怎樣才算合適的慣量比？

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淡然

電梯直達

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發表于 2017-1-13 14:39:41 | 只看該作者 |只看大圖 |倒序瀏覽 |閱讀模式

本帖最后由淡然于 2017-1-13 14:39 編輯

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對于運控系統，多大的慣量比是過大?

它會影響性能么？

如何可以通過整定來補償呢？

機械聯接（如聯軸器）對其有何影響？

答案并不那么簡單。

前文書我們提到慣量比與傳動剛性之間的關系。

本期，我們試著通過一個簡單的實驗，幫助大家尋找一些線索。

這個實驗是我早年入行不久，在參加一次產品應用培訓時經歷的。

本期底部有此實驗的完整視頻（視頻無法上傳）。

實驗臺非常簡單，如上圖所示，就是用一臺 1.5kW 的伺服電機來帶動一只 5 倍于電機轉子慣量的鋼制飛輪負載。換句話說，這個系統的慣量比為 5 : 1.

不過這個飛輪負載并不是直接連接在電機軸上的，而是安裝在一根長約 1 米、直徑約 10mm 的金屬棒長軸上，并通過聯軸器與電機軸相連。在實驗中，這根金屬棒長軸就模擬了設備中的機械傳動機構。

同時這個飛輪負載在長軸上的位置是可以調節的，如果將其置于長軸上離電機較遠的位置時，模擬機械傳動系統的柔性連接。

將飛輪負載置于離電機較近的位置時，模擬傳動系統的剛性連接。

先將負載置于電機遠端。我們通過一些基本的整定功能對軸進行調整。

此時我們發現，如果使用較高的系統增益（響應帶寬）參數，電機會產生劇烈抖動和囂叫，系統變得極不穩定。為了獲得穩定的運動性能，我們不得不將增益值降下來。

但相應的，系統的運動特性也變得很軟，動態響應力度變弱，用手指就可以輕松來回轉動負載。

接下來，將負載靠近電機，此時再對系統進行調整，則已經可以輕松的使用極高的系統增益值了，相應的，電機的動態響應力度變強，系統的運動特性也變得很硬，有了極高的動態特性。

在這個實驗中，負載和電機的慣量比僅為 5 ：1，在使用同一套增益和頻響值的情況下，僅僅是簡單的調整負載離電機的遠、近，就可以讓系統的運動性能產生巨大的差異和變化：

遠：不穩定的抖動或者穩定但較軟的動態特性
近：穩定且有較硬的動態特性

看上去很難相信，這么一小段（約半米）的軸所帶來的機械聯接的剛性（彈性）的變化，都會影響到伺服系統的穩定性與動態性能。

前文書關于《慣量與驅動控制》一文我們講過，對于大慣量的負載，在做完軸的自整定后，伺服環的增益值可能會很高，這是為了在大慣量負載時獲得更好的動態性能。但是通常這樣的增益值，是伺服系統基于系統剛性聯接情況下計算出來的。如果系統剛性不那么好，那么系統將會變得不穩定，出現囂叫。

通常要將伺服系統調的穩定，需要將增益值降下來，也就是降低系統響應頻率。在這里，響應頻率降下來后，系統立刻變得穩定，而且不再嘯叫。然而，系統的性能也變軟了，而且我們發現已經可以用手轉動軸了。也就是說，響應頻率的下降直接導致性能的下降。

如果需要更好的性能，那么比較現實的做法，是將電機和負載之間的聯接剛性提高。

因此，慣量比多大是“太大了”以及多少合適，其實并沒有標準答案。慣量比只是系統“方程式”中的一部分。所有的伺服系統，都需要在這幾個方面相互平衡、折中、妥協：

較高的慣量比
高動態性能的預期
柔性機械聯接

在任何系統中，以上這三點我們是無法同時做到的。

比如要讓一個慣量比達到100：1或者更高的系統運轉起來，如果系統剛性不佳，此時就需要降低系統響應頻率（即增益值）－在性能上妥協；或者我們仍然需要有較高的動態特性，那么就不能允許在電機和負載之間有任何間隙和柔性的聯接，例如：直接驅動電機，直線電機技術，使得電機和負載直接聯接在一起，傳動系幾乎沒有間隙，達到極高的剛性，此時即便有很高的慣量比，系統性能依然可以極高。

下面這張基于經驗的趨勢圖表，定性的詮釋了慣量比與系統剛性和動態性能之間的關系，或許可以為我們在實際應用的系統設計和選型，起到一定的參考作用。