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标题:关于电机选型设计时惯量匹配的问题---请教
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作者:rabitzh
时间:2009-8-18 20:37
标题:关于电机选型设计时惯量匹配的问题---请教
在某文中提到：
在伺服系统选型及调试中，常会碰到惯量问题。其具体表现为：
在伺服系统选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外，我们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量，再根据机械的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机；在调试时，正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前提。此点在要求高速高精度的系统上表现尤为突出，这样，就有了惯量匹配的问题。
一、什么是“惯量匹配”？
1、根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J × 角加速度θ角”。
加速度θ影响系统的动态特性，θ越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果θ变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望θ的变化小，则J应该尽量小。
2、进给轴的总惯量“J＝伺服电机的旋转惯性动量JM ＋ 电机轴换算的负载惯性动量JL。
负载惯量JL由（以平面金切机床为例）工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成。
JM为伺服电机转子惯量，伺服电机选定后，此值就为定值，而JL则随工件等负载改变而变化。如果希望J变化率小些，则最好使JL所占比例小些。这就是通俗意义上的“惯量匹配”。
二、“惯量匹配”如何确定？
传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。
惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。
衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。
不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。不同的机构动作及加工质量要求对JL与JM大小关系有不同的要求，但大多要求JL与JM的比值小于十以内。一句话，惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点及加工质量要求来确定。
对于基础金属切削机床，对于伺服电机来说，一般负载惯量建议应小于电机惯量的5倍。
惯量匹配对于电机选型很重要的，同样功率的电机，有些品牌有分轻惯量，中惯量，或大惯量。其实负载惯量最好还是用公式计算出来。常见的形体惯量计算公式在以前学的书里都有现成的（可以去查机械设计手册）。
我们曾经做过一试验，在一伺服电机的轴伸，加一大的惯量盘准备用来做测试，结果是：伺服电机低速时停不住，摇头摆尾，不停地振荡怎么也停不下来。
后来改为：在两个伺服电机的轴伸对接加装联轴器，对其中一个伺服电机通电，作为动力即主动，另一个伺服电机作为从动，即做为一个小负载。原来那个摇头摆尾的伺服电机，启动、运动、停止，运转一切正常！
看了那文我把我吓一跳，因为我们所设计的执行机构难以满足JL与JM的比值关系，利用步进电机+减速器去驱动某惯量负载去执行某个动作，最大是惯量将近700Kg*m^2，减速器的速比大概为60，那么折算到电机轴上为0.19kgm^2，通常的选用的步进电机的JM为1e-6~1e-5kg*m^2，按不同的机构动作及加工质量要求对JL与JM大小关系有不同的要求，但大多要求JL与JM的比值小于十以内的说法，这样设计会有问题，不知道是否是真的，还没有做试验呢。
虽然那文中说的是伺服系统，但步进电机控制运动也类似于伺服系统，只不过快速响应没有那么高的要求，通常都是慢启动，而且最终的运动转速都很小的，通常小于10rpm。不知道是否有人了解这方面的问题的？
