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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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伺服電機(jī)的工作原理與特點(diǎn)

伺服電機(jī)的工作原理與特點(diǎn)

     

    工作原理

      1.伺服主要靠脈沖來定位,基本上可以這樣理解,伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖,就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度,從而實(shí)現(xiàn)位移,因?yàn)?,伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能,所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖,這樣,和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng),或者叫閉環(huán),如此一來,系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī),同時(shí)又收了多少脈沖回來,這樣,就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)精確的定位,可以達(dá)到0.001mm。    

    直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低,結(jié)構(gòu)簡單,啟動(dòng)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(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。   無刷電機(jī)體積小,重量輕,出力大,響應(yīng)快,速度高,慣量小,轉(zhuǎn)動(dòng)平滑,力矩穩(wěn)定??刂茝?fù)雜,容易實(shí)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(jī)免維護(hù),效率很高,運(yùn)行溫度低,電磁輻射很小,長壽命,可用于各種環(huán)境。   2.交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī),分為同步和異步電機(jī),目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī),它的功率范圍大,可以做到很大的功率。大慣量,最高轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)行的應(yīng)用。   3.伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)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(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。   什么是伺服電機(jī)?有幾種類型?工作特點(diǎn)是什么?   答:伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類,其主要特點(diǎn)是,當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降,   請(qǐng)問交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在功能上有什么區(qū)別?   答:交流伺服要好一些,因?yàn)槭钦也刂?,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)機(jī)   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(dòng)技術(shù)的發(fā)展,永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)。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(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較,主要優(yōu)點(diǎn)有:  ?、艧o電刷和換向器,因此工作可靠,對(duì)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。  ?、冗m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。      伺服電機(jī)原理   一、交流伺服電動(dòng)機(jī)   交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似.其定子上裝有兩個(gè)位置互差90?的繞組,一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf,它始終接在交流電壓Uf上;另一個(gè)是控制繞組L,聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。   交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式,但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)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(dòng)機(jī)相比,應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。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(dòng)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(dòng)慣量很小,反應(yīng)迅速,而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),因此被廣泛采用。   交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒有控制電壓時(shí),定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí),定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn),在負(fù)載恒定的情況下,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化,當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí),伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。   交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動(dòng)機(jī)雖然相似,但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多,所以伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比,有三個(gè)顯著特點(diǎn):   1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大   由于轉(zhuǎn)子電阻大,其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中曲線1所示,與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比,有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S01,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性(機(jī)械特性)更接近于線性,而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此,當(dāng)定子一有控制電壓,轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng),即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。   2、運(yùn)行范圍較廣   3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象   正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī),只要失去控制電壓,電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后,它處于單相運(yùn)行狀態(tài),由于轉(zhuǎn)子電阻大,定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性(T1S1、T2S2曲線)以及合成轉(zhuǎn)矩特性(TS曲線)   交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz,電壓有36V110V、220380V;當(dāng)電源頻率為400Hz,電壓有20V、26V、36V、115V等多種。   交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性,并且由于轉(zhuǎn)子電阻大,損耗大,效率低,因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比,體積大、重量重,所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。

    編輯本段選型方法

    與步進(jìn)電機(jī)的性能比較

      步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng),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(jī)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(jī)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(shì),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號(hào)),但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)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(jī)步距角一般為 1.8?、0.9?,五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 ?、0.36?。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分后步距角更小。如三洋公司(SANYO DENKI)生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)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(jī)的步距角。   交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以三洋全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例,對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2000線編碼器的電機(jī)而言,由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù),其脈沖當(dāng)量為360?/8000=0.045?。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言,驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈,即其脈沖當(dāng)量為360?/131072=0.0027466?,是步距角為1.8?的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。   二、低頻特性不同   步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān),一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí),一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象,比如在電機(jī)上加阻尼器,或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。   交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能,可涵蓋機(jī)械的剛性不足,并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能(FFT),可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn),便于系統(tǒng)調(diào)整。   三、矩頻特性不同   步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降,所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出,即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000RPM3000RPM)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(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以山洋交流伺服系統(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)矩的二到三倍,可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力,在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩,往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī),而機(jī)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(fèi)的現(xiàn)象。   五、運(yùn)行性能不同    步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制,啟動(dòng)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(shí)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(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán),一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好,以山洋400W交流伺服電機(jī)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(chǎng)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(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以,在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)。

