什么是伺服电机?未来发展趋势是什么?

发布时间:2019年11月07日 17:11    发布者:02zz
关键词: 伺服电机


“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具,服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前,转子静止不动;讯号来到之后,转子立即转动;当讯号消失,转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能,因此而得名——伺服系统。

定义

(1)伺服系统:是使物体的位置、方位、状态等输出,能够跟随输入量(或给定值)的任意变化而变化的自动控制系统。

(2)在自动控制系统中,能够以一定的准确度响应控制信号的系统称为随动系统,亦称伺服系统。

伺服的主要任务是按控制命令的要求,对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。

1.3 伺服系统的分类及组成

伺服系统按系统结构可分为开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统、复合控制系统。

具有反馈的闭环自动控制系统由位置检测部分、偏差放大部分、执行部分及被控对象组成。

1.4 伺服系统的性能要求

伺服系统必须具备可控性好,稳定性高和适应性强等基本性能。说明一下,可控性好是指讯号消失以后,能立即自行停转;稳定性高是指转矩随转速的增加而均匀下降;适应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。

1.5 伺服系统的种类

通常根据伺服驱动机的种类来分类,有电气式、油压式或电气—油压式三种。

伺服系统若按功能来分,则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。

电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统二大类。AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。

变频异同

伺服与变频的一个重要区别是: 变频可以无编码器,伺服则必须有编码器,作电子换向用.

一、两者的共同点:

交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术,在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的,也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节:变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电,然后通过可控制门极的各类晶体管(IGBT,IGCT等)通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电,由于频率可调,所以交流电机的速度就可调了(n=60f/p ,n转速,f频率, p极对数)

二、谈谈变频器:

简单的变频器只能调节交流电机的速度,这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频器而定,这就是传统意义上的V/F控制方式。很多的变频已经通过数学模型的建立,将交流电机的定子磁场UVW3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量,大多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式控制力矩,UVW每相的输出要加霍尔效应的电流检测装置,采样反馈后构成闭环负反馈的电流环的PID调节;ABB的变频又提出和这样方式不同的直接转矩控制技术,具体请查阅有关资料。这样可以既控制电机的速度也可控制电机的力矩,而且速度的控制精度优于v/f控制,编码器反馈也可加可不加,加的时候控制精度和响应特性要好很多。

三、谈谈伺服:

驱动器方面:伺服驱动器在发展了变频技术的前提下,在驱动器内部的电流环,速度环和位置环(变频器没有该环)都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算,在功能上也比传统的伺服强大很多,主要的一点可以进行精确的位置控制。通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置(当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里),驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。

电机方面:伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机(一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机),也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时,伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化,响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机,电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号,而是电机本身就反应不了,所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的,有些性能优良的变频器就可以直接驱动 [1] 伺服电机!!!

四、谈谈交流电机:

交流电机一般分为同步和异步电机

1、交流同步电机:就是转子是由永磁材料构成,所以转动后,随着电机的定子旋转磁场的变化,转子也做响应频率的速度变化,而且转子速度=定子速度,所以称"同步"。

2、交流异步电机:转子由感应线圈和材料构成。转动后,定子产生旋转磁场,磁场切割转子的感应线圈,转子线圈产生感应电流,进而转子产生感应磁场,感应磁场追随定子旋转磁场的变化,但转子的磁场变化永远小于定子的变化,一旦等于就没有变化的磁场切割转子的感应线圈,转子线圈中也就没有了感应电流,转子磁场消失,转子失速又与定子产生速度差又重新获得感应电流。所以在交流异步电机里有个关键的参数是转差率就是转子与定子的速度差的比率。

3、对应交流同步和异步电机就有相应的同步变频器和异步变频器,伺服电机也有交流同步伺服和交流异步伺服,当然变频器里交流异步变频常见,伺服则交流同步伺服常见。

伺服系统

3.1 AC伺服系统

电气伺服技术应用最广,主要原因是控制方便,灵活,容易获得驱动能源,没有公害污染,维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展,它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。

早在70年代,小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展,逐步实用化,AC伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代DC伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高,价格不断下降,控制又比异步电机简单,容易实现高性能的缘故,所以永磁同步电机的AC伺服系统应用更为广泛。

在交流同步伺服驱动系统中,普通应用的交流永磁同步伺服电动机有两大类。

一类称为无刷直流电动机,它要求将方波电流直入定子绕组(BLDCM)

