伺服電機知識匯總

2017-07-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

今天與大家分享關(guān)于伺服電機的知識匯總:

伺服電機servomotor,“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思。“伺服電機”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機:在控制信號發(fā)出之前,轉(zhuǎn)子靜止不動;當(dāng)控制信號發(fā)出時,轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動;當(dāng)控制信號消失時,轉(zhuǎn)子能即時停轉(zhuǎn)。

伺服電機是自動控制裝置中被用作執(zhí)行元件的微特電機,其功能是將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。

伺服電機分為交流伺服和直流伺服兩大類

交流伺服電機的基本構(gòu)造與交流感應(yīng)電動機(異步電機)相似。在定子上有兩個相空間位移90°電角度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf,接恒定交流電壓,利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化,達(dá)到控制電機運行的目的。交流伺服電機具有運行穩(wěn)定、可控性好、響應(yīng)快速、靈敏度高以及機械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標(biāo)嚴(yán)格(要求分別小于10%~15%和小于15%~25%)等特點。

直流伺服電機基本構(gòu)造與一般直流電動機相似。電機轉(zhuǎn)速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j,式中E為電樞反電動勢,K為常數(shù),j為每極磁通,Ua、Ia為電樞電壓和電樞電流,Ra為電樞電阻,改變Ua或改變φ,均可控制直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速,但一般采用控制電樞電壓的方法,在永磁式直流伺服電動機中,勵磁繞組被永久磁鐵所取代,磁通φ恒定。直流伺服電動機具有良好的線性調(diào)節(jié)特性及快速的時間響應(yīng)。

直流伺服電機的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點:速度控制精確,轉(zhuǎn)矩速度特性很硬,控制原理簡單,使用方便,價格便宜。

缺點:電刷換向,速度限制,附加阻力,產(chǎn)生磨損微粒(無塵易爆環(huán)境不宜)

交流伺服電機的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點:速度控制特性良好,在整個速度區(qū)內(nèi)可實現(xiàn)平滑控制,幾乎無振蕩,90%以上的高效率,發(fā)熱少,高速控制,高精確度位置控制(取決于編碼器精度),額定運行區(qū)域內(nèi),可實現(xiàn)恒力矩,慣量低,低噪音,無電刷磨損,免維護(hù)(適用于無塵、易爆環(huán)境)

缺點:控制較復(fù)雜,驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)確定,需要更多的連線。

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,對使用環(huán)境有要求,通常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,力矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)動平滑,控制復(fù)雜,智能化,電子換相方式靈活,可以方波或正弦波換相,電機免維護(hù),高效節(jié)能,電磁輻射小,溫升低壽命長,適用于各種環(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,其功率范圍大,功率可以做到很大,大慣量,最高轉(zhuǎn)速低,轉(zhuǎn)速隨功率增大而勻速下降,適用于低速平穩(wěn)運行場合。

伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動器控制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將反饋信號傳給驅(qū)動器,對反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,從而調(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))。

伺服電機原理

1、交流伺服電動機

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,杯壁僅0.2-0.3mm,空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小,反應(yīng)迅速,而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn),因此被廣泛采用。

交流伺服電動機在沒有控制電壓時,定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場,轉(zhuǎn)子靜止不動。當(dāng)有控制電壓時,定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn),在負(fù)載恒定的情況下,電動機的轉(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,伺服電動機將反轉(zhuǎn)。

交流伺服電動機的工作原理與電容運轉(zhuǎn)式單相異步電動機雖然相似,但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多,所以伺服電動機與電容運轉(zhuǎn)式異步電動機相比,有三個顯著特點:

(1)起動轉(zhuǎn)矩大:由于轉(zhuǎn)子電阻大,使轉(zhuǎn)矩特性(機械特性)更接近于線性,而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此,當(dāng)定子一有控制電壓,轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動,即具有起動快、靈敏度高的特點。

(2)運行范圍寬:運行平穩(wěn)、噪音小。[/p][p=30, 2, left]3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象:運轉(zhuǎn)中的伺服電動機,只要失去控制電壓,電機立即停止運轉(zhuǎn)。

