伺服系統是機電產品中的重要環節，它能提供高水平的動態響應和扭矩密度，所以拖動系統的發展趨勢是用交流伺服驅動取替傳統的液壓、直流、步進和AC變頻調速驅動，以便使系統性能達到一個全新的水平，包括更短的周期、更高的生產率、更好的可靠性和更長的壽命。為了實現伺服電機的更好性能，就必須對伺服電機的一些使用特點有所了解，下面就跟隨華科星電氣小編一起來學(xue)習一下吧(ba)。

一、噪聲，不穩定

在一些機(ji)械上(shang)使用伺服(fu)(fu)電(dian)機(ji)時，經常會發生噪聲過大，電(dian)機(ji)帶(dai)動負載(zai)運轉(zhuan)不穩(wen)定(ding)等現象，出現此(ci)問(wen)題時，許(xu)多使用者的第一反應(ying)就是伺服(fu)(fu)電(dian)機(ji)質量不好，因為有時換成步進電(dian)機(ji)或是變頻(pin)電(dian)機(ji)來拖動負載(zai)，噪聲和不穩(wen)定(ding)現象卻反而小很多。表面上(shang)看，確實(shi)是伺服(fu)(fu)電(dian)機(ji)的原(yuan)故，但我們仔細分析伺服(fu)(fu)電(dian)機(ji)的工作原(yuan)理后(hou)，會發現這種結論是完全錯(cuo)誤的。

交流(liu)(liu)伺(si)服(fu)系(xi)統(tong)包括：伺(si)服(fu)驅動(dong)、伺(si)服(fu)電(dian)機和(he)一(yi)個反(fan)饋傳感器(qi)。所有這些部(bu)件都在一(yi)個控制(zhi)閉(bi)環系(xi)統(tong)中(zhong)運(yun)行(xing)：驅動(dong)器(qi)從外部(bu)接(jie)收參(can)數信息，然后將一(yi)定(ding)電(dian)流(liu)(liu)輸送給(gei)電(dian)機，通(tong)過(guo)電(dian)機轉換成扭矩(ju)帶(dai)動(dong)負(fu)載(zai)(zai)，負(fu)載(zai)(zai)根據它自己的特性進行(xing)動(dong)作或加減(jian)速(su)，傳感器(qi)測量負(fu)載(zai)(zai)的位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，使驅動(dong)裝置(zhi)(zhi)對(dui)設(she)定(ding)信息值(zhi)和(he)實(shi)際位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)值(zhi)進行(xing)比較，然后通(tong)過(guo)改變(bian)(bian)電(dian)機電(dian)流(liu)(liu)使實(shi)際位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)值(zhi)和(he)設(she)定(ding)信息值(zhi)保(bao)持一(yi)致，當負(fu)載(zai)(zai)突然變(bian)(bian)化(hua)引起速(su)度(du)變(bian)(bian)化(hua)時，偏碼器(qi)獲(huo)知這種速(su)度(du)變(bian)(bian)化(hua)后會馬(ma)上反(fan)應(ying)給(gei)伺(si)服(fu)驅動(dong)器(qi)，驅動(dong)器(qi)又通(tong)過(guo)改變(bian)(bian)提供給(gei)伺(si)服(fu)電(dian)機的電(dian)流(liu)(liu)值(zhi)來滿足負(fu)載(zai)(zai)的變(bian)(bian)化(hua)，并(bing)重新(xin)返回到設(she)定(ding)的速(su)度(du)。交流(liu)(liu)伺(si)服(fu)系(xi)統(tong)是一(yi)個響應(ying)非常(chang)高的全閉(bi)環系(xi)統(tong)，負(fu)載(zai)(zai)波動(dong)和(he)速(su)度(du)較正(zheng)之間的時間滯后響應(ying)是非常(chang)快的，此時，真正(zheng)限制(zhi)了系(xi)統(tong)響應(ying)效(xiao)果的是機械連接(jie)裝置(zhi)(zhi)的傳遞(di)時間。

舉(ju)一個(ge)簡單例子：有一臺機(ji)械，是用伺服電機(ji)通過V形帶傳動(dong)一個(ge)恒定速度、大慣性的負載。整個(ge)系統需要獲(huo)得恒定的速度和較快的響應特性，分析其動(dong)作過程。

當驅(qu)動器將(jiang)電(dian)(dian)流送(song)到電(dian)(dian)機時，電(dian)(dian)機立即產生(sheng)扭矩(ju)；一(yi)開始，由于(yu)V形帶(dai)會(hui)有彈(dan)性，負載(zai)不(bu)會(hui)加速(su)(su)到像電(dian)(dian)機那樣快；伺(si)服電(dian)(dian)機會(hui)比負載(zai)提(ti)前到達設定(ding)的速(su)(su)度，此時裝在電(dian)(dian)機上的偏碼器會(hui)削(xue)弱(ruo)電(dian)(dian)流，繼而削(xue)弱(ruo)扭矩(ju)；隨著V型帶(dai)張力的不(bu)斷增加會(hui)使(shi)電(dian)(dian)機速(su)(su)度變慢，此時驅(qu)動器又會(hui)去(qu)增加電(dian)(dian)流，周而復(fu)始。

