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浅谈伺服电动机构造及发展
摘要
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。
在定位系统中,最常用的马达不外乎是步进马达和伺服马达,其中,步进马达主要可分为2相、5相、微步进系统,伺服马达则主要分为DC伺服和AC伺服两种。
关键词:
电动机构造伺服系统发展
一伺服电动机介绍
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,
为了使负载能够在所要求的速度、加速度及张力范围内运动,伺服电动机不仅要满足一定的静态指标,如有足够的功率、转矩等,还应满足一定的动态指标,如快速响应、灵敏度和可控性等。
伺服电动机的负载可以是惯性负载、摩擦负载,也可以是外加阻力矩或是它们的任何组合。
电动机与负载在性质和联接方式(如减速装置、联动装置)上均不同,它们的时间响应和相互影响程度也不同,因此,电动机和负载必须一起考虑。
整个控制系统的动特性通常主要决定于电动机和负载的特性。
在有些控制机构中,负载可以忽略不计,这时控制系统的动特性主要与电动机有关,这种控制系统通常称为仪表伺服系统。
伺服电机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,同时电机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。
伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。
二步进马达与伺服马达有何不同
在定位系统中,最常用的马达不外乎是步进马达和伺服马达,其中,步进马达主要可分为2相、5相、微步进系统,伺服马达则主要分为DC伺服和AC伺服两种.
2相、5相和微步进系统主要是驱动器所表现出来解析度不同,2相步进系统马达每转最细可分为400格,五相则为1000格,微步进则可从200~50000(或以上)格,表现出来的特性以微步进最好,加减速时间较短,动态惯性较低.
AC和DC伺服马达主要的分别为DC伺服比AC伺服马达多了一个碳刷,会有维护上的问题,而AC伺服马达因没有碳刷,所以后续并不会有太大维护上的问题.所以基本上来说AC伺服系统是较DC伺服系统为优,但DC伺服系统主要的优势则是价位上比AC伺服系统较便宜.而此两种系统的控制精度皆为相同.
步进系统与伺服系统主要的特点如下:
表1-1
步进系统
AC/DC伺服系统
低价位
价位较高
无时间误差
在运转时,理想路径与实际路径会有差别.
瞬间转动时无2倍扭矩,但为该马达最大额定扭力
瞬间转动时有2倍以上的扭矩,可克服机械起动时的摩擦力
接线简单
接线较为复杂
开回路控制,会有失步问题
闭回路控制,有编码器回授,较不会有失步问题
低速转动时会有噪音及震动,且会有共振区的问题
转动时不会有噪音及震动
静止时为完全静止状态
静止时,会有+/-几个count的误差
马达转速越高,扭矩会越小
在额定转速内,扭矩皆为额定扭矩
连续运转时,马达会有温升
连续运转时,马达温升很小
低速时的扭矩比同等级的伺服马达为大
低速与高速时的扭矩相同
不会有OverShot现象
转动时会有Overshot现象
在干扰的环境下,较会有不准的问题
在干扰的环境下,脉波式伺服(半闭回路)还是会有不准的问题,但电压命令伺服(全闭回路)较不会又不准的问题
表1-1
上图为标准的步进系统(开回路)
上图为脉波命令式伺服系统(半闭回路)
上图为电压命令式伺服系统(全闭回路)
三伺服马达的结构
DC伺服马达
DC伺服马达为伺服马达中最早发展的一种,其结构和一般的直流马达类似,较小型者为了控制方便起见,通常其定子磁场是由永久磁铁所构成,但转子上的整流片和电刷仍然存在,这也正是DC伺服马达最大的缺点。
因电枢电流所产生的转子磁场方向和定子磁场方向垂直,故可得最大转矩,只要控制电枢电流便可控制转矩的大小。
图1-1所示为DC伺服马达的剖面图。
图1-1
同步型(SM)伺服马达
此型伺服马达也称为DC无刷伺服马达,其动作原理和直流伺服马达一样,只是将定子和转子的角色对调,即转子是由永久磁铁所构成,如此一来就不需要电刷了。
由于定子绕组产生的磁场方向,必须随着转子磁极的位置而变动,所以它是在检测出转子位置之后,再去控制定子绕组的电流,同样地使定子磁场和转子磁场方向相垂直,以产生最大转矩。
在数百瓦特以下的小容量马达,其效率比感应型伺服马达优越。
同步型伺服马达的定子绕组依电流的流动方式,可分为单向型和双向型,右为双向型,则通常是以换流器作正弦波的PWM控制,以产生圆滑转动的旋转磁场。
图1-2为SM型伺服马达的剖面图。
永久磁铁有所谓的减磁问题,若电枢电流过大时,便会发生此种问题,导致马达无法正常产生转矩,所以必须注意电枢电流不可超过最大额定值。
图1-2
感应型(IM)伺服马达
感应型伺服马达的转子为鼠笼型,转子磁场是靠感应电流所产生的,又因三相感应马达的定子电流可转换成类似直流马达的磁场电流成份与电枢电流成份,使得感应马达的控制就如同DC伺服马达一样简单,这二种电流成份为相互垂直的向量,此种控制方式通常就称为向量控制(Vectorcontrol)。
与SM型比较起来,IM型较适合做大容量马达的控制。
图1-2为IM型伺服马达的剖面图。
DC伺服马达的适用容量范围为5~1000W,SM伺服马达适用容量范围为30~2000W,IM伺服马达适用于1000W以上。
另外,AC伺服马达还有一种称为2相伺服马达,这种马达被使用得很早,它是一种高电阻转子的鼠笼型感应马达,其性能比其他的AC伺服马达差,较无发展潜力。
图1-2
四伺服系统的发展
直流伺服系统的发展
伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。
电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。
50年代,无刷电机和直流电机实现了产品化,并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。
70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。
交流伺服系统
从70年代后期到80年代初期,随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高,交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。
交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一,并将逐渐取代直流伺服系统。
交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分,主要有两大类:
永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。
其中,永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟,具备了十分优良的低速性能,并可实现弱磁高速控制,拓宽了系统的调速范围,适应了高性能伺服驱动的要求。