2、直流伺服電機

(1)印制繞組直流伺服電機(盤形轉(zhuǎn)子、盤形定子軸向粘接柱狀磁鋼,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小,無齒槽效應(yīng),無飽和效應(yīng),輸出轉(zhuǎn)矩大)

(2)線繞盤式直流伺服電機(盤形轉(zhuǎn)子、定子軸向粘接柱狀磁鋼,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小,控制性能優(yōu)于其他直流伺服電機,效率高,輸出轉(zhuǎn)矩大)

(3)杯型電樞永磁直流電機(空心杯轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小,適用于增量運動伺服系統(tǒng))

(4)無刷直流伺服電機(定子為多相繞組,轉(zhuǎn)子為永磁式,帶轉(zhuǎn)子位置傳感器,無火花干擾,壽命長,噪聲低)

3、力矩電機

(1)直流力矩電機(扁平結(jié)構(gòu),極數(shù)槽數(shù)換向片數(shù)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多;輸出轉(zhuǎn)矩大,低速或堵轉(zhuǎn)下可連續(xù)工作,機械和調(diào)節(jié)特性好,機電時間常數(shù)小)

(2)無刷直流力矩電機(與無刷直流伺服電機結(jié)構(gòu)相似,但為扁平狀,極數(shù)槽數(shù)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多;輸出轉(zhuǎn)矩大,機械和調(diào)節(jié)特性好,壽命長,無火花,噪聲低)

(3)籠型交流力矩電機(籠型轉(zhuǎn)子,扁平結(jié)構(gòu),極數(shù)槽數(shù)多,啟動轉(zhuǎn)矩大,機電時間常數(shù)小,可長期堵轉(zhuǎn)運行,機械特性較軟)

(4)實心轉(zhuǎn)子交流力矩電機(鐵磁材料實心轉(zhuǎn)子,扁平結(jié)構(gòu),極數(shù)槽數(shù)多,可長期堵轉(zhuǎn),運行平滑,機械特性較軟)

4、步進(jìn)電機

(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(定轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊成,轉(zhuǎn)子鐵心上無繞組,定子上有控制繞組;步距角小,啟動與運行頻率較高,步距角精度較低,無自鎖力矩)

(2)永磁步進(jìn)電機(永磁式轉(zhuǎn)子,徑向磁化極性;步距角大,啟動與運行頻率低,有保持轉(zhuǎn)矩,消耗功率比反應(yīng)式小,但須供正、負(fù)脈沖電流)

(3)混合式步進(jìn)電機(永磁式轉(zhuǎn)子,軸向磁化極性;步距角精度高,有保持轉(zhuǎn)矩,輸入電流小,兼有反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點)

5、開關(guān)磁阻電機(定轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊成,都為凸極式,與極數(shù)相接近的大步距反應(yīng)式步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)相似,帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器,轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān),調(diào)速范圍小,噪聲大,機械特性由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、串勵特性區(qū)三部分組成)

6、直線電機(結(jié)構(gòu)簡單,導(dǎo)軌等可作為二次導(dǎo)體,適用于直線往復(fù)運動;高速伺服性能好,功率因數(shù)和效率高,恒速運行性能優(yōu))

永磁交流伺服系統(tǒng)的興起和現(xiàn)狀

自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年貿(mào)易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)開始,標(biāo)志著新一代交流伺服技術(shù)已經(jīng)成熟。到1980年代中后期,各大公司都已有了完整的系列產(chǎn)品,整個伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足,尚不能完全滿足運動控制的要求,近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器(DSP)的應(yīng)用,出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng),控制部分可由軟件完成。到20世紀(jì)90年代以后,全數(shù)字正弦波控制的永磁交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)在傳動領(lǐng)域中的地位進(jìn)一步上升。

目前高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機,控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。

