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伺服電機

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【摘要】:
伺服電機(servo motor )是指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

文德孚

  伺服電機(servo motor )是指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。

  伺服電機可使控制速度,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制,并能快速反應,在自動控制系統中,用作執行元件,且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性,可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類,其主要特點是,當信號電壓為零時無自轉現象,轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

  工作原理

  1、伺服系統(servo mechanism)是使物體的位置、方位、

  狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統。伺服主要靠脈沖來定位,基本上可以這樣理解,伺服電機接收到1個脈沖,就會旋轉1個脈沖對應的角度,從而實現位移,因為,伺服電機本身具備發出脈沖的功能,所以伺服電機每旋轉一個角度,都會發出對應數量的脈沖,這樣,和伺服電機接受的脈沖形成了呼應,或者叫閉環,如此一來,系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機,同時又收了多少脈沖回來,這樣,就能夠很精確的控制電機的轉動,從而實現精確的定位,可以達到0.001mm。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,調速范圍寬,控制容易,需要維護,但維護不方便(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。

  無刷電機體積小,重量輕,出力大,響應快,速度高,慣量小,轉動平滑,力矩穩定??刂茝碗s,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,電磁輻射很小,長壽命,可用于各種環境。

  2、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。

  3、伺服電機內部的轉子是永磁鐵,驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉子在此磁場的作用下轉動,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的區別: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。

  發展歷史

  交流伺服電機

  自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿易博覽會

  上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅動系統,這標志著此種新一代交流伺服技術已進入實用化階段。到20世紀80年代中后期,各公司都已有完整的系列產品。整個伺服裝置市場都轉向了交流系統。早期的模擬系統在諸如零漂、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、新型數字信號處理器(DSP)的應用,出現了數字控制系統,控制部分可完全由軟件進行,分別稱為直流伺服系統、三相永磁交流伺服系統。

  到目前為止,高性能的電伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電動機,控制驅動器多采用快速、準確定位的全數字位置伺服系統。典型生產廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。

  日本安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅動器,其中D系列適用于數控機床(最高轉速為1000r/min,力矩為0.25~2.8N.m),R系列適用于機器人(最高轉速為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。由舊系列矩形波驅動、8051單片機控制改為正弦波驅動、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、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、繞線機等的不同需要。

  以生產機床數控裝置而著名的日本發那科(Fanuc)公司,在20世紀80年代中期也推出了S系列(13個規格)和L系列(5個規格)的永磁交流伺服電動機。L系列有較小的轉動慣量和機械時間常數,適用于要求特別快速響應的位置伺服系統。

  日本其他廠商,例如:三菱電動機(HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、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)等眾多廠商也進入了永磁交流伺服系統的競爭行列。

  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準型和短型兩大類,共8個機座號98種規格。據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制驅動器6SC61系列,最多的可供6個軸的電動機控制。

  德國博世(BOSCH)公司生產鐵氧體永磁的SD系列(17個規格)和稀土永磁的SE系列(8個規格)交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅動控制器。

  美國著名的伺服裝置生產公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部(Motion Control Division),生產M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服驅動器。后合并到AEG,恢復了Gettys名稱,推出A700全數字化的交流伺服系統。

  美國A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驅動分部生產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。電動機包括3個機座號共30個規格。

  I.D.(Industrial Drives)是美國著名的科爾摩根(Kollmorgen)的工業驅動分部,曾生產BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅動器。自1989年起推出了全新系列設計的摻鶼盜袛(Goldline)永磁交流伺服電動機,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。配套的驅動器有BDS4(模擬型)、BDS5(數字型、含位置控制)和Smart Drive(數字型)三個系列,最大連續電流55A。Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術最新水平。

  愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部,現合并到AEG,以生產直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規格的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LC系列(長型)和GC系列(短型)交流伺服電動機共14個規格,并生產AXODYN系列驅動器。

  原蘇聯為數控機床和機器人伺服控制開發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,各有兩種繞組數據,共12個規格,連續力矩范圍為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字型MINAS系列交流伺服系統,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種規格;中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列,功率從0.75~4.5kW,共23種規格,MHMA系列大慣量電動機的功率范圍從0.5~5kW,有7種規格。

  韓國三星公司近年開發的全數字永磁交流伺服電動機及驅動系統,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。

  現在常采用(Powerrate)這一綜合指標作為伺服電動機的品質因數,衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態響應性能。功率變化率表示電動機連續(額定)力矩和轉子轉動慣量之比。

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

  選型比較

  交流伺服電動機

  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范圍、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,杯壁很薄,僅0.2-0.3mm,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小,反應迅速,而且運轉平穩,因此被廣泛采用。

  交流伺服電動機在沒有控制電壓時,定子內只有勵磁繞組產生的脈動磁場,轉子靜止不動。當有控制電壓時,定子內便產生一個旋轉磁場,轉子沿旋轉磁場的方向旋轉,在負載恒定的情況下,電動機的轉速隨控制電壓的大小而變化,當控制電壓的相位相反時,伺服電動機將反轉。

  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并不斷完善和更新。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年代以后,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:

 ?、艧o電刷和換向器,因此工作可靠,對維護和保養要求低。

 ?、贫ㄗ永@組散熱比較方便。

 ?、菓T量小,易于提高系統的快速性。

 ?、冗m應于高速大力矩工作狀態。

 ?、赏β氏掠休^小的體積和重量。

  伺服電動機與單相異步電動機比較

  交流伺服電動機的工作原理與分相式單相異步電動機雖然相似,但前者的轉子電阻比后者大得多,所以伺服電動機與單機異步電動機相比,有三個顯著特點:

  1、起動轉矩大

  由于轉子電阻大,與普通異步電動機的轉矩特性曲線相比,有明顯的區別。它可使臨界轉差率S0>1,這樣不僅使轉矩特性(機械特性)更接近于線性,而且具有較大的起動轉矩。因此,當定子一有控制電壓,轉子立即轉動,即具有起動快、靈敏度高的特點。

  2、運行范圍較廣

  3、無自轉現象

  正常運轉的伺服電動機,只要失去控制電壓,電機立即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓后,它處于單相運行狀態,由于轉子電阻大,定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產生的兩個轉矩特性(T1-S1、T2-S2曲線)以及合成轉矩特性(T-S曲線)

  交流伺服電動機的輸出功率一般是0.1-100W。當電源頻率為50Hz,電壓有36V、110V、220、380V;當電源頻率為400Hz,電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

  交流伺服電動機運行平穩、噪音小。但控制特性是非線性,并且由于轉子電阻大,損耗大,效率低,因此與同容量直流伺服電動機相比,體積大、重量重,所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統。

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