**伺服电机简介**
伺服电机(或执行电机)是一种广泛应用于自动控制系统和计算设备中的执行元件。其作用是将接收到的电信号转换成电机轴的角位移或角速度。根据电流类型的不同,伺服电机可分为直流和交流两大类。 1.交流伺服电机
1、结构及原理交流伺服电机的定子绕组与单相异步电机的定子绕组类似。其定子装有两个空间相距90电角的绕组,即励磁绕组和控制绕组。工作时,励磁绕组上始终施加一定的交流励磁电压,控制绕组上施加大小或相位随信号变化的控制电压。转子结构有笼型转子和空心杯转子两种。
笼型转子的结构与一般笼型异步电动机相同,但转子细长,转子导体采用高电阻率材料。其目的是减小转子的转动惯量,增大启动扭矩,快速响应输入信号并克服旋转现象。空心杯转子交流伺服电机的定子分为外定子和内定子两部分。外定子的结构与笼型交流伺服电机的定子相同,两相绕组置于铁芯槽内。
空心杯形转子由导电非磁性材料(如铝)制成薄壁圆柱形,置于内、外定子之间。杯底固定在转轴上,杯臂薄而轻。厚度一般为0.2-0.8mm,因此转动惯量小,动作快速灵敏。交流伺服电机的工作原理与单相异步电机类似。 LL为固定电压励磁的励磁绕组,LK为由伺服放大器供电的控制绕组。两相绕组在空间上相距90电角。
如果IL和Ik之间的相位差为90,且两相绕组的磁动势大小相等,则这种状态称为对称状态。与单相异步电动机一样,气隙中产生的合成磁场是旋转磁场,其转速称为同步转速。旋转磁场切割转子导体,在转子中产生感应电流。
转子电流与旋转磁场相互作用产生扭矩,使转子旋转。如果改变施加在控制绕组上的电流的大小或相位差,对称状态就会被破坏,旋转磁场就会减弱,电机速度就会降低。电机的工作状态越不对称,总电磁转矩越小。当控制绕组上的信号电压撤去时,电机立即停止旋转。这就是交流伺服电机与普通异步电机运行的区别。
交流伺服电机有以下三种调速方式:
(1)幅度控制:控制电流与励磁电流的相位差保持90不变,改变控制电压的大小。
(2)相位控制控制控制电压和励磁电压的大小,保持额定值不变,改变控制电压的相位。
(3)幅相控制同时改变控制电压幅值和相位。交流伺服电机轴的转向随着控制电压相位的反转而变化。
2 工作特性及用途伺服电机的工作特性表现为机械特性和调节特性。当控制电压一定时,负载增大,速度减小;其调节特性是负载一定时,控制电压越高,速度越高。伺服电机具有三个显着特点:
(1)启动扭矩大。由于转子导体电阻较大,可以达到临界转差比Sm>1。一旦控制电压施加到定子上,转子立即开始运转。
(2)运行范围宽,机器在转差0~1范围内均可稳定运行。
(3)无旋转现象。控制信号消失后,电机继续转动,称为“自转”。旋转现象会破坏伺服性能,显然应该避免。正常运行的伺服电机只要失去控制电压,伺服电机就会处于单相运行状态。由于转子导体电阻足够大,总电磁转矩始终是制动转矩。当电机正转时,失去Uk(控制电压),产生的扭矩为负值(0
不同类型的交流伺服电机具有不同的特性。笼型转子交流伺服电机具有励磁电流小、体积小、机械强度高等特点;但低速运行不够稳定,存在抖动。
空心杯转子交流伺服电机具有结构简单、维护方便、转动惯量小、运行平稳、噪音低、无无线电干扰、无抖动现象等优点;但励磁电流大,体积大,转子易变形,性能不如直流伺服电机。交流伺服电机适用于0.1-100W小功率自动控制系统,频率为50Hz、400Hz等。
笼型转子交流伺服电机产品为SL系列。空心杯转子交流伺服电机为SK系列,用于需要平稳运行的系统。 2、直流伺服电机直流伺服电机的基本结构与普通他励直流电机相同。不同的是,直流伺服电机的电枢电流很小,换向并不困难,因此不需要安装换向磁极,而且转子制成细长,气隙小,磁力强。电路不饱和,电枢电阻大。
根据励磁方式不同,可分为电磁式和永磁式。电磁式直流伺服电机的磁场由励磁绕组产生,一般采用他励式。永磁直流伺服电机的磁场由永磁体产生,不需要励磁绕组。和励磁电流,可以减少体积和损耗。为了满足各种系统的需要,进行了许多结构改进,开发了低惯量无槽电枢、空心杯电枢、印刷绕线电枢和无刷直流伺服电机。
