伺服电机的工作原理与基本知识

2018-09-26 15:00:11 98

“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机:在控制信号发出之前,转子静止不动;当控制信号发出时,转子立即转动;当控制信号消失时,转子能即时停转。

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      电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可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。


伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类


交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf,接恒定交流电压,利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化,达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%~15%和小于15%~25%)等特点。


直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j,式中E为电枢反电动势,K为常数,j为每极磁通,Ua、Ia为电枢电压和电枢电流,Ra为电枢电阻,改变Ua或改变φ,均可控制直流伺服电动机的转速,但一般采用控制电枢电压的方法,在永磁式直流伺服电动机中,励磁绕组被永久磁铁所取代,磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。


直流伺服电机分为有刷和无刷电机


有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),产生电磁干扰,对使用环境有要求,通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合。


无刷电机体积小重量轻,出力大响应快,速度高惯量小,力矩稳定转动平滑,控制复杂,智能化,电子换相方式灵活,可以方波或正弦波换相,电机免维护,高效节能,电磁辐射小,温升低寿命长,适用于各种环境。


交流伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,目前运动控制中一般都用同步电机,其功率范围大,功率可以做到很大,大惯量,最高转速低,转速随功率增大而匀速下降,适用于低速平稳运行场合


伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制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将反馈信号传给驱动器,对反馈值与目标值进行比较,从而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)。

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(图为三菱伺服电机)


交流伺服电机


(1)笼型两相交流伺服电机(细长笼型转子、机械特性近似线性、体积和励磁电流小、小功率伺服、低速运转不够平滑)


(2)非磁性杯型转子两相交流伺服电机(空心杯转子、机械特性近似线性、体积和励磁电流较大、小功率伺服、低速运转平滑)


(3)铁磁杯型转子两相交流伺服电机(铁磁材料杯型转子、机械特性近似线性、转子转动惯量大、齿槽效应小、运行平稳)


(4)同步型永磁交流伺服电机(由永磁同步电机、测速机及位置检测元件同轴一体机组,定子为3相或2相,磁性材料转子,必须配驱动器;调速范围宽、机械特性由恒转矩区和恒功率区组成,可连续堵转,快速相应性能好,输出功率大,转矩波动小;有方波驱动和正弦波驱动两种方式,控制性能好,为机电一体化产品)


(5)异步型三相交流伺服电机(转子与笼型异步电机相似,必须配驱动器,采用矢量控制,扩大了恒功率调速范围,多用于机床主轴调速系统)


直流伺服电机


(1)印制绕组直流伺服电机(盘形转子、盘形定子轴向粘接柱状磁钢,转子转动惯量小,无齿槽效应,无饱和效应,输出转矩大)


(2)线绕盘式直流伺服电机(盘形转子、定子轴向粘接柱状磁钢,转子转动惯量小,控制性能优于其他直流伺服电机,效率高,输出转矩大)


(3)杯型电枢永磁直流电机(空心杯转子,转子转动惯量小,适用于增量运动伺服系统)


(4)无刷直流伺服电机(定子为多相绕组,转子为永磁式,带转子位置传感器,无火花干扰,寿命长,噪声低)


力矩电机


(1)直流力矩电机(扁平结构,极数槽数换向片数串联导体数多;输出转矩大,低速或堵转下可连续工作,机械和调节特性好,机电时间常数小)


(2)无刷直流力矩电机(与无刷直流伺服电机结构相似,但为扁平状,极数槽数串联导体数多;输出转矩大,机械和调节特性好,寿命长,无火花,噪声低)


(3)笼型交流力矩电机(笼型转子,扁平结构,极数槽数多,启动转矩大,机电时间常数小,可长期堵转运行,机械特性较软)


(4)实心转子交流力矩电机(铁磁材料实心转子,扁平结构,极数槽数多,可长期堵转,运行平滑,机械特性较软)


从交流伺服电机的矢量控制技术本身来说已日趋完善普及。从实时操作系统的角度来看,它只是需要实时响应处理的一个功能模块。由于控制器的多功能、智能化要求,大量的信号处理,适应控制需要的各种数学模型的建立与运行,网络通讯等各个功能模块将会在实时操作系统的统一调度和管理下得到正确可靠的运行。

因此,下一代的伺服驱动控制器将会是一个集各种现代控制技术之大成的结晶,而并非是传统意义上的功率放大器。

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