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如何理解慣量比的問題
發布時間:2019-08-16 作者來源:摩森機電 訪問次數:1295

經常玩運控的朋友一定都聽到過“慣量比”這個詞兒,“老法師”們通常對慣量匹配都有著各自獨到的見解,比如在某些運控應用中慣量比要小于某個數值,10、5、3或者更小,也有的說要控制精度高,就得降低慣量比......等等。


不僅如此,在某些廠家的產品手冊中,對其電機產品的選型還有關于慣量比的“推薦值”。比如下面摘錄的某電機的選型樣本,注意紅色方框部分。


直驅電機慣量比.jpg


那么,為什么會有慣量比的問題?它對與運控系統會帶來什么樣的影響呢?這就要從前文書提到的關于“傳動剛性”的問題談起。


前文書說了,當運控傳動鏈剛性不佳時,在驅動側(也就是電機側)與被驅動側(負載側)之間會產生“間隙”或/和“彈性”效應,電機輸出的驅動力傳輸到負載有遲滯,并且在兩側之間會有相對位移。


在系統進行動態調整的過程中,電機需要輸出扭矩驅動負載的加減速運動,但由于電機側與負載側所受到的作用力的不同步,造成相互之間有速度差,同時由于雙方之間有相對位移空間,于是驅動側與被驅動側會產生“彈性碰撞”。


而受到這樣的“彈性碰撞”的影響,驅動與負載兩側會受到大小相同而方向相反的“碰撞力”的影響并改變運動速度,同時改變雙方相對運動的方向,然后在間隙空間的另一側再次“碰撞”。周而復始,電機側與負載側在動態加減速運行時,不斷進行著“彈性碰撞”。


這些“碰撞”會給電機的運行速度和位置帶來“偏差擾動”,同時這些偏差會通過電機編碼器實時反饋給運控系統,系統會“本能”地對這些由于碰撞產生的“偏差擾動”進行實時調整。之所以說時“擾動”,是因為這些偏差本身并不是真實的負載位置和速度誤差,而是由于上述頻繁的“碰撞”改變了電機的運行狀態而產生的“額外”的誤差。


說到這,貌似和本文題目“慣量比”還沒啥關系嘛!甭著急,接下來就要放大招了。



我是“大招”分割線...


前面說的“彈性碰撞”這個詞,是不是好熟悉的樣子?對哦,在中學物理有教過彈性碰撞的幾個定律的,什么動量守恒定律、能量守恒定律啥的......


不過呢,那些定量的運算和分析,咱在這就不用費那個勁燒腦了,直接說最關鍵的定性結論吧。在彈性碰撞過程中,如果物體質量(慣性)越大,其碰撞后的運動狀態改變越小,反之質量越小,碰撞帶來的運動狀態改變越大。換言之,物體質量(慣性)越大,在碰撞中更容易保持接近原有運行狀態。


對于運控應用而言,如果系統慣量比大,就意味著電機慣量較小,那么在非剛性的彈性傳動系統的動態加減速運動過程中,由于間隙和彈性效應產生的電機側與負載側的“彈性碰撞”,會對慣量較小的電機的運行狀態產生較大的“擾動”,這就直接增加了系統控制調整的難度,輕則影響控制精度,嚴重的可能造成電機的抖動甚至系統的振動和崩潰。在這種情況下,我們通常的做法,就是降低運控系統的頻率響應值(增益),而此時的系統動態響應性能自然也就隨之下降了。


反過來,較小的慣量比,意味著相對較高的電機慣量,在上述的“碰撞”過程中,其運動狀態受到的“擾動”也就相應的小了,這樣運控系統控制調整的難度就降低了,更容易讓電機和系統達到比較穩定的運行狀態,自然也就能夠較好的確保其控制精度。


所以,慣量比的問題本質上是由于動力源與負載之間的非剛性傳動連接而帶來的,它其實是關于在運動過程中“以誰為主”的問題。


如果選擇使用較大的慣量比,那么意味著電機驅動力將更多的作用在自身的運動上,而受到相對較小的負載擾動,而系統運動狀態更多的以電機為主。從對系統把控力度方面看,這當然是我們更希望的。


這就好像在一輛大巴上,某一個乘客在車上的來回跑動,對于車輛的運行幾乎不會產生什么影響,但如果是整車的乘客按照同樣的步調來回移動,那么情況就完全不同了。





那么是不是說,在剛性傳動系統中,就沒有慣量比的問題了呢?

這個問題比較復雜,因為事實上并不存在絕對的剛性傳動,只要驅動力和加速度足夠大,任何傳動連接都是“軟”的。

直驅力矩電機.jpg

不過,有一點是肯定的,如果系統傳動剛性越大,就能夠使用更大的慣量比匹配。比如我們后面會談到“直接力矩電機”。


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