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伺服机电工作原理交流伺服机电的工作原理伺服机电内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时机电自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度伺服机电的精度决定于编码器的精度(线数)伺服机电的应用»伺服电机电路图»伺服专业术语〉什么是伺服机电?有几种类型?工作特点是什么?答伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或者角速度输出分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降请问交流伺服机电和无刷直流伺服机电在功能上有什么区别答交流伺服要好一些,因为是正弦波控制,转矩脉动小直流伺服是梯形波但直流伺服比较简单,便宜什么是永磁交流伺服电动机答20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机90年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动交流伺服驱动装置在传动领域的发展口新月异永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有⑴无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低⑵定子绕组散热比较方便⑶惯量小,易于提高系统的快速性⑷适应于高速大力矩工作状态⑸同功率下有较小的体积和分量自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统,这标志着此种新一代交流伺服技术己进入实用化阶段到20世纪80年代中后期,各公司都已有完整的系列产品整个伺服装置市场都转向了交流系统早期的摹拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足,尚不能彻底满足运动控制的要求,近年来随着微处理器、新型数字信号处理器(DSP)的应用出现了数字控制系统,控制部分可完全由软件进行,分别称为脚胧只疼或拉旌鲜给、搁只揍的永磁交流伺肪系统日本安川机电制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器,其中D系列合用于数控机床(最高转速为1000r/min力矩为
0.25~
2.8N.m)R系列合用于机器人(最高转速为3000r/min力矩为
0.016^
0.16N.m)o之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C154CPU和门阵列芯片控制,力矩波动由24%降低到7%并提高了可靠性这样,只用了几年时间形成为了八个系列(功率范围为
0.05飞kW)较完整的体系,满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要以生产机床数控装置而著名的日本法奴克(Fanuc)公司,在20世纪80年代中期也推出了S系列(13个规格)和L系列(5个规格)的永磁交流伺服电动机L系列有较小的转动惯量和机械时间常数,合用于要求特殊快速响应的位置伺服系统日本其他厂商,例如:三菱电动机(HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列)、东芝精机(SM系列)、大隈铁工所(BL系列)、三洋电气(BL系列)、立石机电(S系歹U)等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列德国力士乐公司(Rexroth)的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格德国西门子(Siemens)公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类,共8个机座号98种规格据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比,分量惟独后者的1/2配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列,最多的可供6个轴的电动机控制德国宝石(BOSCH)公司生产铁氧体永磁的SD系列(17个规格)和稀土永磁的SE系列(8个规格)交流伺服电动机和ServodynSM系列的驱动控制器美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾经一度作为Gould电子公司一个分部(MotionControlDivision)生产M600系列的交流伺服电动机和A600系列的伺服驱动器后合并到AEG恢复了Gettys名称,推出A700全数字化的交流伺服系统美国A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器电动机包括3个机座号共30个规格LD.(IndustrialDrives)是美国著名的科尔摩根(Kollmorgen)的工业驱动分部,曾经生产BR-210BR-
310、BR-510三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器自1989年起推出了全新系列设计的掺鹳盗祗(Goldline)永磁交流伺服电动机包括B(小惯量)、M(中惯量)和EB(防爆型)三大类,有
10、
20、
40、
60、80五种机座号,每大类有42个规格,全部采用铉铁硼永磁材料,力矩范围为
0.8411功率范围为
0.54~
15.7kW0配套的驱动器有BDS4(摹拟型)、BDS5(数字型、含位巴控制)和SmartDrive(数字型)三个系列,最大连续电流55AGoldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部,现合并到AEG以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名生产BHT
1100.
2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列(长型)和GC系列(短型)交流伺服电动机共14个规格,并生产AXODYN系列驱动器原苏联为数控机床和机器人伺服控制开辟了两个系列的交流伺服电动机其中ABy系列采用铁氧体永磁,有两个机座号,每一个机座号有3种铁心长度,各有两种绕组数据,共12个规格,连续力矩范围为7~35N.m2ABy系列采用稀土永磁,6个机座号17个规格,力矩范围为
0.l~170N.nb配套的是3AB型控制器近年II本松下公司推出的全数字型M1NAS系列交流伺服系统,其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型,功率从
0.03~5kW共18种规格;中惯量型有MDMA、MGMAMFMA三个系列,功率从
0.75~
4.5kW共23种规格MHMA系列大惯量电动机的功率范围从
0.55kW有7种规格韩国三星公司近年开辟的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统,其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号,功率从15W~5kW0现在常采用搏B时濡■Powerrate)这一综合指标作为伺服电动机的品质因数,衡量对照各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能功率变化率表示电动机连续(额定)力矩和转子转动惯量之比按功率变化率进行计算分析可知,永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D的Goldline系列为最佳,德国Siemens的IFT5系列次之步进机电和交流伺服机电性能比较步进机电是一种离散运动的装置,它和现代数字控制技术有着本质的联系在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛随着全数字式交流伺服系统的浮现,交流伺服机电也越来越多地应用于数字控制系统中为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进机电或者全数字式交流伺服机电作为执行电动机虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异现就二者的使用性能作一比较
一、控制精度不同两相混合式步进机电步距角普通为
3.
6、
1.8°五相混合式步进机电步距角普通为
0.72°、
0.36也有一些高性能的步进机电步距角更小如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进机电,其步距角为
0.09;德国百格拉公司(BERGERLAHR)生产的三相混合式步进机电其步距角可通过拨码开关设置为
1.8°、
0.9°、
0.72°、
0.36°、
0.18°、
0.09°、
0.072°、
0.036°兼容了两相和五相混合式步进机电的步距角交流伺服机电的控制精度由机电轴后端的旋转编码器保证以松下全数字式交流伺服机电为例,对于带标准2500线编码器的机电而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/10000=
0.036°o对于带17位编码器的机电而言,驱动器每接收217=131072个脉冲机电转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=
9.89秒是步距角为
1.8°的步进机电的脉冲当量的l/655o
二、低频特性不同步进机电在低速时易浮现低频振动现象振动频率与负载情况和驱动器性能有关,普通认为振动频率为机电空载起跳频率的一半这种由步进机电的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利当步进机电工作在低速时,普通应采用阻尼技术来克服低频振动现象,比如在机电上加阻尼器,或者驱动器上采用细分技术等交流伺服机电运转非常平稳,即使在低速时也不会浮现振动现象交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT)可检测出机械的共振点,便于系统调整
三、矩频特性不同步进机电的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速普通在300^600RPM交流伺服机电为恒力矩输出,即在其额定转速(普通为2000RPM或者3000RPM)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出
四、过载能力不同步进机电普通不具有过载能力交流伺服机电具有较强的过载能力以松下交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力其最大转矩为额定转矩的三倍,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩步进机电因为没有这种过载能力,在选型时为了克服这种惯性力矩,往往需要选取较大转矩的机电,而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩,便浮现了力矩浪费的现象
五、运行性能不同步进机电的控制为开环控制,启动频率过高或者负载过大易浮现丢步或者堵转的现象,住手时转速过高易浮现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对机电编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,普通不会浮现步进机电的丢步或者过冲的现象,控制性能更为可靠
六、速度响应性能不同步进机电从静止加速到工作转速(普通为每分钟几百转)需要200〜400亳秒交流伺服系统的加速性能较好,以松下MSMA400W交流伺服机电为例,从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合综上所述,交流伺服系统在许多性能方面都优于步进机电但在一些要求不高的场合也时常用步进机电来做执行电动机所以,在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素,选用适当的控制机电。