并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低,其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛,目前已成为交流伺服系统的主流。
感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固,制造容易,价格低廉,因而具有很好的发展前景,代表了将来伺服技术的方向。
但由于该系统采用矢量变换控制,相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂,而且电机低速运行时还存在着效率低,发热严重等有待克服的技术问题,目前并未得到普遍应用。
系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机,功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。
为进一步提高系统的动态和静态性能,可采用位置和速度闭环控制。
三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度,并且能限制暂态电流,从而有利于IPM的安全工作。
速度环和位置环可使用单片机控制,以使控制策略获得更高的控制性能。
电流调节器若为比例形式,三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制,其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些,使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化,从而实现电压型逆变器的快速电流控制。
电流用比例调节,具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。
交直流伺服系统的比较.
直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响,其发展受到了限制。
直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点,在运行过程中转子容易发热,影响了与其连接的其他机械设备的精度,难以应用到高速及大容量的场合,机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。
交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点,特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。
所以交流伺服系统在工厂自动化(FA)等各个领域得到了广泛的应用。
从伺服驱动产品当前的应用来看,直流伺服产品正逐渐减少,交流伺服产品则日渐增加,市场占有率逐步扩大。
在实际应用中,精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。
伺服系统的发展趋势
从前面的讨论可以看出,数字化交流伺服系统的应用越来越广,用户对伺服驱动技术的要求越来越高。
总的来说,伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面:
1.交流化
伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。
从目前国际市场的情况看,几乎所有的新产品都是AC伺服系统。
在工业发达国家,AC伺服电机的 市场占有率已经超过80%。
在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多,正在逐步地超过生产DC伺服电机的厂家。
可以预见,在不远的将来,除了在某些微型电机领域之外,AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。
2.全数字化
采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元,从而实现完全数字化的伺服系统。
全数字化的实现,将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制,从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法(如:
最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等)成为可能。
3.采用新型电力电子半导体器件
目前,伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件,主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)和绝缘门极晶体管(IGBT)等。
这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗,提高了系统的响应速度,降低了运行噪声。
尤其值得一提的是,最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块,称为智能控制功率模块(IntelligentPowerModules,简称IPM)。
这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。
其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容,与微处理器的输出可以直接接口。
它的应用显著地简化了伺服单元的设计,并实现了伺服系统的小型化和微型化。
4.高度集成化
新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法,代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。
同一个控制单元,只要通过软件设置系统参数,就可以改变其性能,既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统,又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。
高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积,使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。
5.智能化
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势,伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。
最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品,它们的智能化特点表现在以下几个方面:
首先他们都具有参数记忆功能,系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设
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