另一类称为三相永磁同步电动机,它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形。(PM·SM)

无刷直流电动机(BLDCM),用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极,将原直流电动机的电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组,而无刷直流电动机(BLDCM)是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子。将有刷直流电动机的定子和转子颠倒一下,并采用永磁转子,就可以省去机械换向器和电刷,由此得名无刷直流电动机。BLDCM定子每相感应电动势为梯形波,为了产生恒定的电磁转矩,要求功率逆变器向BLDCM定子输入三相对称方波电流,而SPWM、PM、SM定子每相感应电动势为近似正弦波,需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。

永磁同步电机的磁场来自电动机的转子上的永久磁铁,永久磁铁的特性在很大程度上决定了电机的特性,采用的永磁材料主要有铁淦氧,铝镍钴,钕铁硼以及SmCO5 Sm2CO17.

在转子上安装永磁铁的方式有两种。一种是将成形永久磁铁装在转子表面,即所谓外装式;另一种是将形成永久磁铁埋入转子里面,即所谓内装式。永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。

根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势的分布不同,三相永磁同步电动机可分为两种类型:正弦波型和方波型永磁同步电机,前者每相励磁磁动势分布是正弦波状,后者每相励磁磁动势分布呈方波状,根据子路结构和永磁体形状的不同而不同。对于径向励磁结构,永磁体直接面向均匀气隙,如果采用系统永磁材料,由于稀土永磁的取向性好,可以方便的获得具有较好方波形状的气隙磁场。对于采用非均匀气隙或非均匀磁化方向长度的永磁体的径向励磁结构,气隙磁场波形可以实现正弦分布。

综上所述两类永磁AC同步伺服电动机的差异归纳如下::

控制原理相似,给定指令信号加到AC伺服系统的输入端,电动机轴上位置反馈信号与给定位置相比较,根据比较结果控制伺服的运动,直至达到所要求的位置为止。PM、SM和BLDCM二类伺服系统构成的基本思路是一致的。

两种永磁无刷电动机比较而言,方波无刷直流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单、系统实现起来相对容易等优点。但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷,因电枢中电流和电枢磁势移动的不连续性而存在电磁脉动,而这种脉动在高速运转时产生噪声,在中低速又是平稳的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电机速度控制特性恶化,从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用(尤其是在低速直接驱动场合)。因此,对于一般性能的电伺服驱动控制系统,选用方波无刷直流电动机及相应的控制方式。而PM、SM伺服系统要求定子输入三相正弦波电流,可以获得更好的平稳性,具有更优越的低速伺服性能。因而广泛用于数控机床,工业机器人等高性能高精度的伺服驱动系统中。

3.2 伺服系统的发展过程

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电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电机类型又可分为永磁同步(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。

由于直流伺服电动机存在电机结构复杂,维修工作量大例如电机的电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和交流永磁电机材料的发展和应用,电机效率的提高和制造成本的降低,交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。

1990年以前,由于技术、成本等原因,国内伺服电机以直流无槽、直流永磁有刷电机和步进电机为主,而且主要集中在机床和国防军工行业。1990年以后,进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国,此期间得益于稀土永磁材料的发展、电力电子及微电子技术日新月异的进步,交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过渡到全数字式。由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术,硬件结构简单,参数调整方便,产品生产的一致性可靠性增加,同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能,如增益自动调整、网络通讯功能等,大大拓展了交流伺服电机的适用领域;另外随着各行业,如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等,对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求不断提高,这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长,交流伺服将逐步替代原有直流有刷伺服电机和步进电机。

正弦波交流伺服系统综合了伺服电动机、角速度和角位移传感器的最新成就,与采用新型电力电子器件、专用集成电路和专用控制算法的交流伺服驱动器相匹配,组成新型高性能机电一体化产品。使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机,成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。正弦波交流伺服广泛使用于航空、航天、兵器、船舶、电子及核工业等领域,如自行火炮、卫星姿态控制、雷达驱动、机载吊舱定位系统、战车火控及火力系统、水下灭雷机器人等。

3.3伺服电机的应用

松下交流伺服电机(AC Servo) A4系列

1. 快速使用

电机运转必须的三根电缆:动力电缆;电机动力线,电机编码器线。

控制线接口X5:

伺服使能必须接的引脚:DC24V电源(7,41) 伺服使能SRV-ON(29)