电磁式直流伺服电机的工作原理与他励直流电机相同。因此,电磁直流伺服电机有两种速度控制方式:电枢控制和磁场控制。对于永磁直流伺服电机来说,当然只有一种电枢控制调速的方法。由于磁场控制调速方式的性能不如电枢控制调速方式,因此直流伺服电机一般采用电枢控制调速。
直流伺服电机轴的转向随着控制电压极性的变化而变化。直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相似,即n=n0-T。当励磁一定时,对于不同的电压Ua,存在一组下降的平行直线。直流伺服电机适用于功率稍大(1-600W)的自动控制系统。
与交流伺服电机相比,具有调速线性好、体积小、重量轻、启动扭矩大、输出功率大等优点。但其结构复杂,尤其是低速时,稳定性差,火花可能造成无线电干扰。近年来,开发了低惯量无槽电枢电机、空心杯电枢电机、印刷绕线电枢电机和无刷直流伺服电机,以提高快速响应能力,适应电视机等自动控制系统的发展需要。摄像头、录音机、X-Y功能录音
永磁交流伺服电机
20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术取得了突出的进步。各国著名电气制造商相继推出了各自的交流伺服电机和伺服驱动器系列。产品不断改进和更新。
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,使原有的直流伺服系统面临被淘汰的危险。 20世纪90年代以后,世界各国已经商品化的交流伺服系统均采用全数字控制的正弦波电机伺服驱动器。交流伺服驱动器在传动领域的发展日新月异。与直流伺服电机相比,永磁交流伺服电机的主要优点是:
无电刷、换向器,工作可靠,维护保养要求低。
定子绕组更方便散热。
惯量小,易于提高系统速度。
适应高速、大扭矩工况。
同等功率下体积和重量更小。
自德国MANNESMANN力士乐公司Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电机及驱动系统以来,这标志着这一新一代交流伺服技术已进入实用阶段。到20世纪80年代中后期,各公司已拥有完整的产品系列。整个伺服市场转向交流系统。早期的模拟系统在零漂移、抗干扰、可靠性、准确性和灵活性等方面存在不足,不能完全满足运动控制的要求。近年来,随着微处理器和新型数字信号处理器(DSP)的应用,出现了数字控制系统,控制部分完全可以由软件来完成,称为檚昮或把挌新永磁交流伺服系统分别为猌和把昮。
迄今为止,高性能电动伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电机,控制驱动器大多采用全数字位置伺服系统,定位快速、准确。典型厂家有德国西门子、美国科尔摩根、日本松下、安川等公司。
日本安川电机制造有限公司推出小型交流伺服电机和驱动器。 D系列适用于数控机床(最高转速1000r/min,扭矩0.25~2.8N.m),R系列适用于机器人(最高转速3000r/min,扭矩0.016~0.16N.m)。随后又推出了M、F、S、H、C、G等六大系列。 20世纪90年代,推出新的D系列和R系列。
老系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU、门阵列芯片控制。扭矩波动由24%降低至7%,可靠性提高。就这样,仅用了几年时间就形成了比较完整的八个系列(功率范围:0.05~6kW)的体系,满足了工作机械、搬运机构、焊接机器人、装配机器人、电子元件、加工机械的需求、印刷机等。高速绕线机、绕线机等的不同需求。
20世纪80年代中期以生产机床数控设备而闻名的日本发那科公司
同期还推出了S系列(13个规格)和L系列(5个规格)永磁交流伺服电机。 L系列
它具有较小的转动惯量和机械时间常数,适用于要求特别快响应的位置伺服系统。
其他日本厂商,如:三菱电机(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)、三洋电机( BL系列)、立石电机(S系列)等众多厂商也加入了永磁交流伺服系统的竞争。
