伺服電機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中非常重要的一種驅(qū)動(dòng)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線等場合。伺服電機(jī)的性能指標(biāo)有很多，其中慣量是一個(gè)非常重要的參數(shù)。伺服電機(jī)的慣量可以分為低慣量和高慣量兩種，它們?cè)谛阅芎蛻?yīng)用上有很大的區(qū)別。本文將詳細(xì)介紹伺服電機(jī)低慣量和高慣量的區(qū)別，以及它們?cè)诓煌瑧?yīng)用場景中的優(yōu)缺點(diǎn)。

伺服電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，它通過接收控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械負(fù)載的精確控制。伺服電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、編碼器、驅(qū)動(dòng)器等部分組成。伺服電機(jī)的工作原理是利用電磁場的作用，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。

慣量是物體在受到外力作用時(shí)，保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的能力。在伺服電機(jī)中，慣量主要是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小與電機(jī)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑有關(guān)，質(zhì)量越大、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就越大。

低慣量伺服電機(jī)是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的伺服電機(jī)。低慣量伺服電機(jī)具有以下特點(diǎn)：

3.1 響應(yīng)速度快

由于低慣量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，當(dāng)電機(jī)受到外力作用時(shí)，轉(zhuǎn)子的加速度較大，因此響應(yīng)速度較快。這使得低慣量伺服電機(jī)在需要快速響應(yīng)的場合具有優(yōu)勢，如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等。

3.2 加減速性能好

低慣量伺服電機(jī)在加減速過程中，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，所需的力矩較小，因此加減速性能較好。這使得低慣量伺服電機(jī)在需要頻繁啟停、變速的場合具有優(yōu)勢。

3.3 控制精度高

由于低慣量伺服電機(jī)的響應(yīng)速度快，加減速性能好，因此在控制精度方面具有優(yōu)勢。低慣量伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械負(fù)載的精確控制，滿足高精度加工的需求。

3.4 能耗較低

低慣量伺服電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，所需的力矩較小，因此能耗較低。這使得低慣量伺服電機(jī)在節(jié)能方面具有優(yōu)勢。

高慣量伺服電機(jī)是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的伺服電機(jī)。高慣量伺服電機(jī)具有以下特點(diǎn)：

4.1 穩(wěn)定性好

由于高慣量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，當(dāng)電機(jī)受到外力作用時(shí)，轉(zhuǎn)子的加速度較小，因此穩(wěn)定性較好。這使得高慣量伺服電機(jī)在需要穩(wěn)定性的場合具有優(yōu)勢，如大型機(jī)械、重型設(shè)備等。

4.2 抗干擾能力強(qiáng)

高慣量伺服電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，對(duì)外界干擾的抵抗能力較強(qiáng)。這使得高慣量伺服電機(jī)在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)勢。

4.3 承載能力大

高慣量伺服電機(jī)由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，可以承受較大的負(fù)載。這使得高慣量伺服電機(jī)在承載能力要求較高的場合具有優(yōu)勢。

4.4 運(yùn)行平穩(wěn)

高慣量伺服電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，運(yùn)行更加平穩(wěn)。這使得高慣量伺服電機(jī)在需要平穩(wěn)運(yùn)行的場合具有優(yōu)勢。

5.1 低慣量伺服電機(jī)的應(yīng)用場景

低慣量伺服電機(jī)由于其響應(yīng)速度快、加減速性能好、控制精度高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于以下場合：

5.1.1 機(jī)器人

機(jī)器人需要快速響應(yīng)和精確控制，低慣量伺服電機(jī)可以滿足這些需求。

5.1.2 數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床需要高精度加工，低慣量伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械負(fù)載的精確控制。

5.1.3 自動(dòng)化生產(chǎn)線

自動(dòng)化生產(chǎn)線需要快速響應(yīng)和頻繁啟停，低慣量伺服電機(jī)具有優(yōu)勢。

5.2 高慣量伺服電機(jī)的應(yīng)用場景

高慣量伺服電機(jī)由于其穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、承載能力大等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于以下場合：

5.2.1 大型機(jī)械

大型機(jī)械需要穩(wěn)定性和承載能力，高慣量伺服電機(jī)可以滿足這些需求。

5.2.2 重型設(shè)備

重型設(shè)備在運(yùn)行過程中容易受到外界干擾，高慣量伺服電機(jī)具有抗干擾能力。

5.2.3 惡劣環(huán)境下的設(shè)備

在惡劣環(huán)境下，高慣量伺服電機(jī)的穩(wěn)定性和抗干擾能力具有優(yōu)勢。

慣量就是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性的度量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小的物理量。它與剛體的質(zhì)量，質(zhì)量相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的分布有關(guān)。

(剛體是指 理想狀態(tài)下的不會(huì)有任何變化的物體)

伺服電機(jī)的慣量指的是伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的慣量。對(duì)于電機(jī)的加減速來說相當(dāng)重要。如果不能很好的匹配慣量,電機(jī)的動(dòng)作會(huì)很不平穩(wěn).

