伺服系统（servomechanism-Servo）能够为机电一体化产品提供高水平的动态响应和扭矩密度控制系统，是整个工控系统中的重要组成部分之一。为此，采用交流伺服驱动代替传统的液压、 DC、步进、交变频驱动，使系统的性能达到一个全新的水平，包括缩短了周期，提高了生产率，提高了可靠性，延长了使用寿命。要使伺服电机（Servo Motor-SM）更好地发挥作用，需要了解SM，一些使用特性。

本文将分析SM在使用中的常见问题。

问题1:噪音、不稳定性

客户在一些机器上使用SM时，经常会出现噪音过大，电机带动负载运转不稳定的情况。出现这个问题，很多用户的第一反应就是SM质量差，因为有时候用步进电机或者变频电机拖动负载，但是噪音和不稳定性要小很多。表面上看确实是SM，但仔细分析了SM，的工作原理之后，我们会发现这个结论是完全错误的。

交流Servo包括伺服驱动器，SM和反馈传感器(通用SM带光学编码器)。

所有这些部件都在一个控制闭环系统中运行:驾驶员从外部接收参数信息，然后向电机发送一定的电流，电机将其转化为扭矩驱动负载，负载根据自身特性动作或加速或减速；传感器测量负载的位置，使驱动装置将设定信息值与实际位置值进行比较，然后通过改变电机电流使实际位置值与设定信息值一致。当负载的突然变化引起速度变化时，编码器在得知速度变化后会立即响应伺服驱动器，驱动器会改变提供给SM的电流值，以满足负载变化并再次回到设定速度。

交流Servo是一个具有极高响应的全闭环系统，负载波动与正转速之间的时滞响应非常快。此时，真正限制系统响应效果的是机械连接装置的传递时间。

举个简单的例子:有一台机器使用SM通过V带以恒定速度和大惯性驱动负载。整个系统需要获得恒速快速响应特性，并分析其动作过程。

当驱动器给电机送电时，电机会立即产生扭矩；在刚开始的阶段，因为V带会有弹性，负载不会像电机那样加速快；SM将在负载之前达到设定速度。此时，安装在电机上的编码器会减弱电流，进而减弱扭矩。随着V带张力的增加，电机的速度会变慢，此时司机会一次又一次地加大电流。

在这个例子中，系统在振荡，电机转矩波动，负载速度也相应波动。结果当然是噪音、磨损和不稳定。但是，这不是由SM。这种噪音和不稳定来自机械传动装置，是Servo的响应速度(高)与机械传动不匹配或响应时间(长)不匹配造成的，即SM的响应时间比系统调整新扭矩所需的时间要快。

当然，找到问题的根源然后解决要容易得多。对于上面的示例，您可以:

(1)增加机械刚度，降低系统的惯性，减少机械传动部件的响应时间，如用直接螺旋传动代替V带或用齿轮箱代替V带；

(2)降低Servo的响应速度和Servo的控制带宽，如降低Servo的增益参数值。

当然，以上内容所展示的只是导致出现噪音和不稳定的因素之一。我们需要根据不同的因素，选择相对应的解决方案，例如当由于机械共振因素导致产生噪音时。我们若是从伺服方面入手，可以采用谐振抑制和低通滤波。简而言之，噪音和不稳定的原因基本上不是由SM本身引起的。

问题2:惯性匹配

在Servo的选型和调试中，我们经常会遇到惯性问题！

具体表现如下:

1.在选择Servo时，除了考虑电机的扭矩和额定转速外，还需要先计算从机械系统转换到电机轴上的惯量，然后根据机械的实际动作要求和加工零件的质量要求具体选择具有合适惯量的电机；

2.调试时(手动模式)，正确设置惯量比参数是充分发挥机械和Servo最佳性能的前提，在要求高速度、高精度的系统中表现突出(Delta伺服惯量比参数为1-37，JL/JM)。这样，就出现了惯性匹配的问题！

到底什么是“惯性匹配”？

1.根据牛顿第二定律:“进给系统所需的扭矩t =系统的传动惯量J×角加速度θ。

加速度θ影响系统的动态特性。θ越小，从控制器到完成系统执行所需的时间越长，系统响应越慢。如果θ发生变化，系统响应将忽快忽慢，影响加工精度。由于选择电机后，最大输出T的值不变，如果希望θ的变化较小，j应尽可能小。

2.进给轴的总惯性“J= SM旋转惯性动量JM+由电机轴转换的负载惯性动量JL”

负载惯性JL由工作台、夹具、工件、螺钉、联轴器等直线和旋转运动部件(以机床为例)的惯性组成，相当于电机轴的惯性。JM是SM转子惯性。当选择SM时，该值将是一个固定值，而JL将随着工件等负载的变化而变化。如果预计J的变化率较小，不如把JL的比例做小一点。这就是通俗意义上的“惯性匹配”。

知道什么是惯性匹配，惯性匹配有什么影响？我们如何确定？

影响:

传动惯量影响Servo的精度、稳定性和动态响应。系统惯性大、机械常数大、响应慢，会降低系统固有频率，容易产生共振，从而限制伺服带宽，影响伺服精度和响应速度。适当增加惯性只是有利于提高低速爬行。因此，在机械设计不影响系统刚度的情况下，应尽可能减小惯性。

确认:

测量机械系统的动态特性时，惯性越小，系统的动态响应越好；惯性越大，电机的负载越大，越难控制，但机械系统的惯性需要与电机的惯性相匹配。不同机构对惯性匹配原理的选择不同，性能也不同。比如数控中心机通过SM进行高速切削时，当负载惯性增大时，就会发生:

(1)当控制指令改变时，电机需要更多的时间来满足新指令的速度要求；

(2)机床沿两轴进行圆弧曲线快速切削时，会产生较大的误差:

a、一般SM正常情况下，当JL≦JM时，上述问题不会发生。

b、当JL=3×JM时，电机的可控性会略有降低，但不会影响普通金属切削。(高速曲线切割一般推荐JL≦JM)

c、当JL≧3×JM时，电机的可控性会明显下降，在高速曲线切割中表现突出。

不同的机构运动和加工质量要求对JL和JM的尺寸关系有不同的要求，惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点和加工质量要求来确定。

问题3: SM选择

选择机械传动方案后，必须选择并确认SM的型号和尺寸。

(1)选型条件-一般情况下，SM的选择应满足以下条件:

●最大电机速度>系统要求的最大移动速度；

●电机转子惯性与负载惯性匹配；

●连续负载工作扭矩≦电机额定扭矩；

●电机的最大输出扭矩>系统所需的最大扭矩(加速时的扭矩)。

(2)选型计算:

低惯性匹配计算(JL/JM)

●转速计算(负载端速度、电机端速度)

●负载扭矩计算(连续负载工作扭矩、加速期间的扭矩)