伺服电机高低惯量的区别详解

伺服电机是现代工业自动化领域中非常重要的一种驱动设备，广泛应用于机器人、数控机床、自动化生产线等场合。伺服电机的性能指标有很多，其中惯量是一个非常重要的参数。伺服电机的惯量可以分为低惯量和高惯量两种，它们在性能和应用上有很大的区别。本文将详细介绍伺服电机低惯量和高惯量的区别，以及它们在不同应用场景中的优缺点。

伺服电机是一种能够将电能转换为机械能的设备，它通过接收控制信号来实现对机械负载的精确控制。伺服电机主要由定子、转子、编码器、驱动器等部分组成。伺服电机的工作原理是利用电磁场的作用，使转子产生旋转运动，从而实现对机械负载的驱动。

惯量是物体在受到外力作用时，保持原有运动状态不变的能力。在伺服电机中，惯量主要是指电机转子的转动惯量。转动惯量的大小与电机的质量和转动半径有关，质量越大、转动半径越大，转动惯量就越大。

低惯量伺服电机是指电机转子的转动惯量较小的伺服电机。低惯量伺服电机具有以下特点：

3.1 响应速度快

由于低惯量伺服电机的转动惯量较小，当电机受到外力作用时，转子的加速度较大，因此响应速度较快。这使得低惯量伺服电机在需要快速响应的场合具有优势，如机器人、数控机床等。

3.2 加减速性能好

低惯量伺服电机在加减速过程中，由于转动惯量较小，所需的力矩较小，因此加减速性能较好。这使得低惯量伺服电机在需要频繁启停、变速的场合具有优势。

3.3 控制精度高

由于低惯量伺服电机的响应速度快，加减速性能好，因此在控制精度方面具有优势。低惯量伺服电机可以实现对机械负载的精确控制，满足高精度加工的需求。

3.4 能耗较低

低惯量伺服电机在运行过程中，由于转动惯量较小，所需的力矩较小，因此能耗较低。这使得低惯量伺服电机在节能方面具有优势。

高惯量伺服电机是指电机转子的转动惯量较大的伺服电机。高惯量伺服电机具有以下特点：

4.1 稳定性好

由于高惯量伺服电机的转动惯量较大，当电机受到外力作用时，转子的加速度较小，因此稳定性较好。这使得高惯量伺服电机在需要稳定性的场合具有优势，如大型机械、重型设备等。

4.2 抗干扰能力强

高惯量伺服电机在运行过程中，由于转动惯量较大，对外界干扰的抵抗能力较强。这使得高惯量伺服电机在恶劣环境下具有优势。

4.3 承载能力大

高惯量伺服电机由于转动惯量较大，可以承受较大的负载。这使得高惯量伺服电机在承载能力要求较高的场合具有优势。

4.4 运行平稳

高惯量伺服电机在运行过程中，由于转动惯量较大，运行更加平稳。这使得高惯量伺服电机在需要平稳运行的场合具有优势。

5.1 低惯量伺服电机的应用场景

低惯量伺服电机由于其响应速度快、加减速性能好、控制精度高等特点，主要应用于以下场合：

5.1.1 机器人

机器人需要快速响应和精确控制，低惯量伺服电机可以满足这些需求。

5.1.2 数控机床

数控机床需要高精度加工，低惯量伺服电机可以实现对机械负载的精确控制。

5.1.3 自动化生产线

自动化生产线需要快速响应和频繁启停，低惯量伺服电机具有优势。

5.2 高惯量伺服电机的应用场景

高惯量伺服电机由于其稳定性好、抗干扰能力强、承载能力大等特点，主要应用于以下场合：

5.2.1 大型机械

大型机械需要稳定性和承载能力，高惯量伺服电机可以满足这些需求。

5.2.2 重型设备

重型设备在运行过程中容易受到外界干扰，高惯量伺服电机具有抗干扰能力。

5.2.3 恶劣环境下的设备

在恶劣环境下，高惯量伺服电机的稳定性和抗干扰能力具有优势。

惯量就是刚体绕轴转动的惯性的度量。转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量。它与刚体的质量，质量相对于转轴的分布有关。

(刚体是指 理想状态下的不会有任何变化的物体)

伺服电机的惯量指的是伺服电机转子本身的惯量。对于电机的加减速来说相当重要。如果不能很好的匹配惯量,电机的动作会很不平稳.

一般来说，小惯量的电机制动性能好，启动，加速，停止的反应很快，高速往复性好，适合于一些轻负载，高速定位的场合。

中、大惯量的电机适用大负载，平稳要求比较高的场合。

理想情况，伺服驱动器对伺服电机的响应控制，最佳值为负载惯量与电机转子惯量之比为一，最大不可超过五倍。

当负载惯量确实很大，机械设计不可能使负载惯量与电机转子惯量之比小于五倍时，需要选择大惯量电机。

惯量匹配和最佳传动比

伺服电机的基本功能就是将输入的电功率快速的转换为机械功率输出。功率转换的越快，伺服电机的快速性越好。

伺服系统中，从负载角度看，负载以最大的功率变化率将输入功率转换为输出功率。

当负载的转动惯量等于电动机的转动惯量。即“惯量匹配时”，负载的功率变化率最大，响应最快。

有时伺服电机和负载之间接有减速器，那么如何选择最佳减速比，使负载侧的功率变化率最大。

惯量就是刚体绕轴转动的惯性的度量，转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量。它与刚体的质量、质量相对于转轴的分布有关。(刚体是指理想状态下的不会有任何变化的物体)，选择的时候遇到电机惯量，也是伺服电机的一项重要指标。它指的是伺服电机转子本身的惯量，对于电机的加减速来说相当重要。如果不能很好的匹配惯量，电机的动作会很不平稳。