永磁交流伺服系統(tǒng)各主要生產(chǎn)商概況

日本安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅(qū)動器,其中D系列適用于數(shù)控機床(最高轉(zhuǎn)速為1000r/min,力矩為0.25~2.8N.m),R系列適用于機器人(最高轉(zhuǎn)速為3000r/min,力矩為0.016~0.16N.m)。之后又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀(jì)90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅(qū)動的8051單片機控制,改為正弦波驅(qū)動的80C、154CPU和門陣列芯片控制,力矩波動由24%降低到7%,并提高了可靠性。這樣,只用了幾年時間形成了八個系列(功率范圍為0.05~6kW)較完整的體系,滿足了工作機械、搬運機構(gòu)、焊接機械人、裝配機器人、電子部件、加工機械、印刷機、高速卷繞機、繞線機等方面的不同需求。

以生產(chǎn)機床數(shù)控裝置而著名的日本法那克(Fanuc)公司,在20世紀(jì)80年代中期也推出了S系列(13個規(guī)格)和L系列(5個規(guī)格)的永磁交流伺服電動機。其中L系列有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機械時間常數(shù),適用于要求特別快速響應(yīng)的位置伺服系統(tǒng)。

日本其他廠商,例如三菱電動機(HC-MFS、HC-RFS和HC-UFS系列)、東芝精機(SM系列)、大隈鐵工所(BL系列)、三洋電氣(BL系列)、立石電機(S系列)等眾多廠商也進(jìn)入了永磁交流伺服系統(tǒng)的競爭行列。[/p][p=30, 2, left] 德國力士樂公司(Rexroth)的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機共有7個機座號92個規(guī)格。

德國西門子(Siemens)公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型兩大類,共8個機座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機與相同輸出力矩的直流伺服電動機IHU系列相比,重量只有后者的1/2,配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動器6SC61系列,最多的可供6個軸的電動機控制。

德國寶石(BOSCH)公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列(17個規(guī)格)和稀土永磁的SE系列(8個規(guī)格)交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅(qū)動控制器。

美國著名的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部(Motion ControlDivision),生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服驅(qū)動器,后合并到AEG,恢復(fù)Gettys名稱,并推出A700全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)。

美國AB(ALLEN-BRADLEY)公司驅(qū)動分部生產(chǎn)的1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機和1391型交流PWM伺服控制器,電機包括3個機座號共30個規(guī)格。

I.D.(Industrial Drives)是美國著名的科爾摩根(Kollmorgen)的工業(yè)驅(qū)動分部,曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅(qū)動器。自1989年起推出了全新系列設(shè)計的永磁交流伺服電動機(Goldline),包括B(小慣量)、M(中慣量)和EB(防爆型)三大類,有10、20、40、60、80五種機座號,每大類有42個規(guī)格,全部采用釹鐵硼永磁材料,力矩范圍為0.84~111.2N.m,功率范圍為0.54~15.7kW。配套驅(qū)動器有BDS4(模擬型)、BDS5(數(shù)字型、含位置控制)和Smart Drive(數(shù)字型)三個系列,最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)最新水平。

愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部,現(xiàn)合并到AEG,以生產(chǎn)直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機和八種控制器。

法國Alsthom集團在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列(長型)和GC系列(短型)交流伺服電動機共14個規(guī)格,并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。

前蘇聯(lián)為數(shù)控機床和機器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁,有兩個機座號,每個機座號有3種鐵心長度,各有兩種繞組數(shù)據(jù),共12個規(guī)格,連續(xù)力矩范圍為7~35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁,6個機座號17個規(guī)格,力矩范圍為0.1~170N.m,配套的是3ДБ型控制器。

近年日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng),其中永磁交流伺服電動機有MSMA系列小慣量型,功率從0.03~5kW,共18種規(guī)格;中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列,功率從0.75~4.5kW,共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機的功率范圍從0.5~5kW,有7種規(guī)格。

韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機及驅(qū)動系統(tǒng),其中FAGA交流伺服電動機系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號,功率從15W~5kW。

現(xiàn)在常采用功率變化率(Powerrate)這一綜合指標(biāo)作為伺服電動機的品質(zhì)因數(shù),衡量對比各種交直流伺服電動機和步進(jìn)電動機的動態(tài)響應(yīng)性能。功率變化率表示電動機連續(xù)(額定)力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比。

按功率變化率進(jìn)行計算分析可知,永磁交流伺服電動機技術(shù)指標(biāo)以美國I.D 的Goldline系列為最佳,德國Siemens的IFT5系列次之。

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