在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會碰到慣量問題。其具體表現(xiàn)為：在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統(tǒng)換算到電機軸的慣量，再根據(jù)機械的實際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；在調(diào)試時，正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)較佳效能的前提。此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出，這樣，就有了慣量匹配的問題。
一、“慣量匹配”是什么
1、根據(jù)牛頓第二定律：“進給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動慣量J×角加速度θ角”。加速度θ影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。
2、進給軸的總慣量“J＝伺服電機的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM＋電機軸換算的負載慣性動量JL。負載慣量JL由（以平面金切機床為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。如果希望J變化率小些，則可以使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。
二、如何確定“慣量匹配”
傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應(yīng)都有影響。慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設(shè)計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。衡量機械系統(tǒng)的動態(tài)特性時，慣量越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統(tǒng)的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構(gòu)，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。不同的機構(gòu)動作及加工質(zhì)量要求對JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，但大多要求JL與JM的比值小于十以內(nèi)。一句話，慣性匹配的確定需要根據(jù)機械的工藝特點及加工質(zhì)量要求來確定。對于基礎(chǔ)金屬切削機床，對于伺服電機來說，一般負載慣量建議應(yīng)小于電機慣量的5倍。
慣量匹配對于電機選型很重要的，同樣功率的電機，有些品牌有分輕慣量，中慣量，或大慣量。其實負載慣量可以還是用公式計算出來。常見的形體慣量計算公式在以前學(xué)的書里都有現(xiàn)成的（可以去查機械設(shè)計手冊）。我們曾經(jīng)做過一試驗，在一伺服電機的軸伸，加一大的慣量盤準備用來做測試，結(jié)果是：伺服電機低速時停不住，搖頭擺尾，不停地振蕩怎么也停不下來。后來改為：在兩個伺服電機的軸伸對接加裝聯(lián)軸器，對其中一個伺服電機通電，作為動力即主動，另一個伺服電機作為從動，即做為一個小負載。原來那個搖頭擺尾的伺服電機，啟動、運動、停止，運轉(zhuǎn)一切正常！
三、慣量的理論計算的功式
慣量計算都有公式，至于多重負載，比如齒輪又帶齒輪，或渦輪蝸桿傳動，只要分別算出各轉(zhuǎn)動件慣量然后相加即是系統(tǒng)慣量，電機選型時建議根椐不同的電機進行選配。負載的轉(zhuǎn)動慣量肯定是要設(shè)計時通過計算算出來拉，如果沒有這個值，電機選型肯定是不那么合理的，或者肯定會有問題的，這是選伺服的重要的幾個參數(shù)之一。至于電機慣量，電機樣本手冊上都有標注。當然，對某些伺服，可以通過調(diào)整伺服的過程測出負載的慣量，作為理論設(shè)計中的計算的參考。畢竟在設(shè)計階段，很多類似摩擦系數(shù)之類的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗來猜，不可能準確。理論設(shè)計中的計算的公式：（僅供參考）通常將轉(zhuǎn)動慣量J用飛輪矩GD2來表示，它們之間的關(guān)系為
J=mp^2=GD^2/4g
式中
m與G－轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量（kg）與重量（N）；
D－慣性半徑與直徑（m）；
g=9.81m/s2－重力加速度飛輪慣量=速度變化率*飛輪距/375
當然，理論與實際總會有偏差的，有些地區(qū)（如在歐洲），一般是采用中間值通過實際測試得到。這樣，相對我們的經(jīng)驗公式要準確一些。不過，在目前還是需要計算的，也有固定公式可以去查機械設(shè)計手冊的。
四、摩擦系數(shù)
