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标题: 如何理解惯量比的问题 [打印本页]
作者: 淡然 时间: 2017-1-13 14:27
标题: 如何理解惯量比的问题
本帖最后由 淡然 于 2017-1-13 14:03 编辑
感觉这篇关于“惯量比”的文章分析比较到位，转帖分享。感谢@茉莉素馨 社友提供的链接。
经常玩运控的朋友一定都听到过“惯量比”这个词儿，“老法师”们通常对惯量匹配都有着各自独到的见解，比如在某些运控应用中惯量比要小于某个数值，10、5、3或者更小，也有的说要控制精度高，就得降低惯量比......等等。
不仅如此，在某些厂家的产品手册中，对其电机产品的选型还有关于惯量比的“推荐值”。比如下面摘录的某电机的选型样本，注意红色方框部分。
那么，为什么会有惯量比的问题？它对与运控系统会带来什么样的影响呢？这就要从前文书提到的关于“传动刚性”的问题谈起。
前文书说了，当运控传动链刚性不佳时，在驱动侧（也就是电机侧）与被驱动侧（负载侧）之间会产生“间隙”或/和“弹性”效应，电机输出的驱动力传输到负载有迟滞，并且在两侧之间会有相对位移。
在系统进行动态调整的过程中，电机需要输出扭矩驱动负载的加减速运动，但由于电机侧与负载侧所受到的作用力的不同步，造成相互之间有速度差，同时由于双方之间有相对位移空间，于是驱动侧与被驱动侧会产生“弹性碰撞”。
而受到这样的“弹性碰撞”的影响，驱动与负载两侧会受到大小相同而方向相反的“碰撞力”的影响并改变运动速度，同时改变双方相对运动的方向，然后在间隙空间的另一侧再次“碰撞”。周而复始，电机侧与负载侧在动态加减速运行时，不断进行着“弹性碰撞”。
这些“碰撞”会给电机的运行速度和位置带来“偏差扰动”，同时这些偏差会通过电机编码器实时反馈给运控系统，系统会“本能”地对这些由于碰撞产生的“偏差扰动”进行实时调整。之所以说时“扰动”，是因为这些偏差本身并不是真实的负载位置和速度误差，而是由于上述频繁的“碰撞”改变了电机的运行状态而产生的“额外”的误差。
说到这，貌似和本文题目“惯量比”还没啥关系嘛！甭着急，接下来就要放大招了。
前面说的“弹性碰撞”这个词，是不是好熟悉的样子？对哦，在中学物理有教过弹性碰撞的几个定律的，什么动量守恒定律、能量守恒定律啥的......
不过呢，那些定量的运算和分析，咱在这就不用费那个劲烧脑了，直接说最关键的定性结论吧。在弹性碰撞过程中，如果物体质量（惯性）越大，其碰撞后的运动状态改变越小，反之质量越小，碰撞带来的运动状态改变越大。换言之，物体质量（惯性）越大，在碰撞中更容易保持接近原有运行状态。
对于运控应用而言，如果系统惯量比大，就意味着电机惯量较小，那么在非刚性的弹性传动系统的动态加减速运动过程中，由于间隙和弹性效应产生的电机侧与负载侧的“弹性碰撞”，会对惯量较小的电机的运行状态产生较大的“扰动”，这就直接增加了系统控制调整的难度，轻则影响控制精度，严重的可能造成电机的抖动甚至系统的振动和崩溃。在这种情况下，我们通常的做法，就是降低运控系统的频率响应值（增益），而此时的系统动态响应性能自然也就随之下降了。
反过来，较小的惯量比，意味着相对较高的电机惯量，在上述的“碰撞”过程中，其运动状态受到的“扰动”也就相应的小了，这样运控系统控制调整的难度就降低了，更容易让电机和系统达到比较稳定的运行状态，自然也就能够较好的确保其控制精度。
所以，惯量比的问题本质上是由于动力源与负载之间的非刚性传动连接而带来的，它其实是关于在运动过程中“以谁为主”的问题。
如果选择使用较大的惯量比，那么意味着电机驱动力将更多的作用在自身的运动上，而受到相对较小的负载扰动，而系统运动状态更多的以电机为主。从对系统把控力度方面看，这当然是我们更希望的。
这就好像在一辆大巴上，某一个乘客在车上的来回跑动，对于车辆的运行几乎不会产生什么影响，但如果是整车的乘客按照同样的步调来回移动，那么情况就完全不同了。
那么是不是说，在刚性传动系统中，就没有惯量比的问题了呢？
这个问题比较复杂，因为事实上并不存在绝对的刚性传动，只要驱动力和加速度足够大，任何传动连接都是“软”的。
不过，有一点是肯定的，如果系统传动刚性越大，就能够使用更大的惯量比匹配。比如我们后面会谈到“直接驱动电机”。
(, 下载次数: 223)