控制信号:位置控制-----(脉冲方向输入3,4,5,6)

速度控制-----(模拟量输入14,15 0到±10V)

扭矩控制------(模拟量输入 14,15)

其他辅助控制功能:

10点输入:①伺服使能②模式选择③增益切换④报警清除。

6点输出:①报警(ALM)②准备(S-RDY)③制动器释放(BRK-OFF)④零速检测(ZSP)⑤转矩控制TLC。⑥定位完成或者速度到达

它比步进系统就多了一个编码器反馈,构成了一个闭环系统,当然这个闭环仅仅是相对而言。伺服系统逐渐取代了步进系统,所以大家会逐渐熟悉。

原因分析

三相交流伺服电动机应用广泛,但通过长期运行后,会发生各种故障,及时判断伺服电机故障原因 [2] ,进行相应处理,是防止故障扩大,保证设备正常运行的一项重要的工作。

一、通电后电动机不能转动,但无异响,也无异味和冒烟。

1.故障原因①电源未通(至少两相未通);②熔丝熔断(至少两相熔断);③过流继电器调得过小;④控制设备接线错误。

2.故障排除①检查电源回路开关,熔丝、接线盒处是否有断点,修复;②检查熔丝型号、熔断原因,换新熔丝;③调节继电器整定值与电动机配合;④改正接线。

二、通电后电动机不转有嗡嗡声

1.故障原因①转子绕组有断路(一相断线)或电源一相失电;②绕组引出线始末端接错或绕组内部接反;③电源回路接点松动,接触电阻大;④电动机负载过大或转子卡住;⑤电源电压过低;⑥小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬;⑦轴承卡住。

2.故障排除①查明断点予以修复;②检查绕组极性;判断绕组末端是否正确;③紧固松动的接线螺丝,用万用表判断各接头是否假接,予以修复;④减载或查出并消除机械故障,⑤检查是否把规定的面接法误接;是否由于电源导线过细使压降过大,予以纠正,⑥重新装配使之灵活;更换合格油

脂;⑦修复轴承。

三、电动机起动困难,额定负载时,电动机转速低于额定转速较多

1.故障原因①电源电压过低;②面接法电机误接;③转子开焊或断裂;④转子局部线圈错接、接反;③修复电机绕组时增加匝数过多;⑤电机过载。

2.故障排除①测量电源电压,设法改善;②纠正接法;③检查开焊和断点并修复;④查出误接处予以改正;⑤恢复正确匝数;⑥减载。

四、电动机空载电流不平衡,三相相差大

1.故障原因①绕组首尾端接错;②电源电压不平衡;③绕组存在匝间短路、线圈反接等故障。

2.故障排除①检查并纠正;②测量电源电压,设法消除不平衡;③消除绕组故障。

五、电动机运行时响声不正常有异响

1.故障原因①轴承磨损或油内有砂粒等异物;②转子铁芯松动;③轴承缺油;④电源电压过高或不平衡。

2.故障排除①更换轴承或清洗轴承;②检修转子铁芯;③加油;④检查并调整电源电压。

六、运行中电动机振动较大

1.故障原因①由于磨损轴承间隙过大;②气隙不均匀;③转子不平衡;④转轴弯曲;⑤联轴器(皮带轮)同轴度过低。

2.故障排除①检修轴承,必要时更换;②调整气隙,使之均匀;③校正转子动平衡;④校直转轴;⑤重新校正,使之符合规定。

七、轴承过热

1.故障原因①滑脂过多或过少;②油质不好含有杂质;③轴承与轴颈或端盖配合不当(过松或过紧);④轴承内孔偏心,与轴相擦;⑤电动机端盖或轴承盖未装平;⑥电动机与负载间联轴器未校正,或皮带过紧;⑦轴承间隙过大或过小;⑧电动机轴弯曲。

2.故障排除①按规定加润滑脂(容积的1/3-2/3);②更换清洁的润滑滑脂;③过松可用粘结剂修复,过紧应车,磨轴颈或端盖内孔,使之适合;④修理轴承盖,消除擦点;⑤重新装配;⑥重新校正,调整皮带张力;⑦更换新轴承;⑧校正电机轴或更换转子。