在此例中(zhong)，系(xi)(xi)統是(shi)振蕩的(de)，電機(ji)(ji)扭(niu)矩(ju)(ju)是(shi)波動(dong)的(de)，負(fu)載速(su)度也隨之(zhi)波動(dong)。其結果當然會是(shi)噪音、磨(mo)損、不(bu)(bu)穩定了。不(bu)(bu)過，這(zhe)都不(bu)(bu)是(shi)由伺服電機(ji)(ji)引(yin)起的(de)，這(zhe)種(zhong)噪聲和不(bu)(bu)穩定性，是(shi)來源于機(ji)(ji)械傳(chuan)動(dong)裝(zhuang)置，是(shi)由于伺服系(xi)(xi)統反(fan)應(ying)速(su)度（高）與(yu)機(ji)(ji)械傳(chuan)遞或者(zhe)反(fan)應(ying)時(shi)間(jian)（較長(chang)）不(bu)(bu)相匹(pi)配而(er)引(yin)起的(de)，即伺服電機(ji)(ji)響應(ying)快于系(xi)(xi)統調整新的(de)扭(niu)矩(ju)(ju)所需的(de)時(shi)間(jian)。

 找(zhao)到(dao)了問題(ti)根源所在，再來解決當然就(jiu)容易多了，針對以(yi)上例子，您可以(yi)：

（1）增加機(ji)械(xie)剛性和降低系統的(de)慣性，減少機(ji)械(xie)傳動部位的(de)響應時間，如把V形帶更換成直接(jie)絲桿傳動或用齒輪箱代替V型帶；

（2）降低伺(si)(si)服系(xi)統(tong)的(de)響(xiang)應速度(du)，減少伺(si)(si)服系(xi)統(tong)的(de)控制(zhi)帶寬，如降低伺(si)(si)服系(xi)統(tong)的(de)增益參數值。

當然(ran)，以上只是噪聲、不(bu)穩(wen)定的(de)(de)(de)(de)原因(yin)之一，針對不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)原因(yin)，會(hui)有不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)解(jie)決辦法，如由機(ji)械共(gong)振引起的(de)(de)(de)(de)噪聲，在伺服(fu)方面可采取共(gong)振抑制(zhi)，低通(tong)濾(lv)波等(deng)方法，總之，噪聲和不(bu)穩(wen)定的(de)(de)(de)(de)原因(yin)，基本(ben)上都不(bu)會(hui)是由于(yu)伺服(fu)電機(ji)本(ben)身所造成。

二、慣性匹配

在(zai)伺服系(xi)統選型及調試(shi)中，常會碰到慣量問題(ti)！

具體表現為：

1、在(zai)伺服系統選(xuan)型時，除考慮電機的(de)扭矩和額定速(su)度等等因(yin)素外，我(wo)們還需要(yao)先計算得知機械(xie)系統換算到電機軸(zhou)的(de)慣量(liang)，再根據機械(xie)的(de)實(shi)際動作要(yao)求及(ji)加工(gong)件質量(liang)要(yao)求來具體選(xuan)擇具有合適慣量(liang)大(da)小的(de)電機。

2、在調試時（手動模式(shi)下），正確(que)設定(ding)慣量(liang)比參數是(shi)充分發揮(hui)機械及伺(si)服系統(tong)最(zui)佳(jia)效能(neng)的前題(ti)，此點在要求高速高精(jing)度的系統(tong)上表現由為突出（臺(tai)達伺(si)服慣量(liang)比參數為1-37，JL/JM）。這樣(yang)，就有了慣量(liang)匹配的問題(ti)！

那到底(di)什么是“慣量匹配(pei)”呢?

1、根(gen)據牛頓第二定律：“進給系(xi)統所需力矩T=系(xi)統傳動慣(guan)量J×角(jiao)加(jia)速度θ

角加(jia)速(su)度(du)θ影(ying)響系統(tong)的動態特性，θ越小(xiao)，則(ze)由控制器(qi)發(fa)出(chu)指令到(dao)系統(tong)執行完畢的時間越長，系統(tong)反應(ying)(ying)越慢。如果(guo)θ變(bian)化，則(ze)系統(tong)反應(ying)(ying)將忽快忽慢，影(ying)響加(jia)工精度(du)。由于馬達選定后最大輸(shu)出(chu)T值不(bu)變(bian)，如果(guo)希(xi)望(wang)θ的變(bian)化小(xiao)，則(ze)J應(ying)(ying)該(gai)盡量(liang)小(xiao)。

2、進給軸(zhou)(zhou)的總(zong)慣量(liang)“J=伺服電(dian)機的旋轉慣性動量(liang)JM+電(dian)機軸(zhou)(zhou)換算的負載慣性動量(liang)JL