作者: 铿锵大姜 时间: 2017-1-13 15:08
读过控制工程和理论力学，理解这东西难么？
没读过控制工程，连增益是啥都不懂，还谈啥惯量比，谈啥运动控制和精度
都是基础中的基础，还要给基础知识扫盲
楼主也算辛苦有心了！
只怕更多的人还是来这里记个数，拿回去，以后就按5去设计传动系统了！
补充内容 (2017-1-16 12:49):
书上有的东西，自动控制原理都成熟了，还要我谈什么？非要我用自己的语言去总结前人已经完美归纳好的知识，有味道么？学机械怎么能说懂点控制？控制工程就是机械专业的基本功！都是基础中的基础！！
补充内容 (2017-1-18 11:37):
蔡皓618 你真别乱叫，越叫越显得你无知，随随便便有人谈个惯量比你都上来维护，俺看得出来你是个啥水平的玩意；俺不必自报家门，管理员如果看得到我的ip，他自然知道我在啥公司
补充内容 (2017-1-18 11:40):
也有社友来过我公司，我们啥产品，啥东西，不是你这种说话水平的人玩得起的；必威APP精装版下载里别打嘴架，你觉得楼主谈的好，你就看他的帖子，你觉得我说得有道理，自己就去买本自动控制去。别乱叫，切记，越叫越显得自己无知
补充内容 (2017-1-19 08:27):
淡然元帅，这必威APP精装版下载我来了很久，您是注册账号的本人否？本以为你还算是有点水平的人，怎么也能说出让别人亮出自己的小家伙的那种幼稚的话？说话真像个孩子！我让蔡xx切记的话，您再看看吧！
补充内容 (2017-1-19 08:56):
俺以后也不乱说了，说了一堆没技术含量的话，打了没有用的嘴架，再见，孩子们
作者: 未来第一站 时间: 2017-1-14 23:19
回去看书去了。
作者: 淡然 时间: 2017-1-15 20:53
看哪方面的书？控制？
作者: yingqiuyao 时间: 2017-1-17 16:26
回去看书去了。.......
作者: 骆欢 时间: 2017-1-18 15:54
怎么没有继续呢
作者: 和龙 时间: 2017-1-18 16:07
学习学习
作者: 0377zjp 时间: 2017-1-18 17:02
你所说的刚性其实就是为振动服务的
作者: 空想1990 时间: 2017-1-20 18:55
学习了
作者: 63417138 时间: 2017-1-21 15:58
说得很透彻。
喷子们不要喷了，真的说得很好
一般情况下惯量我是这样匹配的：国产电机3倍以内，进口的5倍以内。
至于伺服电机前面是否配减速箱，或者丝杆减箱，要根据实际情况来选择，这里涉及的东西非常多。
作者: 梦寒 时间: 2017-2-5 09:17
我能说啥也没有看懂么？？？
惭愧啊~~~
控制工程和理论力学，好，记住了。先看看书吧
作者: 张晓刚zxg 时间: 2017-2-8 22:47
学习了，谢谢分享
作者: hoot6335 时间: 2017-2-9 00:56
1+1=2低级吗？MD华罗庚欺世盗名！
作者: 海角一棵树 时间: 2017-2-9 09:07
多了解
作者: 只有快乐 时间: 2017-5-23 20:18
回去看机械手册去了&
作者: ktangwu 时间: 2017-6-22 11:46
说的很有道理，是有必要回去看看当次大学学的那些课程了，在学校学习都是理论，不能很深入的了解，现在工作中深入下去才发现这些知识都是值得深挖一辈子的。
请问，楼主分享的这篇文章出处在哪？想看看其他部分，特别是直接驱动方面。目前有个直接驱动的机构设计。
作者: zwr1234 时间: 2017-6-22 11:53
学习了
作者: RONG融 时间: 2017-6-22 13:13
解释的在透彻，也要自己领悟。
作者: Yeoman 时间: 2017-6-22 14:34
学习学习
作者: Yeoman 时间: 2017-6-22 14:46
又看了一边，总算有点明白了
作者: iyxx37 时间: 2017-7-8 19:25
结论是我猜的，结果猜对了
作者: iyxx37 时间: 2017-7-8 19:27
我从负载动能和转子动能方面想的
作者: iyxx37 时间: 2017-7-8 19:44
本人对控制完全不懂，留个名
不知这书咋样
控制工程基础 第3版