德国力士乐公司(Rexroth)Indramat分部的MAC系列交流伺服电机共有7种机座尺寸、92种规格。
德国西门子公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电机分为标准型和短型两大类,共有8个机座号、98个规格。据称,该系列交流伺服电机的重量仅为相同输出扭矩的IHU系列直流伺服电机的1/2。配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列最多可控制6轴电机。
德国BOSCH公司生产铁氧体永磁SD系列(17个规格)和稀土永磁SE系列(8个规格)交流伺服电机和ServodynSM系列驱动控制器。
Gettys,美国著名伺服装置制造公司,曾是古尔德电子公司(MotionControlDivision)的一个部门,生产M600系列交流伺服电机和A600系列伺服
司机。后来并入AEG,恢复了Gettys这个名字,并推出了A700全数字交流伺服系统。
美国A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驱动事业部生产1326铁氧体永磁交流伺服电机和1391交流PWM伺服控制器。该电机有3个机座号,共30个规格。
ID。 (Industrial Drives)是著名的美国科尔摩根公司的工业驱动部门。已生产BR-210、BR-310、BR-510三大系列共41个规格的无刷伺服电机和BDS3伺服驱动器。自1989年起,推出新系列Goldline永磁交流伺服电机,包括B(小惯量)、M(中惯量)、EB(防爆)三大类,其中10、20、5种类型机架尺寸:40、60、80。每个类别有42个规格。它们均采用NdFeB永磁材料。扭矩范围为0.84~111.2N.m,功率范围为0.54~15.7kW。配套的驱动器包括BDS4(模拟型)、BDS5(数字型,含位置控制)和SmartDrive(数字型)三个系列,最大持续电流55A。 Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术的最新水平。
爱尔兰内陆最初是科尔摩根的外国部门,现已并入AEG。以生产直流伺服电机、直流力矩电机、伺服放大器而闻名。生产钐钴永磁交流伺服电机及控制器,共有BHT1100、2200、3300三种机座尺寸,共17个规格。
法国阿尔斯通集团在巴黎Parvex工厂生产LC系列(长型)和GC系列(短型)
交流伺服电机共有14个规格,同时我们还生产AXODYN系列驱动器。
前苏联开发了用于数控机床和机器人伺服控制的两个系列交流伺服电机。其中By系列采用铁氧体永磁体,有两种外形尺寸。每种机座尺寸有3种磁芯长度,每种有两种绕线数据,共12种规格,连续扭矩范围为7~35N.m。 2By系列采用稀土永磁体,有6种机座尺寸、17种规格。扭矩范围为0.1~170N.m。配备3型控制器。
近年来,日本松下公司推出了全数字化的MINAS系列交流伺服系统。其中,永磁交流伺服电机包括MSMA系列小惯量型,功率范围0.035kW,共18个规格;中惯量型包括MDMA、MGMA和MFMA。系列,功率范围从0.75至4.5kW,共23个规格。 MHMA系列大惯量电机功率范围为0.55kW,共有7个规格。
韩国三星公司近年来开发的全数字永磁交流伺服电机及驱动系统。其中FAGA交流伺服电机系列包括CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX。功率范围从15W到5kW。
如今,常用综合指标Powerrate作为伺服电机的品质因数,来衡量和比较各种交直流伺服电机和步进电机的动态响应性能。功率变化率代表电机的连续(额定)扭矩与转子转动惯量的比值。
根据功率变化率计算分析可以看出,永磁交流伺服电机的技术指标以美国I.D.的Goldline系列为主,其次是德国西门子的IFT5系列。