一般來說，小慣量的電機(jī)制動(dòng)性能好，啟動(dòng)，加速，停止的反應(yīng)很快，高速往復(fù)性好，適合于一些輕負(fù)載，高速定位的場合。

中、大慣量的電機(jī)適用大負(fù)載，平穩(wěn)要求比較高的場合。

理想情況，伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電機(jī)的響應(yīng)控制，最佳值為負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比為一，最大不可超過五倍。

當(dāng)負(fù)載慣量確實(shí)很大，機(jī)械設(shè)計(jì)不可能使負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比小于五倍時(shí)，需要選擇大慣量電機(jī)。

慣量匹配和最佳傳動(dòng)比

伺服電機(jī)的基本功能就是將輸入的電功率快速的轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率輸出。功率轉(zhuǎn)換的越快，伺服電機(jī)的快速性越好。

伺服系統(tǒng)中，從負(fù)載角度看，負(fù)載以最大的功率變化率將輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出功率。

當(dāng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。即“慣量匹配時(shí)”，負(fù)載的功率變化率最大，響應(yīng)最快。

有時(shí)伺服電機(jī)和負(fù)載之間接有減速器，那么如何選擇最佳減速比，使負(fù)載側(cè)的功率變化率最大。

慣量就是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性的度量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小的物理量。它與剛體的質(zhì)量、質(zhì)量相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的分布有關(guān)。(剛體是指理想狀態(tài)下的不會(huì)有任何變化的物體)，選擇的時(shí)候遇到電機(jī)慣量，也是伺服電機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。它指的是伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的慣量，對(duì)于電機(jī)的加減速來說相當(dāng)重要。如果不能很好的匹配慣量，電機(jī)的動(dòng)作會(huì)很不平穩(wěn)。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=轉(zhuǎn)動(dòng)半徑*質(zhì)量

低慣量就是電機(jī)做的比較扁長，主軸慣量小，當(dāng)電機(jī)做頻率高的反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣量小，發(fā)熱就小。所以低慣量的電機(jī)適合高頻率的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使用。但是一般力矩相對(duì)要小些。

高慣量的伺服電機(jī)就比較粗大，力矩大，適合大力矩的但不很快往復(fù)運(yùn)動(dòng)的場合。因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)到停止，驅(qū)動(dòng)器要產(chǎn)生很大的反向驅(qū)動(dòng)電壓來停止這個(gè)大慣量，發(fā)熱就很大了。

一般來說，小慣量的電機(jī)制動(dòng)性能好，啟動(dòng)，加速停止的反應(yīng)很快，高速往復(fù)性好，適合于一些輕負(fù)載，高速定位的場合,如一些直線高速定位機(jī)構(gòu)。中、大慣量的電機(jī)適用大負(fù)載、平穩(wěn)要求比較高的場合，如一些圓周運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和一些機(jī)床行業(yè)。

如果負(fù)載比較大或是加速特性比較大，而選擇了小慣量的電機(jī)，可能對(duì)電機(jī)軸損傷太大，選擇應(yīng)該根據(jù)負(fù)載的大小，加速度的大小等等因素來選擇，一般的選型手冊(cè)上有相關(guān)的能量計(jì)算公式。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電機(jī)的響應(yīng)控制，最佳值為負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比為一，最大不可超過五倍。通過機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，可以使負(fù)載。

慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比接近一或較小。當(dāng)負(fù)載慣量確實(shí)很大，機(jī)械設(shè)計(jì)不可能使負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比小于五倍時(shí)，則可使用電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量較大的電機(jī)，即所謂的大慣量電機(jī)。使用大慣量的電機(jī)，要達(dá)到一定的響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)器的容量應(yīng)要大一些。

慣量匹配

在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會(huì)碰到慣量問題!具體表現(xiàn)

1、在伺服系統(tǒng)選型時(shí)，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計(jì)算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量，再根據(jù)機(jī)械的實(shí)際動(dòng)作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機(jī)。

2、在調(diào)試時(shí)(手動(dòng)模式下)，正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題，此點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由為突出(臺(tái)達(dá)伺服慣量比參數(shù)為1-37，JL/JM)。這樣，就有了慣量匹配的問題!

