伺服電機原理及選型規(guī)則
什么是伺服電機? 伺服電機:是在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機,是一種補助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電-機械轉(zhuǎn)換器。作為液壓閥控制器的伺服電機,屬于功率很小的微特電機,以永磁式直流伺服電機和并激式直流伺服電機最為常用。 伺服電機的作用:伺服電機可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確。 伺服電機的分類:直流伺服電機和交流伺服電機。
直流伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比,并能實現(xiàn)正反向速度控制。具有起動轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好,控制方便等優(yōu)點,但換向電刷的磨損和易產(chǎn)生火花會影響其使用壽命。近年來出現(xiàn)的無刷直流伺服電機避免了電刷摩擦和換向干擾,因此靈敏度高,死區(qū)小,噪聲低,壽命長,對周圍電子設(shè)備干擾小。 直流伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速/輸入電壓的傳遞函數(shù)可近似視為一階遲后環(huán)節(jié),其機電時間常數(shù)一般大約在十幾毫秒到幾十毫秒之間。而某些低慣量直流伺服電機(如空心杯轉(zhuǎn)子型、印刷繞組型、無槽型)的時間常數(shù)僅為幾毫秒到二十毫秒。 小功率規(guī)格的直流伺服電機的額定轉(zhuǎn)速在3000r/min以上,甚至大于10000r/min。因此作為液壓閥的控制器需配用高速比的減速器。而直流力矩伺服電機(即低速直流伺服電機)可在幾十轉(zhuǎn)/分的低速下,甚至在長期堵轉(zhuǎn)的條件下工作,故可直接驅(qū)動被控件而不需減速。
直流伺服電機分為有刷和無刷電機。 有刷電機成本低,結(jié)構(gòu)簡單,啟動轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,控制容易,需要維護(hù),但維護(hù)方便(換碳刷),產(chǎn)生電磁干擾,對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 無刷電機體積小,重量輕,出力大,響應(yīng)快,速度高,慣量小,轉(zhuǎn)動平滑,力矩穩(wěn)定??刂茝?fù)雜,容易實現(xiàn)智能化,其電子換相方式靈活,可以方波換相或正弦波換相。電機免維護(hù),效率很高,運行溫度低,電磁輻射很小,長壽命,可用于各種環(huán)境。 交流伺服電機也是無刷電機,分為同步和異步電機,目前運動控制中一般都用同步電機,它的功率范圍大,可以做到很大的功率。大慣量,最高轉(zhuǎn)動速度低,且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。
交流伺服電機的工作原理 伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。 交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上有什么區(qū)別? 交流伺服要好一些,因為是正弦波控制,轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單,便宜。
永磁交流伺服電動機 20世紀(jì)80年代以來,隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展,永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展,各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后,世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較,主要優(yōu)點有: ⑴無電刷和換向器,因此工作可靠,對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。 ?、贫ㄗ永@組散熱比較方便。 ?、菓T量小,易于提高系統(tǒng)的快速性。 ⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。 ?、赏β氏掠休^小的體積和重量。
步進(jìn)電機和交流伺服電機性能比較 步進(jìn)電機是一種離散運動的裝置,它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中,步進(jìn)電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn),交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢,運動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號),但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?,F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。 一、控制精度不同 兩相混合式步進(jìn)電機步距角一般為3.6?、 1.8?,五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0.72 ?、0.36?。也有一些高性能的步進(jìn)電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進(jìn)電機,其步距角為0.09?;德國百格拉公司(BERGER LAHR)生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8?、0.9?、0.72?、0.36?、0.18?、0.09?、0.072?、0.036?,兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機的步距角。 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例,對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機而言,由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù),其脈沖當(dāng)量為360?/10000=0.036?。對于帶17位編碼器的電機而言,驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈,即其脈沖當(dāng)量為360?/131072=9.89秒。是步距角為1.8?的步進(jìn)電機的脈沖當(dāng)量的1/655。 二、低頻特性不同 步進(jìn)電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān),一般認(rèn)為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機工作在低速時,一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象,比如在電機上加阻尼器,或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。 交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足,并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能(FFT),可檢測出機械的共振點,便于系統(tǒng)調(diào)整。 三、矩頻特性不同 步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降,所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300~600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000RPM或3000RPM)以內(nèi),都能輸出額定轉(zhuǎn)矩,在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 四、過載能力不同 步進(jìn)電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例,它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍,可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機因為沒有這種過載能力,在選型時為了克服這種慣性力矩,往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機,而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩,便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。 五、運行性能不同 步進(jìn)電機的控制為開環(huán)控制,啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象,所以為保證其控制精度,應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣,內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖的現(xiàn)象,控制性能更為可靠。 六、速度響應(yīng)性能不同 步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200~400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好,以松下MSMA 400W交流伺服電機為例,從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場合。 綜上所述,交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機來做執(zhí)行電動機。所以,在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C。 交流伺服電機原理。
交流伺服電動機定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機相似,其定子上裝有兩個位置互差90?的繞組,一個是勵磁繞組Rf,它始終接在交流電壓Uf上;另一個是控制繞組L,聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。 交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式,但為了使伺服電動機具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機械特性,無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能,它與普通電動機相比,應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式:一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子,為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)子做得細(xì)長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子,杯壁很薄,僅0.2-0.3mm,為了減小磁路的磁阻,要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子,空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小,反應(yīng)迅速,而
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