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刚性、惯量、响应时间及伺服增益调整之间的关系zz
日期:2011-9-6 15:12:20 点击:
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首先看看概念定义。

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        刚性:坚硬不易变化。对于一个结构固定的物体,刚性是其固有的特质。
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        惯量:物体运动的惯性量值,也是物体的固有特性。
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        响应时间:可以理解为从指令发出到动作完成之间的时间。 
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       来举个例子。 
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       刚性:钢管比较坚硬,受力不易改变,或者说形变小;橡皮筋比较软,受到同等力产生的形变比较大,我们就说钢管的刚性强,橡皮筋的刚性弱,或者说其柔性强。在我们伺服的应用中,用联轴器来连接电机和负载,就是典型的刚性连接;而用同步带或者皮带来连接电机和负载,就是典型的柔性连接。
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       惯量:惯量描述的是物体运动的惯性。以转动惯量为例,转动惯量是物体绕轴转动惯性的度量。其计算公式为:J=∑ mi*ri^2,    式中mi表示刚体的某个质点的质量,ri表示该质点到转轴的垂直距离。
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从式中可以看出,转动惯量只跟转动半径和物体质量(通常所说的重量)有关。
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       转动惯量和力矩的关系如下
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M=Jβ   其中M是扭转力矩   J是转动惯量   β是角加速度
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       也就是说,角加速度越大,所需要的力就越大,在平稳运行当中,即角加速度为零的时候,为克服转动惯量而输出的力就为零。生活中我们也有这种体验,在骑自行车的时候,在加速的过程中,我们需要出比较大的力,而当速度已经平稳了以后,则出力比较小。
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       同样,转动惯量越大,所需要的力也越大。就比如,如果要将一个静止状态的铁环推动起来(角加速度不为零),不需要多大的力,但要将一个静止的汽车轮胎推动起来,就需要很大的力。
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       反过来讲,当输出的力矩为固定值时,转动惯量越大,角加速度就越小。
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        响应时间:这里的响应时间不需要以自控原理内讲的响应时间来标定,只作为一个定性的分析。可以分解为电气系统的响应时间和机械系统的响应时间。
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        电气系统的响应时间,给定一个位置、速度、转矩指令,到电机运行至该位置、速度、转矩的时间。以位置模式为例,从发完指令到电机到达指令位置并停止所需要的时间,就是位置的响应时间,也可称为定位结束时间。
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同样的,若不给位置指令,电机就应该停在原位置上,但实际上电机并不是绝对禁止的,而是在该位置上实现一个动平衡。假如此时,用一个外力,使电机偏离该位置,伺服系统会先检测到偏差,然后才会输出一个反向的力让电机回到原位置上去。这里再次强调,伺服是不存在静态扭矩的概念的。
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        通常我们对伺服系统刚性的感受也是如此,在位置模式下,用力让电机偏转,如果用力较大且偏转角度较小,那么就认为伺服系统刚性强,反之则认为伺服刚性弱。实际上这里所说的刚性,更接近与响应速度这个概念,如果伺服系统的响应速度够快,当伺服系统刚刚检测到偏差就立即输出一个较大的反向力,自然“用力较大且偏转角度较小”,也就是伺服系统刚性较强。
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       机械的响应时间,与机械的刚性和惯量直接相关。试想,如果用一根弹簧去拖动物体,因为作为连接机构的弹簧刚性弱,当指令(拉动距离)已经发出的时候,由于弹簧产生形变的原因,被拖的物体或许还没有开始移动,而这个指令发出到指令到达之间的时间势必较长。
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      另一方面,对于一个固定大小的力,去转动某一个物体,根据公式M=Jβ,物体的惯量越大,角加速度就越小,到达指令转速的时间就越长。
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        再将伺服系统和机械系统连结起来。我们都知道伺服系统的三环结构,即由外而内的位置环、速度环、转矩环,当我们在探讨整个机电系统的响应性的时候,不妨假设机械系统是速度环的内环。内环的响应速度必须比外环的响应速度快。试想,如果用弹簧推拉一个惯性较大的动物体做往复(来回)运动,而推拉的速度很快,会是什么样的结果。
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        在伺服系统的实际应用当中,我们也需要首先认识机械结构是属于什么类型的。
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        同步带或皮带连结:刚性弱。
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        刚性联轴器连结:刚性强。

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