不能忽略的电机转动惯量

不能忽略的电机转动惯量

一．基本介绍

虽工作多年，但一直以来，步进电机只采用过滚珠丝杠传动方式，推力计算的明明白白。这次换个用法，采用了旋转的方式，却忽略了转动惯量，结果栽了个大跟头。经验大多是在失败中获得的，这次宝贵的经验分享给大家，希望大家不要踩坑。

这次电机应用方式如下图所示，电机带动转盘转动，转盘上同一半径范围内会等距离分布几个传感器。对于这种应用，推力要求并不高，但转动惯量绝对不能忽略。表1列出了各简化部件的关键参数。

二．转动惯量计算

如下图所示，为常用的不同结构类型的转动惯量计算方法。

1.负载惯量计算

1）转盘转动惯量
J_z=M_z/8D_z²=0.143kg/8x0.118m²=0.0002488915kg.m²
2）光源组件转动惯量
J_g=M_g/8D_g²+M_gS_g²=0.04kg/8x0.022m²+0.04kgx0.0473m²=0.0000919116kg.m²
3）轴连接件转动惯量
J_c=M_c/8D_c²=0.0335kg/8*0.012m²=0.000000603kg.m²
4）总负载转动惯量
J_L= J_z + J_g *2+ J_c=0.0004333412kg.m²

2. 惯量比计算

如上图所示，电机转动惯量J_M=9g.cm²
则δ= J_L/J_M=0.0004333412kg.m²/9g.cm²=481.49

3.当前电机运行状态

目前通过优化电机运行算法，电机能平稳运行，老化测试也持续10多天，未发现问题。但惯量比远超工程经验值5，仍存在电机使用一段时间后无法平稳运行甚至损坏的可能性。有必要进行优化

三．优化方案对比

1.结构优化

经过结构评估，预计转盘有25%的减重空间。假设转盘减重25%，则转盘转动惯量Jz减少0.000062222875kg.m²，惯量比δ=412.35，与目标值5仍相差甚远。因此从减重角度优化是行不通的，另外减小转盘半径也缺少优化空间。

2.选用转子惯量更大的电机

转子惯量大小与电机轴粗细是关联的，选用转子惯量更大的电机，意味着电机尺寸更大。
下图是57mm机座混合式旋转步进电机的参数表。

惯量比计算如下：
δ= J_L/J_M=0.0004333412kg.m²/480g.cm²=9.03
从结果来看，比较接近经验值5，或许可以接受。但也带来其他问题。一是尺寸和重量都大大加大，现有结构优化难度极大，二是功耗很大，4A的驱动电流，对现有电源和电机驱动方案带来很大压力，电路需做很大更改。

3.采用减速电机方案

减速电机为在原有电机基础上增加减速箱的方式，软件和硬件驱动方式不变，结构做局部优化即可。增大减速箱，速度会降低，但扭矩和转子惯量都会大大提高。如下图所示，选取4.6和11.2减速比进行计算。
1） 减速比i选取4.6
δ=J_L/(J_M*i²)=481.49/4.62=22.75
2） 减速比i选取11.2
δ= J_L/( J_M i²)=481.49/11.22=3.84

从结果上来看，采用减速电机方案，效果很明显。但光源切换速度不能降低，因此要获取原有的速度，电机的转速就需要提高。光源切换速度直接影响到整个计数时间要求，目前要求是30r/min，如果选用11.2加速比，则电机的转速就要提高到3011.2=336 r/min，如果要求光源切换速度再加倍，电机的实际转速就落在600 r/min以上了，电机本身扭矩会下降较多，不知道影响大不大？如果有懂的朋友，请指点一二。