    選型計(jì)算方法

      一、轉(zhuǎn)速和編碼器分辨率的確認(rèn)。   二、電機(jī)軸上負(fù)載力矩的折算和加減速力矩的計(jì)算。   三、計(jì)算負(fù)載慣量,慣量的匹配,安川伺服電機(jī)為例,部分產(chǎn)品慣量匹配可達(dá)50倍,但實(shí)際越小越好,這樣對(duì)精度和響應(yīng)速度好。   四、再生電阻的計(jì)算和選擇,對(duì)于伺服,一般2kw以上,要外配置。   五、電纜選擇,編碼器電纜雙絞屏蔽的,對(duì)于安川伺服等日系產(chǎn)品絕對(duì)值編碼器是6芯,增量式是4芯。

    編輯本段安裝使用注意事項(xiàng)

      一、伺服電機(jī)油和水的保護(hù)   A:伺服電機(jī)可以用在會(huì)受水或油滴侵襲的場(chǎng)所,但是它不是全防水或防油的。因此, 伺服電機(jī)不應(yīng)當(dāng)放置或使用在水中或油侵的環(huán)境中。   B:如果伺服電機(jī)連接到一個(gè)減速齒輪,使用伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)加油封,以防止減速齒輪的油進(jìn)入伺服電機(jī)   C:伺服電機(jī)的電纜不要浸沒在油或水中。   二、伺服電機(jī)電纜→減輕應(yīng)力   A:確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負(fù)荷,尤其是在電纜出口處或連接處。   B:在伺服電機(jī)移動(dòng)的情況下,應(yīng)把電纜(就是隨電機(jī)配置的那根)牢固地固定到一個(gè)靜止的部分(相對(duì)電機(jī)),并且應(yīng)當(dāng)用一個(gè)裝在電纜支座里的附加電纜來延長它,這樣彎曲應(yīng)力可以減到最小。   C:電纜的彎頭半徑做到盡可能大。   三、伺服電機(jī)允許的軸端負(fù)載   A:確保在安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加到伺服電機(jī)軸上的徑向和軸向負(fù)載控制在每種型號(hào)的規(guī)定值以內(nèi)。   B:在安裝一個(gè)剛性聯(lián)軸器時(shí)要格外小心,特別是過度的彎曲負(fù)載可能導(dǎo)致軸端和軸承的損壞或磨損   C:最好用柔性聯(lián)軸器,以便使徑向負(fù)載低于允許值,此物是專為高機(jī)械強(qiáng)度的伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的。   D:關(guān)于允許軸負(fù)載,請(qǐng)參閱“允許的軸負(fù)荷表”(使用說明書)。   四、伺服電機(jī)安裝注意   A:在安裝/拆卸耦合部件到伺服電機(jī)軸端時(shí),不要用錘子直接敲打軸端。(錘子直接敲打軸端,伺服電機(jī)軸另一端的編碼器要被敲壞)   B:竭力使軸端對(duì)齊到最佳狀態(tài)(對(duì)不好可能導(dǎo)致振動(dòng)或軸承損壞)。

 直流無刷伺服電機(jī)特點(diǎn)

      轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、啟動(dòng)電壓低、空載電流?。?nbsp;棄接觸式換向系統(tǒng),大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,最高轉(zhuǎn)速高達(dá)100 000rpm;無刷伺服電機(jī)在執(zhí)行伺服控制時(shí),無須編碼器也可實(shí)現(xiàn)速度、位置、扭矩等的控制; 不存在電刷磨損情況,除轉(zhuǎn)速高之外,還具有壽命長、噪音低、無電磁干擾等特點(diǎn).

直流有刷伺服電機(jī)特點(diǎn)

      1.體積小、動(dòng)作快反應(yīng)快、過載能力大、調(diào)速范圍寬   2.低速力矩大波動(dòng)小,運(yùn)行平穩(wěn)   3.低噪音,高效率   4.后端編碼器反饋(選配)構(gòu)成直流伺服等優(yōu)點(diǎn)

使用范圍

      直流伺服電機(jī)可應(yīng)用在是火花機(jī)、機(jī)械手、精確的機(jī)器等??赏瑫r(shí)配置2500P/R高分析度的標(biāo)準(zhǔn)編碼器及測(cè)速器,更能加配減速箱、令機(jī)械設(shè)備帶來可靠的準(zhǔn)確性及高扭力。 調(diào)速性好,單位重量和體積下,輸出功率最高,大于交流電機(jī),更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過步進(jìn)電機(jī)。多級(jí)結(jié)構(gòu)的力矩波動(dòng)小。

本段作用

      伺服電機(jī)在封閉的環(huán)里面使用。就是說它隨時(shí)把信號(hào)傳給系統(tǒng),同時(shí)把系統(tǒng)給出的信號(hào)來修正自己的運(yùn)轉(zhuǎn)。

    

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