作者:螺旋线
时间:2009-8-18 20:53
步进和伺服完全是两码事。一个是开环，一个闭环。
作者:mjhls
时间:2009-8-19 12:45
但应该都存在转动惯量的问题，期待高手详细解释！
作者:螺旋线
时间:2009-8-19 15:14
详细解释要从控制原理讲起，还要讲电机拖动等等东西，这是该自己去读书的内容。
开环和闭环有本质的区别，难道这还没说到位吗？
简单说：步进电机算惯量仅仅是为了满足加减速的问题，比如高速往复运动场合。
伺服电机算惯量还要考虑动态性能，这又涉及到整个传动系统的特性，是个复杂的过程，尤其是高速高精的场合。
作者:rabitzh
时间:2009-8-19 23:26
顶一个，看来不用担心那个问题了。 我用步进电机主要就是进行位置控制，基本上都是低速系统，对系统的动态性能要求不高，工作次数也是有限的。
4#螺旋线
作者:yufeimen2521
时间:2013-5-8 11:47
顶一下，文章很好，其实我觉得2#所说的和楼主的担心有点偏差，“大多要求JL与JM的比值小于十以内的说法，”指的是系统的惯量匹配，也就是让电机有更好的响应，即便你是开环控制，但为了步进电机不会丢步，你的启动过程也是需要这个数据的，不然系统启动频率虽然小于电机的空载启动频率，但因为惯量匹配不好还是会存在电机丢步，堵转的现象，不知道我理解的对不对，请各楼主批评指正，我记得步进电机是在低速使用时，匹配应在7-9倍，高速时5一下。
作者:br-denghg
时间:2013-11-22 15:48
支持楼主提出这个惯量匹配的问题来讨论。
作者:br-denghg
时间:2014-2-11 10:29
惯量匹配和最佳传动比
1 功率变化率
伺服电机的基本功能就是将输入的电功率快速的转换为机械功率输出。功率转换的越快，伺服电机的快速性越好。功率转换的快速性用功率变化率（dP/dt）来衡量：
P=T?ω
T=J?dω/dt
dP/dt=d(T?ω)/dt=T?dω/dt=T?T/J
dP/dt=T2/J
伺服电机以峰值转矩Tp进行加/减速运动时的功率变化率最大：
(dP/dt)max=Tp2/Jm
通常用理想空载时伺服电机的功率变化率来衡量伺服电机的快速性。
衡量伺服电机快速性的性能指标还有：
? 转矩/惯量比：Tp/Jm= dω/dt
? 最大理论加速度：（dω/dt）max= Tp/Jm
这些指标都是单一衡量伺服电机加速性能的指标。
2 惯量匹配
伺服系统要求伺服电机能快速跟踪指令的变化。对一个定位运动而言，就是要求以最短的时间到达目标位置。换一种说法，就是在直接驱动负载的定位过程中，负载以最大的功率变化率将输入功率转换为输出功率。
伺服电机驱动惯性负载JL的加速度、加速转矩计算如下：
? 负载的加速度（系统加速度）：dω/dt=Tp/(Jm+JL)
? 负载的加速转矩：TL= JL?dω/dt= JL?Tp/(Jm+JL)
负载的功率变化率为：
dPL/dt=TL2/JL
dPL/dt= JL2?Tp2/(Jm+JL)2/JL = JL?Tp2/(Jm+JL)2
从式中可以看出：
? JL远大于Jm时：dPL/dt= Tp2/JL，负载惯量越大，负载的功率变化率越小。
? JL远小于Jm时：dPL/dt= JL?Tp2/Jm，负载惯量越大，负载的功率变化率越小。
? 负载惯量JL相对电机惯量Jm变化时，负载的功率变化率存在一个最大值。
根据极值定理，对应dPL/dt极值的JL值为使d(dPL/dt)/d(JL) = 0的值。
d(dPL/dt)/d(JL)= d(JL?Tp2/(Jm+JL)2)/d(JL)
利用复合微分法则对(dPL/dt)求导：
设 v = (Jm+JL)2
u = Tp2?JL
dPL/dt = u/v
d(u/v)/d(JL) = [v?du/d(JL)-u?dv/d(JL)]/v2
d(dPL/dt)/d(JL) = {(Jm+JL)2?d(Tp2?JL)/d(JL)-d[(Jm+JL)2]/d(JL)?Tp2?JL}/(Jm+JL)4
d(dPL/dt)/d(JL)=Tp2?[(Jm+JL)2-2(Jm+JL)?JL]/(Jm+JL)4
令d(dPL/dt)/d(JL)=0，则
(Jm+JL)2-2(Jm+JL)?JL=0
(Jm+JL)2-2(Jm+JL)?JL=Jm2+2JmJL+JL2-2JmJL-2JL2
=Jm2-JL2
=(Jm+JL)(Jm-JL)
=0
因为Jm+JL＞0
所以 Jm-JL=0，JL=Jm