那到底什么是“慣量匹配”呢?

1、根據(jù)牛頓第二定律：“進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J×角加速度θ

角加速度θ影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時(shí)間越長，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。

2、進(jìn)給軸的總慣量“J=伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)量JM+電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動(dòng)量JL

負(fù)載慣量JL由(以工具機(jī)為例)工作臺(tái)及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機(jī)選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負(fù)載改變而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。

知道了什么是慣量匹配，那慣量匹配具體有什么影響又如何確定呢?

影響

傳動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會(huì)使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。

確定

衡量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣量越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好;慣量越大，馬達(dá)的負(fù)載也就越大，越難控制，但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu)，對(duì)慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。例如，CNC中心機(jī)通過伺服電機(jī)作高速切削時(shí)，當(dāng)負(fù)載慣量增加時(shí)，會(huì)發(fā)生：

(1)控制指令改變時(shí)，馬達(dá)需花費(fèi)較多時(shí)間才能達(dá)到新指令的速度要求。

(2)當(dāng)機(jī)臺(tái)沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時(shí)，會(huì)發(fā)生較大誤差：

①一般伺服電機(jī)通常狀況下，當(dāng)JL≦JM，則上面的問題不會(huì)發(fā)生;

②當(dāng)JL=3×JM，則馬達(dá)的可控性會(huì)些微降低，但對(duì)平常的金屬切削不會(huì)有影響(高速曲線切削一般建議JL≦JM);

③當(dāng)JL≧3×JM，馬達(dá)的可控性會(huì)明顯下降，在高速曲線切削時(shí)表現(xiàn)突出。

不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對(duì)JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據(jù)機(jī)械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來確定。

伺服電機(jī)，作為伺服系統(tǒng)中的核心部件，負(fù)責(zé)控制機(jī)械元件的精準(zhǔn)運(yùn)轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速完全響應(yīng)輸入信號(hào)的指揮，展現(xiàn)出迅捷的反應(yīng)能力。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的核心，快速響應(yīng)輸入信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)軸的精確角位移，在自動(dòng)化領(lǐng)域起到重要作用。其小機(jī)電時(shí)間常數(shù)、高線性度以及低始動(dòng)電壓等卓越特性，使得能夠高效地將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)軸上的精確角位移或角速度輸出。

? 伺服電機(jī)的慣量特性

在伺服電機(jī)的應(yīng)用中，低慣量與高慣量特性有著顯著的區(qū)別，這對(duì)低慣量電機(jī)適合高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但力矩較小;高慣量電機(jī)適合大力矩但非高速運(yùn)動(dòng)，慣量影響選擇。低慣量電機(jī)設(shè)計(jì)得較為扁長，主軸慣量較小，這使得它在高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱較少，非常適合高頻率的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如直線高速定位機(jī)構(gòu)。然而，其力矩相對(duì)較小。相比之下，高慣量伺服電機(jī)則設(shè)計(jì)得更為粗大，力矩更大，更適用于大力矩但非高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的場合，如機(jī)床行業(yè)。

慣量是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的度量，與剛體的質(zhì)量及其相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的分布密切相關(guān)。在伺服電機(jī)中，慣量決定電機(jī)的加減速性能，選擇合適的慣量匹配至關(guān)重要，影響輕負(fù)載和大負(fù)載場合的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子慣量是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它直接影響電機(jī)的加減速性能。選擇適當(dāng)?shù)膽T量匹配對(duì)于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。小慣量電機(jī)通常具有出色的制動(dòng)性能和高速往復(fù)性，適合輕負(fù)載、高速定位的場合;而中、大慣量的電機(jī)則適用于大負(fù)載、平穩(wěn)性要求較高的場合。

在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)控制中，負(fù)載慣量和電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的匹配至關(guān)重要。負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的最佳匹配接近一或更小，以獲得最佳驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)性能。這種最佳匹配情況下，負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比接近一或更小，這樣驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)性能最好。

然而，當(dāng)負(fù)載慣量確實(shí)很大，機(jī)械設(shè)計(jì)無法滿足這一匹配要求時(shí)，可以選擇具有較大轉(zhuǎn)子慣量的電機(jī)，即所謂的大慣量電機(jī)。若機(jī)械設(shè)計(jì)無法滿足匹配要求，選擇大慣量電機(jī)并增加驅(qū)動(dòng)器容量可以更好地適應(yīng)大負(fù)載。但需要注意的是，使用大慣量電機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的容量需要相應(yīng)增加以確保響應(yīng)性能。