電機轉子運動慣量的計算方法哪些,如何避免轉子慣性失配?

2021-01-09 老趙說製造

慣性是物體對速度變化的阻力,物體越重或尺寸越大,其慣性就越大。在運動控制或伺服系統中,電機和負載都有慣性,它們的慣量之比將影響系統的性能。這一比例是電機尺寸調整中最重要的一個方面,也是最容易被忽視的一個方面。 電機慣量主要由電機轉子的尺寸驅動。通過將所有運動部件(皮帶、螺釘、齒條和小齒輪、外部負載和聯軸器)的慣性相加,計算出負載慣性。

為了使電機控制系統在加減速過程中有效地控制負載,電機和負載的慣性應儘可能接近相等,但1:1的慣性匹配是很難實現的。許多因素都會影響可接受的慣性比,但最重要的因素之一是系統的符合性或結束。機械部件不是完全剛性的,並且隨著柔順部件的增加,系統將具有更多的柔順性。系統合規性主要由更靈活的部件(如皮帶和聯軸器)驅動,一般來說,柔度越高,慣性比應該越低。

沒有確定理想慣量的公式,但大多數伺服尺寸指南的目標是慣性比10:1或更低,較高的傳動比會導致電機比必要時超負荷工作,並且在劇烈運動時會導致沉降時間增加,從而降低效率,增加運行成本和循環時間。通過適當的慣性比,如果慣性比非常高(超過10:1),則電機可能根本無法控制系統,即使處於靜止狀態。這將導致電機使用過多的功率來保持負載穩定,或者需要大量的工程時間來將系統調節到穩定狀態。

電機製造行業大多採用四種慣量估測技術,以具體應用在電機實際物理結構中,求得準確的電機轉子慣量值,四種方法分別為控制補償法、慣量比較法、分段辨識法及電氣比較法。

控制補償發:1992 洛侖茲(Robert D. Lorenz)提出一種測電機內部 參數方法,求得包括慣、黏滯係數Viscosity) 及摩擦損耗之值,其原由前饋補償之控制論(Feedforward Control),估得電機參數值,此一作法已大應用於伺服級電機中。

慣量比較法:近來,以色MEA電機測試公司(M.E.A. Testing Systems Ltd.)採用外加一個已知慣值之飛輪,觀察電機加裝飛輪後的加速變化,由已知慣估測未知慣的技術,獲得電機轉子慣值。

分段鑑別法:針對永磁式直有刷電機進系統鑑別(System Identification),用輸入多次大小同之步階電壓,透過數學矩陣運算,求得電機內部參數,包括電感、電阻、反電動勢常數(Back Electro Motive Force Constant, Back-EMF Constant) 、轉矩常數(Torque Constant) 、轉子慣及黏滯係數。

電氣比較法:已知電機系電能與動能間轉換機構,電機系統可劃分為電氣及機械兩種類別,電氣部分係指輸入電壓、電、電機線圈電阻及電感,機械部分為輸出轉矩、轉速、電機慣及黏滯係數。由自動控制學可知,電氣響應速會比機械響應速來得快。運用方式系改變電機機械參數,對電機慣進調整,故測時間較長。改變電機電氣參數,用控制器調整電機輸入電源,測時間較短。

已知改變電機電氣參數,測時間較為短暫,然而在操作時間上,洛侖茲需調配控制器參數而較為耗時,且慣值估測結果偏差較大,直接影響加速法測準。運用電機電氣參數部分,在影響慣估測前提下,提升電機測系統測試效,達到快速測之目的。

結論

如果慣量比太高,有兩種方法可以降低它:增加傳動比(每轉電機的輸出距離)或使用更大的電機。由於皮帶輪的低機械優勢,在皮帶傳動系統中經常需要變速箱。還可以顯著降低系統的慣性比,因為齒輪比對負載的慣性有平方反比的影響。降低慣性比的第二種方法是使用具有更高慣性的較大電機(有時移動到中等慣性電機)。但是,由於所需的空間和成本,變速箱是首選解決方案。

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