负载的转惯量JL等于电动机的转动惯量Jm称为“惯量匹配”。惯量匹配时，负载的功率变化率最大，响应最快。
3 最佳减速比
伺服电机通常是高转速、低转矩输出，而负载要求通常是要求低转速、高转矩，因此伺服电机和负载之间通常要接有减速器，其作用是降低转速、放大转矩，实现电机与负载间转速和转矩的匹配。电机转速与负载转速之比称为减速比。所谓“最佳减速比”就是使负载侧的功率变化率最大。
（1）旋转运动负载的“最佳减速比”
设：
ωL-负载角速度
ωm-电机角速度
JL－负载侧转动惯量
Jc-折算到电机侧的负载转动惯量
i-减速比，i=ωm/ωL
η-减速器效率
根据能量守恒定律，减速器负载侧的动能等于电机侧动能乘以减速器的效率：
JL?ωL2/2=η?Jc?ωm 2/2
Jc＝JL/(ωm 2/ωL2?η)= JL/(i2?η)
当惯量匹配时，负载侧的功率变化率最大：
Jc＝Jm
惯量匹配时的最佳减速比ip：
Jm＝JL/(ip2?η)
Ip=√(JL/(Jm?η))
（2）直线运动负载的最佳螺矩
直线运动负载通常是伺服电机直接驱动丝杠。设：
VL-负载运动速度（m/min）
Nm-电机转速（r/min）
ML－负载运动部分的质量（kg）
Jc-折算到电机侧的负载转动惯量（kg-m2）
λ-丝杠螺矩（m），VL＝Nm?λ
η-减速器效率
根据能量守恒定律，负载直线运动侧的动能等于电机侧动能乘以减速器的效率：
ML?VL2/2=η?Jc?Nm 2/2
Jc＝ML/(Nm 2/VL2?η)= ML/(( VL2/ Nm 2)?η)
Jc＝ML/(λ2?η)
当惯量匹配时，负载侧的功率变化率最大：
Jc＝Jm
惯量匹配时的最佳螺矩λp：
Jm＝ML/(λp2?η)
λp=√(ML/(Jm?η))
4 最佳减速比和惯量匹配的在选择电机功率时的应用
选择伺服电机的步骤是：
（1）根据负载图，按发热等效预选电动机的功率
（2）根据电动机速度和负载速度确定减速比：选择电动机的速度和惯量最接近最佳减速比
的电动机型号。
（3）考虑电机数据，校验电动机的发热
（4）校验电动机的过载能力
（5）校验惯量匹配：
? 动态性能“激进”的系统：要求跟踪性能好的位置随动系统（伺服型负载），JL=0.8-1.2 Jm
? 动态性能“适度”的系统：一般伺服系统（伺服－调整混合型负载），
JL=0.8-4.0 Jm
? 动态性能“保守”的系统：运动指令变化缓慢的伺服系统（调整型负载），
不需校验负载惯量。负载惯量有助于减小速度波动。
作者:lngk
时间:2014-2-11 10:31
在伺服系统选型时要考虑电机的惯量！
作者:落烬煙雨繁譁
时间:2014-2-25 14:24
支持楼主提出这个惯量匹配的问题来讨论。
作者:丁点点
时间:2014-5-19 15:31
br-denghg 发表于 2014-2-11 10:29
惯量匹配和最佳传动比
1 功率变化率
伺服电机的基本功能就是将输入的电功率快速的转换为机械功率输出。功 ...
找了好久关于负载惯量经过传动比后电机端的惯量关系！顶一下
作者:蓝冰723
时间:2014-8-6 10:25
我用的线性模组，传动类型是同步带传动，承载的载荷是15KG，选用的模组的带轮直径是32mm的，转速是300mm/s，他用的电机是86HS45的步进电机。我在验证电机时，算出的负载惯量与电机转子的惯量之比是20多，但是厂家所说的模组能承载30KG的重量，我才一半的重量，电机的惯量却不合适，我该怎么选择啊。步进电机选型时需要考虑惯量这个参数吗？期待高手回复！
作者:Vincent_carry
时间:2014-8-6 10:40
丁点点 发表于 2014-5-19 15:31
找了好久关于负载惯量经过传动比后电机端的惯量关系！顶一下
你的意思是不是这句话？
"
根据能量守恒定律，减速器负载侧的动能等于电机侧动能乘以减速器的效率：
JL?ωL2/2=η?Jc?ωm 2/2
Jc＝JL/(ωm 2/ωL2?η)= JL/(i2?η)
"（其中 JL为负载转动惯量，Jc为负载转化为电机端后的转动惯量）
请问其他大虾对于
Jc＝JL/(i2?η)
有没有其他看法？
作者:yangks2008
时间:2014-8-6 15:26
学习学习
作者:duyeslin
时间:2014-8-6 23:17
蓝冰723 发表于 2014-8-6 10:25
我用的线性模组，传动类型是同步带传动，承载的载荷是15KG，选用的模组的带轮直径是32mm的，转速是300mm/s， ...
