伺服電機選型時，為什么要考慮慣量匹配？
首先申明一點，關于這個問題，每個人的理解或理解的角度不同，做出的解釋可能不盡相同，甚至是完全相反。本文權且作淺學術層面的定性探討，看作自圓其說也罷。如有不同看法，請在評價或跟帖時理清思路，或給我私信，本人樂于接受批評指正。如思路不清或說了一通，卻跟問題的本質不沾邊，本人一概不予理會。
所謂“慣量匹配”，是指為了在伺服控制律層面更好地控制電機(尤其是外部負載會發生變化的場合)，要求外部負載折算到電機軸的慣量JL與電機轉子的慣量JM比值小于一個經驗閾值。很明顯地，從電機輸出扭矩的角度來說，外部負載慣量(考慮到減速比，折算到電機軸)、電機轉子慣量還有抱閘慣量都屬于扭矩需要帶動的負載，那么同樣都屬于負載，為什么需要對外部負載與電機轉子的負載慣量比JL/JM作為要求呢？
在百度文庫“伺服電機慣量問題”一文中，有這樣一句話：“JM為伺服電機轉子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值；而JL則可能隨工件等負載而變化。如果希望總慣量J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。”這句話只是給出了一個結論性的東西，至于個中原因，需要進一步挖掘。
再來看另一篇文章“應用人員與伺服產品之優秀功能的笑與淚”，有這樣一句話：“自整定是伺服驅動器對負載慣量進行了解，然后存入伺服驅動器，調試者只要調整速度環和位置環參數就可以了”。從這句話可以看出現行大多數伺服驅動器大致的參數整定原理：驅動器需要知道負載慣量比(外部等效負載慣量/電機轉子慣量)，接著根據這個比值載入出廠預設的電流環全部參數、速度環和位置環的部分參數，然后調試者調整速度環和位置環的相關參數(一般是PI參數)。由上分析可以看出，負載慣量比對伺服驅動器的參數整定是一個很重要的參數。
我們再來看第三篇文章“伺服系統慣量辨識及諧振抑制方法研究_李杰碩士論文”，有一段敘述（為保持行文風格一致，對原文做了適當改寫）：“在實際工程應用中，人們還常常通過調節伺服系統機械結構參數來避免或削弱諧振現象。減小負載慣量比，則傳動柔性對系統的影響越小。通過實驗給出了相同外部負載慣量條件下，選擇不同電機慣量對伺服系統諧振方程的開環Bode圖的影響，可以看出增加電機轉動慣量可以明顯降低諧振點諧振幅值，提高伺服系統穩定性。但增大電機慣量通常意味著選用更大型號的電機和驅動器，該方法常常帶來工程成本的增加。”這篇文章通過實驗的形式也給出了一個結論，那怎么樣來解釋其中的原因呢?
綜合第一和第三篇文章，我結合自己的理解，嘗試著從伺服控制律的層面來解釋。我們知道(不知道的，請自行腦補)，PID三環控制在參數整定時，往往是憑經驗，而且永遠沒有最優參數組合。這說明，一組合適的PID參數對機械結構參數在一定范圍內變化具備魯棒性，或者說具有一定的穩定裕度。那外部負載JL在總慣量J中的占比越小或者說外部等效負載慣量/電機轉子慣量的值越小，相應的的一組合適的PID參數的適應范圍就越大。反過來說，外部負載JL在總慣量J中的占比越大或者說外部等效負載慣量/電機轉子慣量的值越大，相應的一組合適的PID參數越靠近適應范圍的邊緣。我把這個稱為“邊緣效應”。那進一步深挖，電機轉子的慣量跟這個PID參數是怎么發生聯系的呢？我們知道，直觀上來講，電機轉子慣量越小，電機越細長；慣量越大，電機越扁粗。在額定功率相同、極對數相同、轉子慣量不同的電機在輸出相同力矩的情況下，轉子慣量大的電機，繞組電流越小(由簡單的理論力學和電磁學知識即可理解)。然后，在結合第二篇文章，電流環參數在三環參數里面影響是占主導位置的。繞組電流的減小，減弱了電流環對整個三環的影響。那么，現在應該明白“慣量匹配”是怎么回事了吧？
另外，關于抱閘慣量應該記在電機轉子慣量里面還是記在外部等效負載慣量里面就不用我解釋了吧？

如何理解慣量比的問題？
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。
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”。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的伺服电机选型时，惯量匹配和惯量比的问题的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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