關(guān)于摩擦系數(shù)，一般電機選擇只是考慮一個系數(shù)加到計算過程中，在電機調(diào)整時通常都不會考慮。不過，如果這個因素很大，或者講，足以影響電機調(diào)整，有些日系通用伺服，據(jù)稱有一個參數(shù)是用來專門測試的，至于是否好用，本人沒有用過，估計應(yīng)該是好用的。有網(wǎng)友發(fā)貼說，曾有人發(fā)生過這樣的情況：設(shè)計時照搬國外的機器，機械部分號稱一樣，電機功率放大了50%選型，可是電機轉(zhuǎn)不動。因為樣機的機械加工、裝配的精度太差，負載慣量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，對具體工況考慮不周。當然，黏性阻尼和摩擦系數(shù)不是同一個問題。摩擦系數(shù)是不變值，這點可以通過電機功率給予補償，但黏性阻尼是變值，通過增大電機功率當然可以緩解，但其實是不合理的。況且沒有設(shè)計依據(jù)，這個可以是在機械狀態(tài)上解決，沒有好的機械狀態(tài)，伺服調(diào)整完全是一句空話。還有，黏性阻尼跟機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、裝配等相關(guān)，這些在選型時是必須考慮的。而且跟摩擦系數(shù)也是息息相關(guān)的，正是因為加工水平不夠才造成的摩擦系數(shù)不定，不同點相差較大，甚至技術(shù)工人裝配水平的差異也會導(dǎo)致很大的差異，這些在電機選型時必須要考慮的。這樣，才會有保險系數(shù)，當然歸根結(jié)底還是電機功率的問題。
五、慣量的理論計算后，微調(diào)修正的簡單化
可能有些朋友覺的：太復(fù)雜了！實際情況是，某品牌的產(chǎn)品各種各樣的參數(shù)已經(jīng)確定，在滿足功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的條件下，產(chǎn)品型號已經(jīng)確定，如果慣量仍然不能滿足，能否將功率提高一檔來滿足慣量的要求？答案是：功率提高可以帶動加速度提高的話，應(yīng)是可以的。
1、初始化參數(shù)
在接線之前，先初始化參數(shù)。在控制卡上：選好控制方式；將PID參數(shù)清零；讓控制卡上電時默認使能信號關(guān)閉；將此狀態(tài)保存，確?？刂瓶ㄔ俅紊想姇r即為此狀態(tài)。在伺服電機上：設(shè)置控制方式；設(shè)置使能由外部控制；編碼器信號輸出的齒輪比；設(shè)置控制信號與電機轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系。一般來說，建議使伺服工作中的最大設(shè)計轉(zhuǎn)速對應(yīng)9V的控制電壓。比如，山洋是設(shè)置1V電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，出廠值為500，如果你只準備讓電機在1000轉(zhuǎn)以下工作，那么，將這個參數(shù)設(shè)置為111。
2、接線
將控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信號線。以下的線是必須要接的：控制卡的模擬量輸出線、使能信號線、伺服輸出的編碼器信號線。復(fù)查接線沒有錯誤后，電機和控制卡(以及PC)上電。此時電機應(yīng)該不動，而且可以用外力輕松轉(zhuǎn)動，如果不是這樣，檢查使能信號的設(shè)置與接線。用外力轉(zhuǎn)動電機，檢查控制卡是否可以正確檢測到電機位置的變化，否則檢查編碼器信號的接線和設(shè)置。
3、試方向
對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果反饋信號的方向不正確，后果肯定是災(zāi)難性的。通過控制卡打開伺服的使能信號。這是伺服應(yīng)該以一個較低的速度轉(zhuǎn)動，這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會有抑制零漂的指令或參數(shù)。使用這個指令或參數(shù)，看電機的轉(zhuǎn)速和方向是否可以通過這個指令(參數(shù))控制。如果不能控制，檢查模擬量接線及控制方式的參數(shù)設(shè)置。確認給出正數(shù)，電機正轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)增加；給出負數(shù)，電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，編碼器計數(shù)減小。如果電機帶有負載，行程有限，不要采用這種方式。測試不要給過大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或電機上的參數(shù)，使其一致。
4、抑制零漂
在閉環(huán)控制過程中，零漂的存在會對控制效果有一定的影響，可以將其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數(shù)，仔細調(diào)整，使電機的轉(zhuǎn)速趨近于零。由于零漂本身也有一定的隨機性，所以，不必要求電機轉(zhuǎn)速絕對為零。
5、建立閉環(huán)控制
再次通過控制卡將伺服使能信號放開，在控制卡上輸入一個較小的比例增益，至于多大算較小，這只能憑感覺了，如果實在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。將控制卡和伺服的使能信號打開。這時，電機應(yīng)該已經(jīng)能夠按照運動指令大致做出動作了。
6、調(diào)整閉環(huán)參數(shù)
細調(diào)控制參數(shù)，確保電機按照控制卡的指令運動，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經(jīng)驗，這里只能從略了。
西門子伺服電機運行時大家都遇到過電機轉(zhuǎn)速過慢、發(fā)熱或不能正常啟動等問題，所以接下來是我們西門子伺服電機維修中心給大家的一些簡要故障排除法，希望對大家有所幫助。 1. 電動機不能啟動或啟動不正常
故障原因:(1)電動機負載過重
(2)電動機軸承磨損,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡住
(3)換向器間發(fā)生短路
(4)電源電壓過低
(5)電刷和換向器接觸不良
排除方法: (1)應(yīng)當減輕負載
(2)清洗或更換轉(zhuǎn)軸
(3)查找短路點,清除短路或更換向器
(4)檢查電源,改善電源電壓條件
(5)調(diào)整電刷的彈簧壓力,研磨電刷,修理換向器表面
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