皮带传动惯量与皮带轮直径相关
作者:刘永青87
时间:2014-8-7 19:31
这个不是太懂，向你们学习，以前没注意这个
作者:liuyanxue
时间:2014-8-7 23:57
是个技术重点
作者:莎士比亚之爱
时间:2014-8-24 10:02
绝对的核心计算部分，感谢有大侠讲的那么详细，继续学习
作者:fdsa159
时间:2014-8-25 13:51
学习学习
作者:ores
时间:2014-8-26 08:13
本帖最后由 ores 于 2014-8-26 08:14 编辑
惯量匹配是非常重要的一个参数，但是惯量匹配系数根据电机的不同，系数大小有所区别，小到3，大的甚到30到50都有。因品牌和型号不同而不同。而经减速机后，电机惯量是要负载惯量除以减速比的平方后所得。
在伺服系统选型及调试中，常会碰到伺服电机惯量匹配问题。在伺服系统选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外，我们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量，再根据机械的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机；在调试时，正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前提。此点在要求高速高精度的系统上表现尤为突出，这样，就有了惯量匹配的问题。一、什么是“惯量匹配”？1、根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J × 角加速度θ角”。加速度θ影响系统的动态特性，θ越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果θ变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望θ的变化小，则J应该尽量小。 2、进给轴的总惯量“J＝伺服电机的旋转惯性动量JM ＋电机轴换算的负载惯性动量JL。负载惯量JL由（以平面金切机床为例）工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成。 JM为伺服电机转子惯量，伺服电机选定后，此值就为定值，而JL则随工件等负载改变而变化。如果希望J变化率小些，则最好使JL所占比例小些。这就是通俗意义上的“惯量匹配”。二、“惯量匹配”如何确定？传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。不同的机构动作及加工质量要求对JL与JM大小关系有不同的要求，但大多要求JL与JM的比值小于十以内。一句话，惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点及加工质量要求来确定。对于基础金属切削机床，对于伺服电机来说，一般负载惯量建议应小于电机惯量的5倍。惯量匹配对于电机选型很重要的，同样功率的电机，有些品牌有分轻惯量，中惯量，或大惯量。其实负载惯量最好还是用公式计算出来。常见的形体惯量计算公式在以前学的书里都有现成的（可以去查机械设计手册）。我们曾经做过一试验，在一伺服电机的轴伸，加一大的惯量盘准备用来做测试，结果是：伺服电机低速时停不住，摇头摆尾，不停地振荡怎么也停不下来。后来改为：在两个伺服电机的轴伸对接加装联轴器，对其中一个伺服电机通电，作为动力即主动，另一个伺服电机作为从动，即做为一个小负载。原来那个摇头摆尾的伺服电机，启动、运动、停止，运转一切正常！三、惯量的理论计算的功式？惯量计算都有公式，至于多重负载，比如齿轮又带齿轮，或涡轮蜗杆传动，只要分别算出各转动件惯量然后相加即是系统惯量，电机选型时建议根椐不同的电机进行选配。负载的转动惯量肯定是要设计时通过计算算出来拉，如果没有这个值，电机选型肯定是不那么合理的，或者肯定会有问题的，这是选伺服的最重要的几个参数之一。至于电机惯量，电机样本手册上都有标注。当然，对某些伺服，可以通过调整伺服的过程测出负载的惯量，作为理论设计中的计算的参考。毕竟在设计阶段，很多类似摩擦系数之类的参数只能根据经验来猜，不可能准确。理论设计中的计算的公式：（仅供参考） 通常将转动惯量J用飞轮矩GD2来表示，它们之间的关系为 J=mp^2= GD^2/4g式中 m与G－转动部分的质量（kg）与重量（N）；与D－惯性半径与直径（m）；g=9.81m/s2 －重力加速度飞轮惯量=速度变化率*飞轮距/375当然，理论与实际总会有偏差的，有些地区（如在欧洲），一般是采用中间值通过实际测试得到。