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对于运控系统，多大的惯量比是过大 它会影响性能么？ 如何可以通过整定来补偿呢？ 机械联接（如联轴器）对其有何影响？ 答案并不那么简单。 前文书我们提到惯量比与传动刚性之间的关系。 本期，我们试着通过一个简单的实验，帮助大家寻找一些线索。 这个实验是我早年入行不久，在参加一次产品应用培训时经历的。 本期底部有此实验的完整视频。 实验台非常简单，如上图所示，就是用一台 1.5kW 的伺服电机来带动一只 5 倍于电机转子惯量的钢制飞轮负载。换句话说，这个系统的惯量比为 5 : 1. 不过这个飞轮负载并不是直接连接在电机轴上的，而是安装在一根长约 1 米、直径约 10mm 的金属棒长轴上，并通过联轴器与电机轴相连。在实验中，这根金属棒长轴就模拟了设备中的机械传动机构。 同时这个飞轮负载在长轴上的位置是可以调节的，如果将其置于长轴上离电机较远的位置时，模拟机械传动系统的柔性连接。 将飞轮负载置于离电机较近的位置时，模拟传动系统的刚性连接。 先将负载置于电机远端。我们通过一些基本的整定功能对轴进行调整。 此时我们发现，如果使用较高的系统增益（响应带宽）参数，电机会产生剧烈抖动和嚣叫，系统变得极不稳定。为了获得稳定的运动性能，我们不得不将增益值降下来。 但相应的，系统的运动特性也变得很软，动态响应力度变弱，用手指就可以轻松来回转动负载。 接下来，将负载靠近电机，此时再对系统进行调整，则已经可以轻松的使用极高的系统增益值了，相应的，电机的动态响应力度变强，系统的运动特性也变得很硬，有了极高的动态特性。 在这个实验中，负载和电机的惯量比仅为 5 ：1，在使用同一套增益和频响值的情况下，仅仅是简单的调整负载离电机的远、近，就可以让系统的运动性能产生巨大的差异和变化：
看上去很难相信，这么一小段（约半米）的轴所带来的机械联接的刚性（弹性）的变化，都会影响到伺服系统的稳定性与动态性能。 前文书关于《惯量与驱动控制》一文我们讲过，对于大惯量的负载，在做完轴的自整定后，伺服环的增益值可能会很高，这是为了在大惯量负载时获得更好的动态性能。但是通常这样的增益值，是伺服系统基于系统刚性联接情况下计算出来的。如果系统刚性不那么好，那么系统将会变得不稳定，出现嚣叫。 通常要将伺服系统调的稳定，需要将增益值降下来，也就是降低系统响应频率。在这里，响应频率降下来后，系统立刻变得稳定，而且不再啸叫。然而，系统的性能也变软了，而且我们发现已经可以用手转动轴了。也就是说，响应频率的下降直接导致性能的下降。 如果需要更好的性能，那么比较现实的做法，是将电机和负载之间的联接刚性提高。
因此，惯量比多大是“太大了”以及多少合适，其实并没有标准答案。惯量比只是系统“方程式”中的一部分。所有的伺服系统，都需要在这几个方面相互平衡、折中、妥协：
在任何系统中，以上这三点我们是无法同时做到的。 比如要让一个惯量比达到100：1或者更高的系统运转起来，如果系统刚性不佳，此时就需要降低系统响应频率（即增益值）－在性能上妥协；或者我们仍然需要有较高的动态特性，那么就不能允许在电机和负载之间有任何间隙和柔性的联接，例如：直接驱动电机，直线电机技术，使得电机和负载直接联接在一起，传动系几乎没有间隙，达到极高的刚性，此时即便有很高的惯量比，系统性能依然可以极高。 下面这张基于经验的趋势图表，定性的诠释了惯量比与系统刚性和动态性能之间的关系，或许可以为我们在实际应用的系统设计和选型，起到一定的参考作用。
合适的惯量比主要取决于运动曲线有多么“激进”以及机械传动有多“硬”，不同的动态特性预期和传动刚性的差异，决定了特定运控系统所“适合”的惯量比。 一些速度较慢或者基本保持恒速运行的应用，如分度转台等，对惯量比要求并不苛刻，基本不要求个位数的惯量比，如果采用较好的刚性机械传动（如直接驱动电机），惯量比达到几百甚至上千有时也是可以接受的。 但对于那些高动态、高精度应用，比如：印刷的套准同步、三角机器人的高速抓取等，即使采用极佳的刚性传动，也不敢使用较大的惯量比（有时 10 都已经很大了）；而如果传动刚性不足，那么可能 1:1 的惯量比都大了。 正如趋势图中所示，基于不同的动态和精度性能，根据不同的传动机构类型所带来系统刚性差异，可能的惯量比匹配范围还是很大的，是需要在实际具体的运控应用中，区别对待，具体情况，具体分析的。 任何抛开“运动性能”和“传动刚性”、只谈“惯量比”的做法都是______。 |
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