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機械社區
標題: 如何理解慣量比的問題 [打印本頁]
作者: 淡然 時間: 2017-1-13 14:27
標題: 如何理解慣量比的問題
本帖最后由 淡然 于 2017-1-13 14:03 編輯
感覺這篇關于“慣量比”的文章分析比較到位，轉帖分享。感謝@茉莉素馨 社友提供的鏈接。
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。
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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。
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。
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“直接驅動電機”。
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作者: 鏗鏘大姜 時間: 2017-1-13 15:08
讀過控制工程和理論力學，理解這東西難么？
沒讀過控制工程，連增益是啥都不懂，還談啥慣量比，談啥運動控制和精度
都是基礎中的基礎，還要給基礎知識掃盲
樓主也算辛苦有心了！
只怕更多的人還是來這里記個數，拿回去，以后就按5去設計傳動系統了！
補充內容 (2017-1-16 12:49):
書上有的東西，自動控制原理都成熟了，還要我談什么？非要我用自己的語言去總結前人已經完美歸納好的知識，有味道么？學機械怎么能說懂點控制？控制工程就是機械專業的基本功！都是基礎中的基礎！！
補充內容 (2017-1-18 11:37):
蔡皓618 你真別亂叫，越叫越顯得你無知，隨隨便便有人談個慣量比你都上來維護，俺看得出來你是個啥水平的玩意；俺不必自報家門，管理員如果看得到我的ip，他自然知道我在啥公司
補充內容 (2017-1-18 11:40):
也有社友來過我公司，我們啥產品，啥東西，不是你這種說話水平的人玩得起的；論壇里別打嘴架，你覺得樓主談的好，你就看他的帖子，你覺得我說得有道理，自己就去買本自動控制去。別亂叫，切記，越叫越顯得自己無知
補充內容 (2017-1-19 08:27):
淡然元帥，這論壇我來了很久，您是注冊賬號的本人否？本以為你還算是有點水平的人，怎么也能說出讓別人亮出自己的小家伙的那種幼稚的話？說話真像個孩子！我讓蔡xx切記的話，您再看看吧！
補充內容 (2017-1-19 08:56):
俺以后也不亂說了，說了一堆沒技術含量的話，打了沒有用的嘴架，再見，孩子們
作者: 未來第一站 時間: 2017-1-14 23:19
回去看書去了。
作者: 淡然 時間: 2017-1-15 20:53
看哪方面的書？控制？
作者: yingqiuyao 時間: 2017-1-17 16:26
回去看書去了。.......
作者: 駱歡 時間: 2017-1-18 15:54
怎么沒有繼續呢
作者: 和龍 時間: 2017-1-18 16:07
學習學習
作者: 0377zjp 時間: 2017-1-18 17:02
你所說的剛性其實就是為振動服務的
作者: 空想1990 時間: 2017-1-20 18:55
學習了
作者: 63417138 時間: 2017-1-21 15:58
說得很透徹。
噴子們不要噴了，真的說得很好
一般情況下慣量我是這樣匹配的：國產電機3倍以內，進口的5倍以內。
至于伺服電機前面是否配減速箱，或者絲桿減箱，要根據實際情況來選擇，這里涉及的東西非常多。
作者: 夢寒 時間: 2017-2-5 09:17
我能說啥也沒有看懂么？？？
慚愧啊~~~
控制工程和理論力學，好，記住了。先看看書吧
作者: 張曉剛zxg 時間: 2017-2-8 22:47
學習了，謝謝分享
作者: hoot6335 時間: 2017-2-9 00:56
1+1=2低級嗎？MD華羅庚欺世盜名！
作者: 海角一棵樹 時間: 2017-2-9 09:07
多了解
作者: 只有快樂 時間: 2017-5-23 20:18
回去看機械手冊去了&
作者: ktangwu 時間: 2017-6-22 11:46
說的很有道理，是有必要回去看看當次大學學的那些課程了，在學校學習都是理論，不能很深入的了解，現在工作中深入下去才發現這些知識都是值得深挖一輩子的。
請問，樓主分享的這篇文章出處在哪？想看看其他部分，特別是直接驅動方面。目前有個直接驅動的機構設計。
作者: zwr1234 時間: 2017-6-22 11:53
學習了
作者: RONG融 時間: 2017-6-22 13:13
解釋的在透徹，也要自己領悟。