这样，相对我们的经验公式要准确一些。不过，在目前还是需要计算的，也有固定公式可以去查机械设计手册的。四、关于摩擦系数？关于摩擦系数，一般电机选择只是考虑一个系数加到计算过程中，在电机调整时通常都不会考虑。不过，如果这个因素很大，或者讲，足以影响电机调整，有些日系通用伺服，据称有一个参数是用来专门测试的，至于是否好用，本人没有用过，估计应该是好用的。有网友发贴说，曾有人发生过这样的情况：设计时照搬国外的机器，机械部分号称一样，电机功率放大了50%选型，可是电机转不动。因为样机的机械加工、装配的精度太差，负载惯量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，对具体工况考虑不周。当然，黏性阻尼和摩擦系数不是同一个问题。摩擦系数是不变值，这点可以通过电机功率给予补偿，但黏性阻尼是变值，通过增大电机功率当然可以缓解，但其实是不合理的。况且没有设计依据，这个最好是在机械状态上解决，没有好的机械状态，伺服调整完全是一句空话。还有，黏性阻尼跟机械结构设计、加工、装配等相关，这些在选型时是必须考虑的。而且跟摩擦系数也是息息相关的，正是因为加工水平不够才造成的摩擦系数不定，不同点相差较大，甚至技术工人装配水平的差异也会导致很大的差异，这些在电机选型时必须要考虑的。这样，才会有保险系数，当然归根结底还是电机功率的问题。五、惯量的理论计算后，微调修正的简单化可能有些朋友觉的：太复杂了！实际情况是，某品牌的产品各种各样的参数已经确定，在满足功率，转矩，转速的条件下，产品型号已经确定，如果惯量仍然不能满足，能否将功率提高一档来满足惯量的要求？答案是：功率提高可以带动加速度提高的话，应是可以的。六、伺服电机选型在选择好机械传动方案以后，就必须对伺服电机的型号和大小进行选择和确认。（1）选型条件：一般情况下，选择伺服电机需满足下列情况：1.马达最大转速＞系统所需之最高移动转速。2.马达的转子惯量与负载惯量相匹配。3.连续负载工作扭力≤马达额定扭力4.马达最大输出扭力＞系统所需最大扭力（加速时扭力）（2）选型计算：1. 惯量匹配计算（JL/JM）2. 回转速度计算（负载端转速，马达端转速）3. 负载扭矩计算（连续负载工作扭矩，加速时扭矩）
本篇文章来源于“机械设计工程师网” 原文链接：http://www.jxsjgcs.com/jixie/191.html
作者:机器人55555
时间:2015-4-15 11:20
br-denghg 发表于 2014-2-11 10:29
惯量匹配和最佳传动比
1 功率变化率
伺服电机的基本功能就是将输入的电功率快速的转换为机械功率输出。功 ...
感谢说的那么详细
作者:zhy557
时间:2015-6-25 10:53
跪求大神解答！
如果说惯量匹配是为了提高系统的动态响应的话，现在我的负载转动惯量已经确定了，为了进行惯量匹配而提高了电机功率，那么我整体的惯量还是增大了，这于提高系统动态响应有什么作用呢
作者:sclsdhlr4
时间:2016-1-12 14:57
zhy557 发表于 2015-6-25 10:53
**** 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽 ****
这个得看电机能够输出的转矩吧，虽然整体惯量变大了，但是负载和电机转子的惯量比却减小了，负载相对于电机的惯量减小了，那么如果电机的输出转矩也相应提高的话，整个系统的动态性能也就会变好。
作者:机械小白条
时间:2016-1-12 17:26
感谢楼上大神门的赐教
作者:二嘎1990
时间:2016-1-12 19:48
学习了
作者:kayex
时间:2016-1-13 11:26
这个问题确实好难懂
作者:圆月下的魔术师
时间:2018-5-29 10:42
在功率变化率验证的那块，你所提到的转矩峰值Tp，是不是指额定转矩，而非最大转矩，因为伺服电动机在超过额定转矩后，不是以恒功率输出吗？那此时功率变化率为0！
作者:漠舞
时间:2018-5-29 16:46
步进和伺服完全是两码事。一个是开环，一个闭环
作者:海上钢琴师1900
时间:2019-3-4 14:02
学习学习
作者:魏浩哲
时间:2022-6-15 11:52
顶！！！！
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