【儀表網 行業科普】你知道伺服電機和負載的關系嗎？它們就像是一對歡喜冤家，沒有一個好的慣量匹配規則，他們就無法達成一致，整個系統的穩定性就會大打折扣，因此1:1黃金匹配規則至關重要。隨著技術的發展，一場革命悄然而至！傳統的慣量匹配規則被顛覆，新的解決方案讓系統的效率和成本效益都得到了大幅提升。
01 規則的起源
在20世紀70年代，有刷伺服電機漸漸取代機床的液壓系統，設計人員根據機器預設性能參數，計算負載慣量、所需轉矩和轉速，以選擇合適的電機。為保持電機與負載慣量接近1:1 這一黃金匹配規則，常用辦法是使用大電機慣量或變速箱，減少伺服端的慣量負荷，但這無疑抬升了成本。
隨著處理器速度不斷加快，控制算法日益精密化，以往公認的電機與負載慣量匹配原則已經無法適應當前趨勢。尤其在高負載慣量、低連續轉矩要求的應用中會增加成本以及不必要的質量。在開發兼顧帶寬和伺服剛度的高性能解決方案時，電機慣量只是其中的一個考量因素。
02 技術進步帶來的新挑戰
隨著無刷電機技術、高能永磁體和數字整定回路的出現，慣量匹配面臨新挑戰。與有刷式電機相比，采用高能磁鐵轉子的電機慣量顯著降低，有些電機雖能滿足應用的持續和峰值轉矩需求，但電機與負載間慣量不匹配程度很高。盡管伺服電機數字整定回路能通過調節增益和濾波器實現穩定控制，但低處理器速度、反饋設備低分辨率等因素推動了帶附加慣量的無刷電機方案發展。
03 應對方案
處理能力的提升讓人們能夠開展復雜分析，構建精確數學模型并模擬系統響應。借助強大的集成伺服驅動工具，可對復雜機械系統交互分析，簡化伺服系統優化流程。先進的分析技術還能讓機器設計師深入了解機械系統特性并解決性能限制問題，從而應對技術進步帶來的挑戰。
增加剛度與減小系統慣量
機械系統數學模型揭示，高性價比的高效系統打造秘訣，在于增加機械剛度和減小系統總慣量。直驅設計下，即使面臨超1000:1的極端慣量差異，也能確保精準帶寬掌控。高剛性系統中，伺服體系按需定制轉矩輸出，適配慣量需求。然直驅并非全能，柔性元素不可或缺，得益于先進的分析工具，柔性弱點一覽無余，性能短板迎刃而解。
使用波特圖
波特圖是一種強大的分析工具，通過兩張圖表展示系統對注入信號的頻率響應，以確定系統的振幅和相位滯后。具有如下功能：
● 繪圖測量
波特圖由增益和相位圖組成，在理想系統中，振幅圖應為 -20dB/decade的負斜率直線，相位圖應從 -90°開始，自振幅跨過0dB的點起以負斜率下降。
● 計算帶寬
利用波特圖能確定開環和閉環帶寬以及相關的增益和相位裕度，其中帶寬由開環圖中達到0dB(~11Hz)的頻率表示，相位裕度是-180度(~48度)以上的度數，增益裕度是對應-180度(~9.2db)相位的幅度測量值。
以三軸激光切割機軸為例，運用慣量匹配法則優化電機選型，節支提效需要革新設計。探索替代電機，不僅可提升系統共振點，還增強增益與相位余地，穩固運行。精密伺服電機減輕系統慣性，賦予大軸更強剛性，實現在緊湊空間中釋放高功密度。剛性加強削弱柔度，全面提升設備效能。
通過消除慣量匹配方法，可以提高機械剛度和減少慣量，從而提升性能并節省成本。
04 總結
如今，憑借先進的整定能力、高性能伺服電機設計以及高分辨率反饋裝置，現代伺服驅動器克服了負載和電機慣量不匹配的痼疾。在設計剛性機構時，合理確定應用容量并借鑒優秀經驗，可實現帶寬更高、移動和穩定時間更優、動態控制性能強勁的高性能運動控制系統。
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