本教材是在董景新、赵长德等编著的《控制工程基础（第2版）》的基础上，引入近年来相关内容的发展重新编写的，主要面向机械类、仪器类及其他非控制专业本科生，被列入普通高等教育“十一五”国家级规划教材。主要内容包括控制系统的动态数学模型、时域瞬态响应分析、控制系统的频率特性、控制系统的稳定性分析、控制系统的误差分析和计算、控制系统的综合与校正、根轨迹法、控制系统的非线性问题、计算机控制系统。该教材突出机械运动作为主要控制对象，并对其数学模型和分析综合重点作了介绍；着重基本概念的建立和解决机电控制问题的基本方法的阐明, 并简化或略去了与机电工程距离较远、较艰深的严格数学推导内容；引入和编写了较多的例题和习题,便于自学。本教材融入了有关的机电一体化新技术和新分析方法，可供相关领域的科技人员参考。同时，为了配合本教材的使用，还制作了《控制工程基础实验指导》、教师用《控制工程基础习题解》和多媒体课件，以供选用。
作者: 5555a 时间: 2017-7-25 13:32
学习了
作者: Captain.sT 时间: 2017-7-28 19:21
挺有用的
作者: 5555a 时间: 2017-8-3 09:52
挺有用的
作者: 华子2110 时间: 2017-8-17 14:36
谢谢楼主分享，非常不错的帖子。
作者: 兰溪YK 时间: 2018-5-6 16:56
讲的很好
作者: 挺萌的TMD 时间: 2018-5-6 22:37
“管理员如果看得到我的ip，他自然知道我在啥公司”看你这句话写的，暴露了你在工作时间，用公司电脑逛必威APP精装版下载，跟人打嘴仗。这样不好。
作者: 有道科技 时间: 2018-5-31 22:22
感谢大神的分享！
作者: 374646576 时间: 2018-6-25 09:45
楼主说的“如果选择使用较大的惯量比，那么意味着电机驱动力将更多的作用在自身的运动上，而受到相对较小的负载扰动，而系统运动状态更多的以电机为主。从对系统把控力度方面看，这当然是我们更希望的。” 你这句话说错了吧，我怎么看了跟你上面说的对不上号。如果你这句话是对的，那还谈什么，管他什么情况，都选较大惯量比就是。那还谈什么。
作者: kyfoor 时间: 2018-8-22 10:31
这其实是麦克风谈伺服的内容。这里确实是写错了。
作者: 蓝色格 时间: 2018-8-22 11:38
这句话说得没有问题。“如果选择使用较大的惯量比，那么意味着电机驱动力将更多的作用在自身的运动上，而受到相对较小的负载扰动，而系统运动状态更多的以电机为主。从对系统把控力度方面看，这当然是我们更希望的。” 哪里有问题？？
作者: 蓝色格 时间: 2018-8-22 11:39
楼主说得很精细。
作者: suorongbin 时间: 2019-2-14 14:49
????
作者: 呆树懒93 时间: 2019-2-16 18:30
非常实用，及其解惑。
作者: YP582 时间: 2019-7-31 09:38
你好！按字面意思，大的惯量比，所有外在负载全部给电机克服了，那通过什么参数来评价电机可以克服多级传动的扰动、振动负载呀？麻烦帮忙指正，不胜感激
作者: 蓝色格 时间: 2019-7-31 13:17
不好意思，看错了，应该是小的惯量比。
谈不上什么指正？只是发表一下自己的看法。首先不是很了解你说的所有外在负载全部给电机克服了是什么一个概念。通过什么参数来评价电机可以克服多级传动的扰动、振动负载呀？这句话也有点不是很理解。 但总的说，对负载而言，负载运行时的振动由两个方面决定（不考虑电机特性）。负载机构系统的自身特性和动力特性。负载机构系统自身特性是指机械结构的组成特点，刚性如何。动力特性是指动力提供的速度、加速度、加减速变化频率等。这两个方面决定了负载振动的状况。对电机而言，实现上述动力特性，需要输出扭矩，则必定相当有相同的反扭矩作用于电机轴。反复加减速运行时，有反复的反扭矩。考验的是电机自身的定力。而所谓的电机的定力，指电机的性能，重要参数就是电机自身的惯量，惯量越大，抗干扰能力越大。也就是惯量比越小。如果电机做得更精密，在实现相同性能的时候，惯量可以做得更小。
作者: YP582 时间: 2019-7-31 15:54
谢谢回复，最近在了解这一块内容，还在加深理解，学习了！后面不懂的还望指教，谢谢
！
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