這三個問題,在用伺服電機的時候你一定會碰到

問題一、伺服電機選型

在選(xuan)擇(ze)好機械傳動方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小(xiao)進行選(xuan)擇(ze)和確認。

（1）選型條(tiao)件(jian) — 一般情況下，選擇伺服(fu)電機需滿足下列(lie)情況：

● 馬達(da)最大轉速(su)>系統所(suo)需之最高移動轉速(su)；

● 馬(ma)達的轉子慣(guan)量與負載(zai)慣(guan)量相(xiang)匹(pi)配；

● 連續負載工作(zuo)扭(niu)力(li)≦馬達額定(ding)扭(niu)力(li)；

● 馬達最大輸(shu)出扭力(li)>系統所需最大扭力(li)（加速時扭力(li)）。

（2）選型計(ji)算：

● 慣量匹配計(ji)算(suan)（JL/JM）

● 回轉(zhuan)速度(du)計算（負載端(duan)轉(zhuan)速，馬達端(duan)轉(zhuan)速）

● 負載扭(niu)矩(ju)計算（連(lian)續負載工作扭(niu)矩(ju)，加速時扭(niu)矩(ju)）

問題二(er)：慣性匹配

在(zai)伺服(fu)系(xi)統選型及調(diao)試中(zhong)，常會碰到慣(guan)量問題！

具體表現為(wei)：

1、在伺服系統選(xuan)型(xing)時，除(chu)考慮電(dian)機(ji)的扭矩和額定速度(du)等等因素外，我們(men)還需要(yao)先(xian)計算得知機(ji)械系統換算到(dao)電(dian)機(ji)軸的慣(guan)量(liang)，再(zai)根(gen)據機(ji)械的實際動作要(yao)求及加工件質(zhi)量(liang)要(yao)求來具體(ti)選(xuan)擇(ze)具有合適慣(guan)量(liang)大小的電(dian)機(ji)。

2、在調試時（手動模式(shi)下），正(zheng)確設(she)定慣量比參數(shu)是(shi)充分發揮機(ji)械及(ji)伺服(fu)系統(tong)最佳效(xiao)能的前(qian)題(ti)，此(ci)點(dian)在要求高速高精度的系統(tong)上表(biao)現由為突出（臺(tai)達伺服(fu)慣量比參數(shu)為1-37，JL/JM）。這樣，就有了慣量匹配(pei)的問題(ti)！

那到底什(shen)么是“慣量匹配”呢?

1、根據牛(niu)頓第二定律：“進給系(xi)統所需力矩(ju)T=系(xi)統傳動慣量J×角加速度θ

角加速度θ影(ying)(ying)響系(xi)(xi)統(tong)的(de)動態(tai)特(te)性，θ越(yue)小，則(ze)由控制器發出(chu)指令(ling)到(dao)系(xi)(xi)統(tong)執行完畢的(de)時間越(yue)長，系(xi)(xi)統(tong)反應(ying)越(yue)慢。如果θ變化，則(ze)系(xi)(xi)統(tong)反應(ying)將(jiang)忽快(kuai)忽慢，影(ying)(ying)響加工精(jing)度。由于馬達選定后最大(da)輸出(chu)T值不變，如果希望θ的(de)變化小，則(ze)J應(ying)該盡量(liang)小。

2、進給軸(zhou)的總慣(guan)(guan)量(liang)“J=伺服電機(ji)的旋轉慣(guan)(guan)性動量(liang)JM+電機(ji)軸(zhou)換算的負載慣(guan)(guan)性動量(liang)JL

負(fu)載慣(guan)(guan)量(liang)(liang)(liang)JL由（以工(gong)具機為例(li)）工(gong)作臺及上(shang)面(mian)裝(zhuang)的(de)(de)夾具和工(gong)件、螺桿、聯軸(zhou)器(qi)等(deng)直線和旋轉運動件的(de)(de)慣(guan)(guan)量(liang)(liang)(liang)折合到馬(ma)達軸(zhou)上(shang)的(de)(de)慣(guan)(guan)量(liang)(liang)(liang)組成(cheng)。JM為伺服電機轉子慣(guan)(guan)量(liang)(liang)(liang)，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工(gong)件等(deng)負(fu)載改變(bian)(bian)而變(bian)(bian)化。如(ru)果希(xi)望(wang)J變(bian)(bian)化率小(xiao)(xiao)些(xie)，則最好使JL所(suo)占比例(li)小(xiao)(xiao)些(xie)。這(zhe)就是通(tong)俗(su)意義(yi)上(shang)的(de)(de)“慣(guan)(guan)量(liang)(liang)(liang)匹配”。

知道了什么是慣量(liang)匹配(pei)(pei)，那慣量(liang)匹配(pei)(pei)具體有(you)什么影響又如何(he)確定呢?

