惯量不匹配以及直驱电机的优势

介绍

惯量不匹配指负载和电机之间的转动惯量不同，这在一些应用中是一个重点关注问题，特别是对于使用伺服电机或其他传统电机解决方案的应用而言。而对于使用直驱电机的应用，则没那么关注。

在伺服应用中，当负载和电机的惯量匹配时，功率传输将得到优化。否则，惯量严重不匹配可能会损害应用的性能。由于负载刚性连接，直驱电机应用则可以容忍更的惯量不匹配。

本白皮书简要介绍了在处理惯量及惯量不匹配时的最重要的话题，并非作为用来设计处理惯量不匹配的应用的完整指南，因为这个问题对直驱力矩电机来说没那么重要。

基础知识

转动惯量是一个表示一定角加速度需要多少转矩的量，它是一个可加的量。简单的形状可以组合在一起，形成一个复杂的形状。

旋转应用的常见示例包括：

• SCARA 机器人
• 晶圆搬运
• 分度工作台

计算旋转应用中的转矩的公式是：

τ = I * α

这个公式表示，当系统的惯量较小时，电机达到一定加速度时所需的转矩也较小。

什么是惯量不匹配？

• 它是电机和负载之间转动惯量的差异
• 由于顺应性和运动和回差而导致转矩传递欠佳
• 以比率表示（传统执行器通常不高于 1：10，由于顺应性低，直驱系统可能为 1：数千）
• 当使用刚性较低的连接或传动装置时，高比率会导致共振频率降低，谐振幅度增加。

低顺应性设计

描述系统共振频率的方程式表明，较小的负载惯量或较高的刚度将增加系统的反共振频率。反过来，就增加了系统的可用带宽，使其反应更快。

共振频率描述如下

通过使用齿轮箱可以降低负载惯量。齿轮箱减少了电机必须加速的负载惯量，同时增加了电机的速度。电机本身的惯量必须被加速到这个更高的速度和转矩。最低转矩下的最佳齿轮箱传动比降低了负载惯量与电机惯量。

另外，连接刚度可以通过直接连接电机和负载来增加。通过消除电机轴和连接器，转子和负载之间的顺应性可以减少几个数量级。

Tecnotion 力矩电机的转子具有较大的直径，这允许在电机和负载之间设计一个具有非常高刚度的连接器。这样就可以在不使用齿轮箱的情况下实现良好的性能，而齿轮箱会带来更多成本、复杂性和可能的回差。

惯量不匹配的影响和量级

如果惯量不匹配的数值过大，可能导致系统反应不良，表现出不可接收的过冲或共振，任何将电机轴与负载连接的弹性连接都会产生一个由惯量不匹配的共振频率引起的震荡。与电机惯量相比，负载电机惯量比越大，共振频率就越低。

伺服电机应用通常可以允许负载惯量比电机大几倍。而直驱应用可以允许负载惯量比电机惯量大几百倍甚至一千倍。

结论

对惯量不匹配低敏感性的优点：

• 有最佳的转矩传输
• 减少运动损失和顺应性
• 提高准确性和可重复性
• 提高效率和产量
• 不需要齿轮箱/更少的零件

由于负载与执行器之间的刚性连接，比起伺服电机和其他类似的执行器，直驱电机与负载的惯量相匹配不那么重要。当使用直驱电机时，负载的反应更快、更准确。