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伺服電機(jī)的解析

來源:上海松精機(jī)械制造有限公司   2024年10月21日 07:29   544
  伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī),在自動控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類,其主要特點(diǎn)是,當(dāng)信號電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。
  
  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,就會旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對應(yīng)的角度,從而實(shí)現(xiàn)位移,因?yàn)椋欧姍C(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,都會發(fā)出對應(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,就能夠很的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動,從而實(shí)現(xiàn)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,對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。
  
  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)動平滑,力矩穩(wěn)定。控制復(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,zui高轉(zhuǎn)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(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)動器控制的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(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度(線數(shù))。
  
  請問交流伺服電機(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(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)動技術(shù)的發(fā)展,永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展,各國電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機(jī)和伺服驅(qū)動器系列產(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機(jī)伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機(jī)同直流伺服電動機(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。
  
  自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng),這標(biāo)志著此種新一代交流伺服技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段。到20世紀(jì)80年代中后期,各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個(gè)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*運(yùn)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*由軟件進(jìn)行,分別稱為摪朧只瘮或摶旌鮮綌、撊只瘮?shù)挠来沤涣魉欧到y(tǒng)。
  
  到目前為止,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(jī),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。
  
  日本安川電機(jī)制作所推出的小型交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動器,其中D系列適用于數(shù)控機(jī)床(zui高轉(zhuǎn)速為1000r/min,力矩為0.25~2.8N.m),R系列適用于機(jī)器人(zui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(gè)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、8051單片機(jī)控制改為正弦波驅(qū)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(shí)間形成了八個(gè)系列(功率范圍為0.05~6kW)較完整的體系,滿足了工作機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)械人、裝配機(jī)器人、電子部件、加工機(jī)械、印刷機(jī)、高速卷繞機(jī)、繞線機(jī)等的不同需要。
  
  以生產(chǎn)機(jī)床數(shù)控裝置而的日本法那克(Fanuc)公司,在20世紀(jì)80年代中期也推出了S系列(13個(gè)規(guī)格)和L系列(5個(gè)規(guī)格)的永磁交流伺服電動機(jī)。L系列有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)械時(shí)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(jī)(HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列)、東芝精機(jī)(SM系列)、大隈鐵工所(BL系列)、三洋電氣(BL系列)、立石電機(jī)(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。
  
  德國力士樂公司(Rexroth)的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機(jī)共有7個(gè)機(jī)座號92個(gè)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(jī)分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型兩大類,共8個(gè)機(jī)座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機(jī)與相同輸出力矩的直流伺服電動機(jī)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,zui多的可供6個(gè)軸的電動機(jī)控制。
  
  德國博世(BOSCH)公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列(17個(gè)規(guī)格)和稀土永磁的SE系列(8個(gè)規(guī)格)交流伺服電動機(jī)和ServodynSM系列的驅(qū)動控制器。
  
  美國的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould電子公司一個(gè)分部(MotionControlDivision),生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機(jī)和A600系列的伺服驅(qū)動器。后合并到AEG,恢復(fù)了Gettys名稱,推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。
  
  美國A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驅(qū)動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機(jī)和1391型交流PWM伺服控制器。電動機(jī)包括3個(gè)機(jī)座號共30個(gè)規(guī)格。
  
  I.D.(IndustrialDrives)是美國的科爾摩根(Kollmorgen)的工業(yè)驅(qū)動分部,曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510三個(gè)系列共41個(gè)規(guī)格的無刷伺服電動機(jī)和BDS3型伺服驅(qū)動器。自1989年起推出了全新系列設(shè)計(jì)的摻鶼盜袛(Goldline)永磁交流伺服電動機(jī),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(jī)座號,每大類有42個(gè)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。配套的驅(qū)動器有BDS4(模擬型)、BDS5(數(shù)字型、含位置控制)和SmartDrive(數(shù)字型)三個(gè)系列,zui大連續(xù)電流5。Goldline系列代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)水平。
  
  愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個(gè)分部,現(xiàn)合并到AEG,以生產(chǎn)直流伺服電動機(jī)、直流力矩電動機(jī)和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機(jī)座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機(jī)和八種控制器。
  
  法國Alsthom集團(tuán)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(jī)共14個(gè)規(guī)格,并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。
  
  原蘇聯(lián)為數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人伺服控制開發(fā)了兩個(gè)系列的交流伺服電動機(jī)。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁,有兩個(gè)機(jī)座號,每個(gè)機(jī)座號有3種鐵心長度,各有兩種繞組數(shù)據(jù),共12個(gè)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(gè)機(jī)座號17個(gè)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(jī)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(gè)系列,功率從0.75~4.5kW,共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機(jī)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(jī)及驅(qū)動系統(tǒng),其中FAGA交流伺服電動機(jī)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(Powerrate)這一綜合指標(biāo)作為伺服電動機(jī)的品質(zhì)因數(shù),衡量對比各種交直流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能。功率變化率表示電動機(jī)連續(xù)(額定)力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比。
  
  按功率變化率進(jìn)行計(jì)算分析可知,永磁交流伺服電動機(jī)技術(shù)指標(biāo)以美國I.D的Goldline系列為*,德國Siemens的IFT5系列次之。
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