八、电动机过热甚至冒烟

1.故障原因①电源电压过高;②电源电压过低,电动机又带额定负载运行,电流过大使绕组发热;③修理拆除绕组时,采用热拆法不当,烧伤铁芯;④电动机过载或频繁起动;⑤电动机缺相,两相运行;⑥重绕后定于绕组浸漆不充分;⑦环境温度高电动机表面污垢多,或通风道堵塞;

2.故障排除①降低电源电压(如调整供电变压器分接头);②提高电源电压或换粗供电导线;③检修铁芯,排除故障;④减载;按规定次数控制起动;⑤恢复三相运行;⑥采用二次浸漆及真空浸漆工艺;⑦清洗电动机,改善环境温度,采用降温措施

发展趋势

从伺服系统的三大部件:伺服电机、编码器、驱动器的各自发展来看,交流伺服电机还会是主流。电机本身将向高性能、高功率密度的方向发展。在相同功率输出的条件下,电机本身的体积将会越来越小。如1.5KW以下的小功率AC伺服电机的体积现已只有原先传统的三相感应电机的1/10左右。这主要得益于电机制造技术本身的不断提高。如:高性能的磁性材料的采用,定子分割法工艺的集中绕组高密度绕线的采用,定子叠片的粘结工艺的采用。磁路的不断优化电子游艺免费申请彩金和热解析技术的应用使得电机的冷却性能也得到了不断提高。 [3]

与此同时,由于各种行业的特殊需求,伺服电机也会从通用的FA行业转向差异化,定向电子游艺免费申请彩金的道路。如免维修、无尘、防爆、无转矩脉动超高或超低额定转速微小型化,电机内部直接装有制动器、减速机、滚珠丝杠、联轴节、转矩温度传感器,编码器甚至驱动控制器的 ALL IN ONE一体化的伺服功能部件。

事实上,在传统的FA行业以外,特别是在家电、汽车电子、纺织、航空电子、机械等行业,各种直流无刷伺服电机已经得到了广泛和大量的应用。传统意义上的带换向器的直流伺服电机正在被这种直流无刷的伺服电机所取代。尤其在微小功率的应用范围,它有无可替代的低成本、小体积、高可靠性(通常无需光电编码器反馈),可干电池供电等优越性。所以其实际使用数量将是非常可观的。

对于反馈的编码器部件来说,其发展主要还在于小型化、低成本、高分辨率、 高可靠性、网络化、高响应、省接线、绝对值编码等方向。从结构上来讲,为了降低成本,日系的主流伺服电机所用编码器都已从整体式变为分离式。为了提高分离式编码器的可靠性,从安装方式上作了改进,已溶入电机的后轴承支承座的一体化电子游艺免费申请彩金。由于正弦波内插技术的采用,分辨率得到了很大的提高,从早期的210已发展到224—228 /每转。这对于提高伺服电机的低速控制的稳定性 减少低速脉动有很大帮助。但对于提高位置控制的精度没有直接效果。当然也有采用类似于螺距补偿一样的软件补偿,可以提高单圈的物理分辨率,从而实际提高定位控制的精度。这在分度转台机器人控制的使用中,可得到有效作用。也正是由于内插接技术的应用,使得旋转编码器也将会在严酷环境中的高精度伺服控制中得到更广泛的应用。已有224/每转分辨率的旋转编码器在伺服电机上的使用情况。编码器串行通讯省线制的方式,其通讯频率还只能限于10M以下。随着伺服控制的高分辨率、高精度、高响应的要求日益增强,编码器通讯频率的提高也将会是一个主要方向。

最后,对于伺服驱动控制器来说,其发展方向借助于IT产业技术的发展,将会有更令人耳目一新的感觉。看一下如今的手机照相机等,其丰富多彩的各种功能不难想象有很多功能都是可以借鉴和移植到伺服驱动控制器上来的。

已有国内的企业将WIFI的无线通讯技术用到了伺服控制的参数写入 调整运行的监控等方面。USB的通讯技术触摸屏显示控制技术,现已经得到了应用。针对下一代的伺服驱动器的研发,已有不少企业正在考虑采用新一代手机所用的CPU和实时操作系统技术。大家都知道的傻瓜照相机技术,利用它外行人也能拍出很漂亮的照片。那么相信下一代的伺服驱动器一定也会带有这种一键自整定的功能,伺服的应用会变得越来越普及。因为其调整调试非常方便。若客户实在搞不定,就可以通过WIFI 让生产厂家的售后服务人员遥控诊断并解决。

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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