影響：

傳動慣量(liang)(liang)對伺(si)服(fu)系(xi)統的(de)(de)精(jing)度(du)(du)，穩定性，動態響(xiang)應(ying)都有(you)(you)影(ying)響(xiang)，慣量(liang)(liang)大(da)(da)，系(xi)統的(de)(de)機械常(chang)數大(da)(da)，響(xiang)應(ying)慢，會(hui)使系(xi)統的(de)(de)固有(you)(you)頻率(lv)下降，容易產(chan)生諧(xie)振，因而限(xian)制(zhi)了伺(si)服(fu)帶(dai)寬(kuan)，影(ying)響(xiang)了伺(si)服(fu)精(jing)度(du)(du)和響(xiang)應(ying)速度(du)(du)，慣量(liang)(liang)的(de)(de)適當增大(da)(da)只有(you)(you)在改(gai)善低(di)速爬行時有(you)(you)利，因此，機械設計時在不(bu)影(ying)響(xiang)系(xi)統剛度(du)(du)的(de)(de)條件下，應(ying)盡量(liang)(liang)減小(xiao)慣量(liang)(liang)。

確定：

衡(heng)量(liang)機(ji)(ji)械系(xi)統(tong)的(de)動(dong)態特性時，慣量(liang)越小，系(xi)統(tong)的(de)動(dong)態特性反應越好；慣量(liang)越大，馬(ma)達的(de)負(fu)(fu)載也就越大，越難控制，但機(ji)(ji)械系(xi)統(tong)的(de)慣量(liang)需和馬(ma)達慣量(liang)相匹配(pei)才行。不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)機(ji)(ji)構，對慣量(liang)匹配(pei)原則有不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)選擇，且有不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)作用表(biao)現。例(li)如(ru)，CNC中心機(ji)(ji)通(tong)過伺服電機(ji)(ji)作高速(su)切削時，當負(fu)(fu)載慣量(liang)增加時，會發生：

（1）控制指(zhi)令改變時，馬達需花(hua)費較多(duo)時間才(cai)能達到新指(zhi)令的速度要求(qiu)。

（2）當機(ji)臺沿二軸(zhou)執(zhi)行弧式曲(qu)線快速切(qie)削時，會發生較大誤差：

①一般(ban)伺服電機(ji)通常狀況下，當JL≦JM，則(ze)上面的(de)問題不會發生；

②當JL=3×JM，則馬達的可(ke)控性會些微(wei)降(jiang)低(di)，但對平常(chang)的金屬切(qie)削不會有影響（高速曲線切(qie)削一般建議(yi)JL≦JM）；

 ③當JL≧3×JM，馬達的可控(kong)性會(hui)明顯下(xia)降，在高速曲線切削時表現突出。

不同的機構動作及加工(gong)(gong)質量(liang)要(yao)(yao)(yao)(yao)求對JL與JM大小關系有不同的要(yao)(yao)(yao)(yao)求，慣性匹配的確定需(xu)要(yao)(yao)(yao)(yao)根據機械(xie)的工(gong)(gong)藝(yi)特點及加工(gong)(gong)質量(liang)要(yao)(yao)(yao)(yao)求來確定。

問(wen)題三(san)：噪聲，不穩定

客戶在一些機(ji)(ji)(ji)械上使用伺服電(dian)機(ji)(ji)(ji)時(shi)，經常會發生(sheng)噪(zao)聲過(guo)大，電(dian)機(ji)(ji)(ji)帶動負載運轉不穩(wen)定等現象，出現此問題時(shi)，許多使用者的(de)第一反應就(jiu)是(shi)伺服電(dian)機(ji)(ji)(ji)質量不好，因為有(you)時(shi)換成步進電(dian)機(ji)(ji)(ji)或是(shi)變(bian)頻電(dian)機(ji)(ji)(ji)來拖動負載，噪(zao)聲和不穩(wen)定現象卻反而小很多。表面上看，確實是(shi)伺服電(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)原(yuan)故，但我們仔(zi)細分析(xi)伺服電(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)工作原(yuan)理后，會發現這種結論是(shi)完全(quan)錯(cuo)誤的(de)。