作者: Yeoman 時間: 2017-6-22 14:34
學習學習
作者: Yeoman 時間: 2017-6-22 14:46
又看了一邊，總算有點明白了
作者: iyxx37 時間: 2017-7-8 19:25
結論是我猜的，結果猜對了
作者: iyxx37 時間: 2017-7-8 19:27
我從負載動能和轉子動能方面想的
作者: iyxx37 時間: 2017-7-8 19:44
本人對控制完全不懂，留個名
不知這書咋樣
控制工程基礎 第3版
本教材是在董景新、趙長德等編著的《控制工程基礎（第2版）》的基礎上，引入近年來相關內容的發展重新編寫的，主要面向機械類、儀器類及其他非控制專業本科生，被列入普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。主要內容包括控制系統的動態數學模型、時域瞬態響應分析、控制系統的頻率特性、控制系統的穩定性分析、控制系統的誤差分析和計算、控制系統的綜合與校正、根軌跡法、控制系統的非線性問題、計算機控制系統。該教材突出機械運動作為主要控制對象，并對其數學模型和分析綜合重點作了介紹；著重基本概念的建立和解決機電控制問題的基本方法的闡明, 并簡化或略去了與機電工程距離較遠、較艱深的嚴格數學推導內容；引入和編寫了較多的例題和習題,便于自學。本教材融入了有關的機電一體化新技術和新分析方法，可供相關領域的科技人員參考。同時，為了配合本教材的使用，還制作了《控制工程基礎實驗指導》、教師用《控制工程基礎習題解》和多媒體課件，以供選用。
作者: 5555a 時間: 2017-7-25 13:32
學習了
作者: Captain.sT 時間: 2017-7-28 19:21
挺有用的
作者: 5555a 時間: 2017-8-3 09:52
挺有用的
作者: 華子2110 時間: 2017-8-17 14:36
謝謝樓主分享，非常不錯的帖子。
作者: 蘭溪YK 時間: 2018-5-6 16:56
講的很好
作者: 挺萌的TMD 時間: 2018-5-6 22:37
“管理員如果看得到我的ip，他自然知道我在啥公司”看你這句話寫的，暴露了你在工作時間，用公司電腦逛論壇，跟人打嘴仗。這樣不好。
作者: 有道科技 時間: 2018-5-31 22:22
感謝大神的分享！
作者: 374646576 時間: 2018-6-25 09:45
樓主說的“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。” 你這句話說錯了吧，我怎么看了跟你上面說的對不上號。如果你這句話是對的，那還談什么，管他什么情況，都選較大慣量比就是。那還談什么。
作者: kyfoor 時間: 2018-8-22 10:31
這其實是麥克風談伺服的內容。這里確實是寫錯了。
作者: 藍色格 時間: 2018-8-22 11:38
這句話說得沒有問題。“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。” 哪里有問題？？
作者: 藍色格 時間: 2018-8-22 11:39
樓主說得很精細。
作者: suorongbin 時間: 2019-2-14 14:49
????
作者: 呆樹懶93 時間: 2019-2-16 18:30
非常實用，及其解惑。
作者: YP582 時間: 2019-7-31 09:38
你好！按字面意思，大的慣量比，所有外在負載全部給電機克服了，那通過什么參數來評價電機可以克服多級傳動的擾動、振動負載呀？麻煩幫忙指正，不勝感激
作者: 藍色格 時間: 2019-7-31 13:17
不好意思，看錯了，應該是小的慣量比。
談不上什么指正？只是發表一下自己的看法。首先不是很了解你說的所有外在負載全部給電機克服了是什么一個概念。通過什么參數來評價電機可以克服多級傳動的擾動、振動負載呀？這句話也有點不是很理解。 但總的說，對負載而言，負載運行時的振動由兩個方面決定（不考慮電機特性）。負載機構系統的自身特性和動力特性。負載機構系統自身特性是指機械結構的組成特點，剛性如何。動力特性是指動力提供的速度、加速度、加減速變化頻率等。這兩個方面決定了負載振動的狀況。對電機而言，實現上述動力特性，需要輸出扭矩，則必定相當有相同的反扭矩作用于電機軸。反復加減速運行時，有反復的反扭矩。考驗的是電機自身的定力。而所謂的電機的定力，指電機的性能，重要參數就是電機自身的慣量，慣量越大，抗干擾能力越大。也就是慣量比越小。如果電機做得更精密，在實現相同性能的時候，慣量可以做得更小。
作者: YP582 時間: 2019-7-31 15:54
謝謝回復，最近在了解這一塊內容，還在加深理解，學習了！后面不懂的還望指教，謝謝
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