負載慣(guan)量JL由(you)（以工(gong)(gong)具機為例）工(gong)(gong)作臺及上面裝(zhuang)的夾具和工(gong)(gong)件(jian)、螺桿、聯(lian)軸器等直線和旋轉(zhuan)(zhuan)運動件(jian)的慣(guan)量折合到(dao)馬達軸上的慣(guan)量組成。JM為伺(si)服(fu)電機轉(zhuan)(zhuan)子慣(guan)量，伺(si)服(fu)電機選定(ding)后(hou)，此(ci)值就(jiu)為定(ding)值，而(er)JL則隨(sui)工(gong)(gong)件(jian)等負載改變(bian)(bian)而(er)變(bian)(bian)化(hua)。如果希(xi)望J變(bian)(bian)化(hua)率(lv)小些，則最好使JL所(suo)占比例小些。這就(jiu)是(shi)通俗意義(yi)上的“慣(guan)量匹(pi)配”。

知道(dao)了(le)什(shen)么是(shi)慣量匹配，那慣量匹配具(ju)體有什(shen)么影響(xiang)又如何確定呢?

影響：

傳動(dong)慣量(liang)對伺(si)服(fu)系統(tong)(tong)的精度，穩定性，動(dong)態響(xiang)應(ying)(ying)(ying)都有(you)影(ying)響(xiang)，慣量(liang)大，系統(tong)(tong)的機械(xie)常數大，響(xiang)應(ying)(ying)(ying)慢(man)，會使系統(tong)(tong)的固有(you)頻率下降，容易(yi)產生諧振(zhen)，因(yin)而限制(zhi)了伺(si)服(fu)帶寬，影(ying)響(xiang)了伺(si)服(fu)精度和響(xiang)應(ying)(ying)(ying)速度，慣量(liang)的適當增(zeng)大只有(you)在改善低(di)速爬行時有(you)利(li)，因(yin)此(ci)，機械(xie)設計時在不影(ying)響(xiang)系統(tong)(tong)剛(gang)度的條件下，應(ying)(ying)(ying)盡(jin)量(liang)減小(xiao)慣量(liang)。

確定：

衡量(liang)(liang)機(ji)械系統的(de)(de)動態(tai)特性時(shi)(shi)，慣(guan)量(liang)(liang)越(yue)小(xiao)，系統的(de)(de)動態(tai)特性反應越(yue)好；慣(guan)量(liang)(liang)越(yue)大(da)，馬達的(de)(de)負載也就越(yue)大(da)，越(yue)難(nan)控(kong)制，但機(ji)械系統的(de)(de)慣(guan)量(liang)(liang)需和馬達慣(guan)量(liang)(liang)相(xiang)匹配(pei)才行。不同(tong)(tong)的(de)(de)機(ji)構，對慣(guan)量(liang)(liang)匹配(pei)原則有不同(tong)(tong)的(de)(de)選(xuan)擇，且有不同(tong)(tong)的(de)(de)作(zuo)用表現。例如，CNC中心(xin)機(ji)通過伺(si)服(fu)電機(ji)作(zuo)高速切削時(shi)(shi)，當負載慣(guan)量(liang)(liang)增加時(shi)(shi)，會發生：

（1）控制指令(ling)改變時，馬達(da)需花費較多時間才能達(da)到新指令(ling)的(de)速度要求。

（2）當機臺沿二軸執行弧(hu)式曲線(xian)快速切削時，會發(fa)生較大誤差：

①一般伺(si)服(fu)電機(ji)通(tong)常狀況下(xia)，當JL≦JM，則上(shang)面的問題不(bu)會(hui)發生(sheng)；

②當JL=3×JM，則馬達的(de)可控(kong)性會些微(wei)降低，但對(dui)平(ping)常的(de)金屬切(qie)削不(bu)會有影(ying)響（高速曲線切(qie)削一般建議JL≦JM）；

③當JL≧3×JM，馬(ma)達的可控性(xing)會明顯下降，在高速曲線(xian)切削時表現突出。

不(bu)同的(de)(de)機(ji)構動作及加工質(zhi)量要(yao)求(qiu)對JL與JM大小關(guan)系有不(bu)同的(de)(de)要(yao)求(qiu)，慣性匹配的(de)(de)確定(ding)需要(yao)根據機(ji)械的(de)(de)工藝特點(dian)及加工質(zhi)量要(yao)求(qiu)來確定(ding)。

三、伺服電機選型

在選擇好(hao)機械傳(chuan)動方案以后，就必須對伺服電機的型號和(he)大小進行選擇和(he)確認。

（1）選(xuan)型條件  —  一般情況(kuang)下，選(xuan)擇伺服電機需滿足下列情況(kuang)：

● 馬達最大轉速>系統所需之最高移動(dong)轉速；

● 馬達的轉子慣量與負載慣量相匹配；

● 連續負載(zai)工作扭力≦馬達額定扭力；

● 馬達最(zui)大(da)輸出扭力>系(xi)統所需最(zui)大(da)扭力。

（2）選型計算：

● 慣量匹配計算

● 回轉速度計算(suan)

● 負載扭矩計算(suan)

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