交流(liu)伺(si)(si)服(fu)(fu)系統(tong)(tong)包括：伺(si)(si)服(fu)(fu)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)、伺(si)(si)服(fu)(fu)電(dian)機(ji)和(he)一(yi)個(ge)(ge)反饋傳(chuan)感器(qi)(qi)(一(yi)般伺(si)(si)服(fu)(fu)電(dian)機(ji)自帶(dai)光學偏(pian)碼器(qi)(qi))。所(suo)有這些部件都在(zai)一(yi)個(ge)(ge)控(kong)制(zhi)閉(bi)環系統(tong)(tong)中運行：驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)從外部接收參(can)數信(xin)息(xi)，然后將(jiang)一(yi)定電(dian)流(liu)輸送(song)給電(dian)機(ji)，通過(guo)(guo)電(dian)機(ji)轉(zhuan)換成扭矩帶(dai)動(dong)(dong)(dong)負(fu)載，負(fu)載根據它(ta)自己的(de)(de)(de)特性進行動(dong)(dong)(dong)作或加減速(su)，傳(chuan)感器(qi)(qi)測量(liang)負(fu)載的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)，使驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)裝置(zhi)對(dui)設(she)(she)定信(xin)息(xi)值和(he)實際位(wei)置(zhi)值進行比較，然后通過(guo)(guo)改變(bian)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)使實際位(wei)置(zhi)值和(he)設(she)(she)定信(xin)息(xi)值保持一(yi)致(zhi)，當負(fu)載突(tu)然變(bian)化(hua)引起(qi)速(su)度變(bian)化(hua)時(shi)，偏(pian)碼器(qi)(qi)獲知這種速(su)度變(bian)化(hua)后會馬上反應(ying)給伺(si)(si)服(fu)(fu)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)，驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)又通過(guo)(guo)改變(bian)提供給伺(si)(si)服(fu)(fu)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)電(dian)流(liu)值來滿足負(fu)載的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，并重新返回到設(she)(she)定的(de)(de)(de)速(su)度。交流(liu)伺(si)(si)服(fu)(fu)系統(tong)(tong)是(shi)一(yi)個(ge)(ge)響應(ying)非(fei)常高(gao)的(de)(de)(de)全閉(bi)環系統(tong)(tong)，負(fu)載波動(dong)(dong)(dong)和(he)速(su)度較正之間的(de)(de)(de)時(shi)間滯后響應(ying)是(shi)非(fei)常快的(de)(de)(de)，此時(shi)，真(zhen)正限制(zhi)了(le)系統(tong)(tong)響應(ying)效果的(de)(de)(de)是(shi)機(ji)械連(lian)接裝置(zhi)的(de)(de)(de)傳(chuan)遞時(shi)間。

舉一個簡單例子：有一臺機械，是用伺服電機通過V形帶傳動(dong)一(yi)個(ge)恒定速度(du)、大慣性的負載。整個(ge)系統需要(yao)獲得恒定的速度(du)和較快的響應特性，分析(xi)其動(dong)作過程。

當(dang)驅動器將電(dian)流送到電(dian)機(ji)(ji)時(shi)，電(dian)機(ji)(ji)立即(ji)產生扭(niu)矩；一(yi)開始(shi)，由于(yu)V形(xing)帶會(hui)有彈性，負載(zai)(zai)不會(hui)加(jia)速到像(xiang)電(dian)機(ji)(ji)那(nei)樣快；伺服電(dian)機(ji)(ji)會(hui)比(bi)負載(zai)(zai)提(ti)前到達設定的速度，此時(shi)裝在電(dian)機(ji)(ji)上的偏碼器會(hui)削(xue)弱電(dian)流，繼而(er)削(xue)弱扭(niu)矩；隨著(zhu)V型帶張力的不斷增(zeng)加(jia)會(hui)使電(dian)機(ji)(ji)速度變(bian)慢，此時(shi)驅動器又(you)會(hui)去增(zeng)加(jia)電(dian)流，周(zhou)而(er)復始(shi)。

在此例中，系統(tong)是(shi)(shi)(shi)振蕩的(de)(de)，電機扭矩是(shi)(shi)(shi)波(bo)(bo)動的(de)(de)，負載(zai)速(su)(su)度也(ye)隨之波(bo)(bo)動。其結(jie)果當然會是(shi)(shi)(shi)噪(zao)音、磨(mo)損(sun)、不穩定了(le)。不過，這都不是(shi)(shi)(shi)由伺(si)服電機引(yin)起(qi)的(de)(de)，這種噪(zao)聲和不穩定性，是(shi)(shi)(shi)來源于機械傳動裝置，是(shi)(shi)(shi)由于伺(si)服系統(tong)反(fan)應(ying)速(su)(su)度（高(gao)）與機械傳遞或(huo)者(zhe)反(fan)應(ying)時間（較長(chang)）不相匹配而引(yin)起(qi)的(de)(de)，即伺(si)服電機響應(ying)快(kuai)于系統(tong)調整新的(de)(de)扭矩所需的(de)(de)時間。

找到(dao)了問(wen)題根源所在，再來(lai)解決當然就容易(yi)多了，針對(dui)以上例子，您可(ke)以：

（1）增(zeng)加機械剛(gang)性和(he)降低(di)系統(tong)的慣性，減少機械傳動(dong)(dong)部(bu)位的響應時(shi)間，如把V形帶更換(huan)成直接絲(si)桿(gan)傳動(dong)(dong)或(huo)用(yong)齒輪(lun)箱代替(ti)V型(xing)帶；

（2）降(jiang)(jiang)低伺(si)服系(xi)統(tong)(tong)的響應速度，減少伺(si)服系(xi)統(tong)(tong)的控制帶(dai)寬，如降(jiang)(jiang)低伺(si)服系(xi)統(tong)(tong)的增益參數值。

當然，以(yi)上只是噪聲、不(bu)穩定(ding)的(de)原(yuan)因之一，針對不(bu)同的(de)原(yuan)因，會有不(bu)同的(de)解決(jue)辦法，如(ru)由(you)機械共振引起的(de)噪聲，在伺服方面可(ke)采(cai)取(qu)共振抑制，低通濾(lv)波(bo)等方法，總(zong)之，噪聲和不(bu)穩定(ding)的(de)原(yuan)因，基本上都不(bu)會是由(you)于伺服電(dian)機本身所造成。

伺服系統是機電產品中的重要環節，它能提供最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。

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