打破伺服应用惯性惯性匹配规则

具有高级调谐功能的现代伺服驱动器 - 与具有高分辨率反馈的性能伺服电机配对 - 可以排除负载到电机惯性 - 不匹配问题。

由这件事Kollmorgen工程人员

匹配电机与负载惯性的接受原则与当今更快的运动控制处理器和先进的控制算法不再相关。这种过时的优化系统动态的惯性匹配方法增加了成本并在负载惯量高的应用中增加了不必要的质量，并且连续扭矩要求低。

事实是，在开发最佳的执行良好的带宽和伺服刚度时，电动机惯性只有一次考虑。

正如我们将浏览本文，两个元素是构建高性能运动系统的关键：

•设计为僵硬的机制
•适用于应用程序的应用程序组件

具有这两个元件的运动系统能够更高的带宽，提高移动和稳定时间，以及强大的动态控制。

精密多轴激光切割机的动力学受益于更新的更新的设计方法，强调惯性减少和刚度最大化。

惯性匹配规则的起源

据信惯性匹配可以解决连接到伺服电机的驱动负载的稳定控制。在20世纪70年代，当刷式伺服电机开始更换机床世界中的液压，设计人员根据机器的预期性能计算负载惯性，扭矩和速度要求。Then when selecting a motor to meet the needed torque and speed requirements, if the motor to load inertia wasn’t close to a 1:1 match, engineers used one of two options:

•他们将在具有更高惯性的电机中交换
•他们使用变速箱来减少伺服电机看到的反射惯性

这两种方法都有工作，但增加了系统成本。虽然当惯性匹配时会发生最佳功率传输，但这并不能保证有效的操作系统。理想情况下，应将总系统惯性减少以降低较少的能量。然而，较大的电动机增加了加速加速的电动机转子惯性所需的扭矩。

申请大小还有其他考虑因素。在液压液压到电动机的初始过渡期间，通过可用技术的快速分析完整的机械和控制系统受到限制。

当然，闭环伺服系统的构造包括可以显着影响机器性能的组件 - 包括电机，附加的反馈设备，耦合到负载，以及调整伺服环路的功能。今天的系统可以通过让设计工程师调整伺服循环在目标带宽和伺服刚度内操作的良好性能提供良好的性能，这又优化了对控制器命令的响应...即使最小化过冲。在这些系统中，伺服电机由伺服驱动器使用电流，速度和位置环来控制。每个循环都被调整为通过确保的系统来创建增强的系统响应：

•系统稳定性
•对扭矩或速度中断的快速反应
• 运行平稳。

相比之下，过去强制设计工程师的调谐系统使用离散元件和电位计调谐伺服环。这意味着工程师必须在很大程度上通过实验来调整环路。有限的分析工具和加工功率与离散组件相结合，要求电机和负载之间的紧密惯性匹配。

遗憾的是，即使作为处理器和分析改进（并开发了数字调整伺服环），旧的需求为1：1匹配继续延续。

技术进步首先带来了（有限）惯性匹配规则变化

随着无刷电机技术的出现，高能量NefeB磁铁和数字调谐环路，惯性匹配协议会见了新的并发症。位于转子上的高能磁铁，用于电动机惯性，远小于可比较的刷型电动机的电动机惯性。因此，满足应用程序所需的连续和峰值扭矩能力的电机具有更高的负载到电机惯性不匹配。伺服驱动器数字调谐环路是真实的，使得调整增益和滤波器可以更轻松地提供稳定的控制。然而，低处理器速度，低分辨率反馈装置和其他限制因素的时间通常导致无刷电机选项的开发，具有过多的惯性。

增加的处理能力允许复杂的分析来创建准确的数学建模和系统响应的仿真。因此，现在，集成到当今伺服驱动器中的高级工具会创建复杂机械系统的交互式分析。对于设计工程师来说，简化了优化伺服系统的过程。

高级分析也让机器建设者了解（详细）机械系统的精确指纹...以及如何最佳地址性能限制。

合规 - 高带宽解决方案的威胁

机械系统的符合性是驱动负载和电动机之间的动力传递部件的自然弹性。该合规性创建延迟响应时间 - 反过来减少系统带宽。如果设计工程师将大型惯性不匹配到这样的系统，会发生什么？嗯，遵守问题只放大。

在点中的情况：考虑具有能够输出扭矩的小电动机的运动设计，足以移动异常大的负载...但是电动机和负载通过耦合连接。当小电机快速将扭矩施加到大负载时，较大的负载将毫不犹豫地响应，因为休息的物体往往保持静止。延迟是在负载开始移动之前引入卷绕之前的电机和负载之间的耦合符合性的结果。

不幸的是，随着负载最终与电机同步，大型惯性会过度地过冲目标速度......导致较小的电机通过减速来调节。当系统调节大型惯性的超速时，目标速度再次通过 - 触发小型电机再次调整。这一持续的循环产生共振和不稳定的系统。

大多数机械系统可以使用各种激励频率来数学建模和模拟，以快速识别频率响应 - 谐振发生的频率。系统带宽永远不会超过系统的初始反谐振点。增加带宽的目标是通过识别和解决谐振的原因来推动初始共振频率更高。在柔性的系统中，随着顺应性或弹性的增加，初始谐振点的频率处于相对低的赫兹（Hz）值 - 这反过来减少了系统带宽。

相反，当从动负载直接耦合到电动机以最小化合规性时，减轻错配 - 增加初始谐振频率并创建更高带宽系统。

随着Jload和JMTR之间的比率增加JE将接近JMTR，因此如果JMTR减小，则JE会降低导致谐振频率上升。增加K也会导致频率上升。由于负载惯量是恒定的，因此抗共振频率不会发生变化，但随着刚度的增加，将增加。注意频率ƒ在于这些方程式的Rad / Sec。

增加刚度和减少系统惯性

如前所述，代表的机械系统显示，有较高的带宽和成本效益的系统最终的解决办法是增加机械刚度......并降低系统总惯量的数学模型。

考虑一种直接驱动的解决方案，其中将直接耦合到电动机上，以接近零顺应性。即使具有超过1,000：1的惯性不匹配，也可以精确地控制具有良好带宽的系统。

在极僵硬（不符合不符合的）系统中，伺服系统应尺寸为提供必要的扭矩，以便以特定应用所需的方式移动系统惯性。当然，由于直接驱动解决方案不适合所有应用，大多数运动系统设计将包括实际上的动力传输组件引入了一些合规性。但是，今天一些伺服驱动器上的高级分析工具容易确定降低系统性能的兼容元素。

该图表说明了当工程师停止使用旧惯性匹配方法时，可以提高性能和成本节省，有利于使用增加的机械僵硬和减少惯性：

轴	原来JM. （kg-cm²）	新JM（kg-cm²）	负载惯量（kg-cm²）	原始惯性不匹配	新惯性不匹配	增加	节约成本
X	120.	67.7	256.75	2.14	3.79	77％	17％
y	17.	4.58	9.56	0.56	2.09	273％	34％
Z.	121.6	80	29.4	0.24	0.37	54％	17％