖應從 -90°開始，自振幅跨過0dB的點起以負斜率下降。
● 計算帶寬
利用波特圖能確定開環(huán)和閉環(huán)帶寬以及相關的增益和相位裕度，其中帶寬由開環(huán)圖中達到0dB(~11Hz)的頻率表示，相位裕度是-180度(~48度)以上的度數(shù)，增益裕度是對應-180度(~9.2db)相位的幅度測量值。
以三軸激光切割機軸為例，運用慣量匹配法則優(yōu)化電機選型，節(jié)支提效需要革新設計。探索替代電機，不僅可提升系統(tǒng)共振點，還增強增益與相位余地，穩(wěn)固運行。精密伺服電機減輕系統(tǒng)慣性，賦予大軸更強剛性，實現(xiàn)在緊湊空間中釋放高功密度。剛性加強削弱柔度，全面提升設備效能。
通過消除慣量匹配方法，可以提高機械剛度和減少慣量，從而提升性能并節(jié)省成本。
04 總結
如今，憑借先進的整定能力、高性能伺服電機設計以及高分辨率反饋裝置，現(xiàn)代伺服驅動器克服了負載和電機慣量不匹配的痼疾。在設計剛性機構時，合理確定應用容量并借鑒優(yōu)秀經驗，可實現(xiàn)帶寬更高、移動和穩(wěn)定時間更優(yōu)、動態(tài)控制性能強勁的高性能運動控制系統(tǒng)。
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