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--伺服電機原理及選型規則

供稿︰深圳市施邁特電氣有限公司 2014/6/25 10:50:00

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  • 關鍵詞︰ 伺服系統 發動機 馬達
  • 摘要︰是在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機,是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機是可以連續旋轉的電-機械轉換器。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並激式直流伺服電機最為常用。

什麼是伺服電機
         伺服電機︰
是在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機,是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機是可以連續旋轉的電-機械轉換器。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並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速與輸入電壓成正比,並能實現正反向速度控制。具有起動轉矩大,調速範圍寬,機械特性和調節特性的線性度好,控制方便等優點,但換向電刷的磨損和易產生火花會影響其使用壽命。近年來出現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。  ,壽命長,對周圍電子設備干擾小。
  直流伺服電機的輸出轉速/輸入電壓的傳遞函數可近似視為一階遲後環節,其機電時間常數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(如空心杯轉子型、印刷繞組型、無槽型)的時間常數僅為幾毫秒到二十毫秒。
  小功率規格的直流伺服電機的額定轉速在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/分的低速下,甚至在長期堵轉的條件下工作,故可直接驅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,結構簡單,啟動轉矩大,調速範圍寬,控制容易,需要維護,但維護方便(換碳刷),產生電磁干擾,對環境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。
  無刷電機體積。 亓殼,出力大,響應快,速度高,慣量。   交,力矩穩定。控制復雜,容易實現智能化,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,效率很高,運行溫度低,電磁輻射很。 ス倜,可用于各種環境。
  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,它的功率範圍大,可以做到很大的功率。大慣量,最高轉動速度低,且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。

交流伺服電機的工作原理
  伺服電機內部的轉子是永磁鐵,驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁。  釉詿舜懦〉淖饔孟倫 ,同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器,驅動器根據反饋值與目標值進行比較,調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度(線數)。
  交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上有什麼區別?
  交流伺服要好一些,因為是正弦波控制,轉矩脈動小。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80年代以來,隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展,永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展,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動器系列產品並不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向,使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以後,世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較,主要優點有︰
 、盼薜縊 突幌蚱,因此工作可靠,對維護和保養要求低。
 、貧ㄗ尤譜檣お缺冉戲獎。
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步進電機和交流伺服電機性能比較
  步進電機是一種離散運動的裝置,它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中,步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現,交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢,運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號),但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。
 
  一、控制精度不同
 
  兩相混合式步進電機步距角一般為3.6?、 1.8?,五相混合式步進電機步距角一般為0.72 ?、0.36?。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機,其步距角為0.09?;德國百格拉公司(BERGER LAHR)生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為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電機的步距角。
 
  交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例,對于帶標準2500線編碼器的電機而言,由于驅動器內部采用了四倍頻技術,其脈沖當量為360?/10000=0.036?。對于帶17位編碼器的電機而言,驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈,即其脈沖當量為360?/131072=9.89秒。是步距角為1.8?的步進電機的脈沖當量的1/655。
 
  二、低頻特性不同
 
  步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關,一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時,一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象,比如在電機上加阻尼器,或驅動器上采用細分技術等。
 
  交流伺服電機運轉非常平穩,即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足,並且系統內部具有頻率解析機能(FFT),可檢測出機械的共振點,便于系統調整。
 
  三、矩頻特性不同
 
  步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,所以其最高工作轉速一般在300∼600RPM。交流伺服電機為恆力矩輸出,即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內,都能輸出額定轉矩,在額定轉速以上為恆功率輸出。
 
  四、過載能力不同
 
  步進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為例,它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍,可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進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矩的電機,而機器在正常工作期間又不需要那麼大的轉矩,便出現了力矩浪費的現象。
 
  五、運行性能不同
 
  步進電機的控制為開環控制,啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象,停止時轉速過高易出現過沖的現象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成位置環和速度環,一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象,控制性能更為可靠。
 
  六、速度響應性能不同
 
  步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200∼400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好,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,交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以,在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適當的控制電機。
交流伺服電機原理。

        交流伺服電動機定子的構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子通常做成鼠籠式,但為了使伺服電動機具有較寬的調速範圍、線性的機械特性,無“自轉”現象和快速響應的性能,它與普通電動機相比,應具有轉子電阻大和轉動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉子結構有兩種形式︰一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉子,為了減小轉子的轉動慣量,轉子做得細長;另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子,杯壁很。 .2-0.3mm,為了減小磁路的磁阻,要在空心杯形轉子內放置固定的內定子,空心杯形轉子的轉動慣量很。 從ρ桿,而

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