转动惯量=转动半径*质量

低惯量就是电机做的比较扁长，主轴惯量小，当电机做频率高的反复运动时，惯量小，发热就小。所以低惯量的电机适合高频率的往复运动使用。但是一般力矩相对要小些。

高惯量的伺服电机就比较粗大，力矩大，适合大力矩的但不很快往复运动的场合。因为高速运动到停止，驱动器要产生很大的反向驱动电压来停止这个大惯量，发热就很大了。

一般来说，小惯量的电机制动性能好，启动，加速停止的反应很快，高速往复性好，适合于一些轻负载，高速定位的场合,如一些直线高速定位机构。中、大惯量的电机适用大负载、平稳要求比较高的场合，如一些圆周运动机构和一些机床行业。

如果负载比较大或是加速特性比较大，而选择了小惯量的电机，可能对电机轴损伤太大，选择应该根据负载的大小，加速度的大小等等因素来选择，一般的选型手册上有相关的能量计算公式。

伺服电机驱动器对伺服电机的响应控制，最佳值为负载惯量与电机转子惯量之比为一，最大不可超过五倍。通过机械传动装置的设计，可以使负载。

惯量与电机转子惯量之比接近一或较小。当负载惯量确实很大，机械设计不可能使负载惯量与电机转子惯量之比小于五倍时，则可使用电机转子惯量较大的电机，即所谓的大惯量电机。使用大惯量的电机，要达到一定的响应，驱动器的容量应要大一些。

惯量匹配

在伺服系统选型及调试中，常会碰到惯量问题!具体表现

1、在伺服系统选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外，我们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量，再根据机械的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机。

2、在调试时(手动模式下)，正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前题，此点在要求高速高精度的系统上表现由为突出(台达伺服惯量比参数为1-37，JL/JM)。这样，就有了惯量匹配的问题!

那到底什么是“惯量匹配”呢?

1、根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T=系统传动惯量J×角加速度θ

角加速度θ影响系统的动态特性，θ越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果θ变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望θ的变化小，则J应该尽量小。

2、进给轴的总惯量“J=伺服电机的旋转惯性动量JM+电机轴换算的负载惯性动量JL

负载惯量JL由(以工具机为例)工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成。JM为伺服电机转子惯量，伺服电机选定后，此值就为定值，而JL则随工件等负载改变而变化。如果希望J变化率小些，则最好使JL所占比例小些。这就是通俗意义上的“惯量匹配”。

知道了什么是惯量匹配，那惯量匹配具体有什么影响又如何确定呢?

影响

传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响，惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。

确定

衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好;惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。例如，CNC中心机通过伺服电机作高速切削时，当负载惯量增加时，会发生：

(1)控制指令改变时，马达需花费较多时间才能达到新指令的速度要求。

(2)当机台沿二轴执行弧式曲线快速切削时，会发生较大误差：

①一般伺服电机通常状况下，当JL≦JM，则上面的问题不会发生;

②当JL=3×JM，则马达的可控性会些微降低，但对平常的金属切削不会有影响(高速曲线切削一般建议JL≦JM);

③当JL≧3×JM，马达的可控性会明显下降，在高速曲线切削时表现突出。

不同的机构动作及加工质量要求对JL与JM大小关系有不同的要求，惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点及加工质量要求来确定。

伺服电机，作为伺服系统中的核心部件，负责控制机械元件的精准运转。其转子转速完全响应输入信号的指挥，展现出迅捷的反应能力。在自动控制领域，伺服电机作为伺服系统的核心，快速响应输入信号，将电信号转化为电机轴的精确角位移，在自动化领域起到重要作用。其小机电时间常数、高线性度以及低始动电压等卓越特性，使得能够高效地将电信号转化为电动机轴上的精确角位移或角速度输出。

◉ 伺服电机的惯量特性

在伺服电机的应用中，低惯量与高惯量特性有着显著的区别，这对低惯量电机适合高频往复运动，但力矩较小;高惯量电机适合大力矩但非高速运动，惯量影响选择。低惯量电机设计得较为扁长，主轴惯量较小，这使得它在高频往复运动时发热较少，非常适合高频率的往复运动，如直线高速定位机构。然而，其力矩相对较小。相比之下，高惯量伺服电机则设计得更为粗大，力矩更大，更适用于大力矩但非高速往复运动的场合，如机床行业。

惯量是刚体绕轴转动惯性的度量，与刚体的质量及其相对于转轴的分布密切相关。在伺服电机中，惯量决定电机的加减速性能，选择合适的惯量匹配至关重要，影响轻负载和大负载场合的应用。转子惯量是一个关键指标，它直接影响电机的加减速性能。选择适当的惯量匹配对于电机的平稳运行至关重要。小惯量电机通常具有出色的制动性能和高速往复性，适合轻负载、高速定位的场合;而中、大惯量的电机则适用于大负载、平稳性要求较高的场合。

在伺服电机驱动器的响应控制中，负载惯量和电机转子惯量的匹配至关重要。负载惯量与电机转子惯量的最佳匹配接近一或更小，以获得最佳驱动器响应性能。这种最佳匹配情况下，负载惯量与电机转子惯量之比接近一或更小，这样驱动器的响应性能最好。

然而，当负载惯量确实很大，机械设计无法满足这一匹配要求时，可以选择具有较大转子惯量的电机，即所谓的大惯量电机。若机械设计无法满足匹配要求，选择大惯量电机并增加驱动器容量可以更好地适应大负载。但需要注意的是，使用大惯量电机时，驱动器的容量需要相应增加以确保响应性能。