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公司:深圳市中科賽思節能設備有限公司
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2 伺服電機的概念及應用
2012-07-13 21:37:29
伺服電機系統原理、分類恒丰彩票平台,及在節能領域的應用
  伺服的基本概念
  “伺服”—詞源于單詞“servo”的讀音。其意有奴隸之意。人們想把控制機構當個得心應手的馴服工具,根據控制信號的要求而動作恒丰彩票平台。在訊號來到之前,轉子靜止不動;訊號來到之后,轉子立即轉動;當訊號消失,轉子能即時自行停轉恒丰彩票平台。由于這一特性,因此才有了伺服系統的名字。
  伺服系統:是使物體的位置、方位、狀態等輸出,能夠跟隨輸入量(或給定值)的任意變化而變化的自動控制系統。
  在自動控制系統中恒丰彩票平台,能夠以一定的準確度響應控制信號的系統稱為隨動系統,亦稱伺服系統。
  伺服的主要任務是按控制命令的要求,對功率進行放大、變換與調控等處理恒丰彩票平台,使驅動裝置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活精確方便。
      伺服系統可分為開環、半閉環、閉環控制系統。
  具有反饋的閉環自動控制系統由位置檢測部分、偏差放大部分恒丰彩票平台、執行部分及被控對象組成。
  伺服系統必須具備可控性好,穩定性高和速應性強等基本性能?煽匦院檬侵赣嵦栂б院,能立即自行停轉;穩定性高是指轉速隨轉距的增加而均勻下降;速應性強是指反應快恒丰彩票平台恒丰彩票平台、靈敏、響態品質好。
  通常根據伺服驅動機構的種類,有電氣式、油壓式或電氣—油壓式三種恒丰彩票平台。
  伺服系統若按功能來分,則有計量伺服和功率伺服系統恒丰彩票平台;模擬伺服和功率伺服系統;位置伺服和加速度伺服系統等等。
  電氣式伺服系統根據電氣信號可分為DC直流伺服系統和AC交流伺服系統二大類。AC交流伺服系統又有異步電機伺服系統和同步電機伺服系統兩種。
  
  交流伺服的技術本身就是借鑒并應用了變頻的技術,在直流電機的伺服控制的基礎上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現的,也就是說交流伺服電機必然有變頻的這一環節:變頻就是將工頻的50、60HZ的交流電先整流成直流電,然后通過可控制門極的各類晶體管(IGBT,IGCT等)通過載波頻率和PWM調節逆變為頻率可調的波形類似于正余弦的脈動電恒丰彩票平台,由于頻率可調,所以交流電機的速度就可調了(n=60f/2p 恒丰彩票平台,n轉速恒丰彩票平台,f頻率,p極對數)
  
  簡單的變頻器只能調節交流電機的速度,這時可以開環也可以閉環要視控制方式和變頻器而定恒丰彩票平台,這就是傳統意義上的V/F控制方式,F在很多的變頻已經通過數學模型的建立恒丰彩票平台,將交流電機的定子磁場UVW3相轉化為可以控制電機轉速和轉矩的兩個電流的分量,現在大多數能進行力矩控制的著名品牌的變頻器都是采用這樣方式控制力矩恒丰彩票平台恒丰彩票平台,UVW每相的輸出要加霍爾電流檢測裝置,采樣反饋后構成閉環負反饋的電流環的PID調節;類似這樣方式還有直接轉矩控制技術。這樣可以既控制電機的速度也可控制電機的力矩,而且速度的控制精度優于v/f控制,編碼器反饋也可加可不加,加的時候控制精度和響應特性要好很多。
 
  伺服驅動器在發展了變頻技術的前提下,在驅動器內部的電流環,速度環和位置環(變頻器沒有該環)都進行了比一般變頻更精確的控制技術和算法運算,在功能上也比傳統的伺服強大很多恒丰彩票平台,主要的一點可以進行精確的位置控制。通過上位控制器發送的脈沖序列來控制速度和位置,驅動器內部的算法和更快更精確的計算以及性能更優良的電子器件使之更優越于變頻器。
  
伺服電機的材料、結構和加工工藝要遠遠高于變頻器驅動的交流電機(一般交流電機或恒力矩、恒功率等各類變頻電機)恒丰彩票平台恒丰彩票平台,也就是說當驅動器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時,伺服電機就能根據電源變化產生響應的動作變化恒丰彩票平台,響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅動的交流電機,電機方面的嚴重差異也是兩者性能不同的根本。
 
  交流電機一般分為同步和異步電機
       交流同步電機:就是轉子是由永磁材料構成,所以轉動后,隨著電機的定子旋轉磁場的變化,轉子也做響應頻率的速度變化,而且轉子速度=定子速度,所以稱"同步"。
      交流異步電機:轉子由感應線圈和材料構成恒丰彩票平台。轉動后恒丰彩票平台,定子產生旋轉磁場,磁場切割定子的感應線圈,轉子線圈產生感應電流恒丰彩票平台,進而轉子產生感應磁場,感應磁場追隨定子旋轉磁場的變化恒丰彩票平台,但轉子的磁場變化永遠小于定子的變化恒丰彩票平台,一旦等于就沒有變化的磁場切割轉子的感應線圈,轉子線圈中也就沒有了感應電流恒丰彩票平台,轉子磁場消失,轉子失速又與定子產生速度差又重新獲得感應電流。
 
   對應交流同步和異步電機變頻器就有相映的同步伺服器和異步伺服器恒丰彩票平台,伺服電機也有交流同步伺服和交流異步伺服。
交流永磁同步電機伺服系統
 AC伺服系統
  電氣伺服技術應用最廣,主要原因是控制方便,靈活恒丰彩票平台,容易獲得驅動能源恒丰彩票平台,沒有公害污染,維護也比較容易恒丰彩票平台。特別是隨著電子技術和計算機軟件技術的發展,它為電氣伺服技術的發展提供了廣闊的前景。
  早在70年代恒丰彩票平台,小慣量的伺服直流電動機已經實用化了。到了70年代末期交流伺服系統開始發展恒丰彩票平台,逐步實用化,AC伺服電動機的應用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統的趨勢成為電氣伺服系統的主流。永磁轉子的同步伺服電動機由于永磁材料不斷提高恒丰彩票平台,價格不斷下降恒丰彩票平台,控制又比異步電機簡單,容易實現高性能的緣故恒丰彩票平台,所以永磁同步電機的AC伺服系統應用更為廣泛恒丰彩票平台。
  目前恒丰彩票平台,在交流同步伺服驅動系統中恒丰彩票平台,普通應用的交流永磁同步伺服電動機有兩大類。
  一類稱為無刷直流電動機恒丰彩票平台,它要求將方波電流直入定子繞組(BLDCM)
  另一類稱為三相永磁同步電動機,它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形恒丰彩票平台。(PM·SM)
  無刷直流電動機(BLDCM),用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極,將原直流電動機的電樞變為定子。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組恒丰彩票平台,而無刷直流電動機(BLDCM)是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉子顛倒一下,并采用永磁轉子,就可以省去機械換向器和電刷恒丰彩票平台,由此得名無刷直流電動機。BLDCM定子每相感應電動勢為梯形波,為了產生恒定的電磁轉矩,要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流,而SPWM恒丰彩票平台、PM、SM定子每相感應電動勢為近似正弦波,需要向SPWM、PM恒丰彩票平台、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。
  永磁同步電機的磁場來自電動機的轉子上的永久磁鐵,永久磁鐵的特性在很大程度上決定了電機的特性,目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧恒丰彩票平台,鋁鎳鈷,釹鐵硼以及SmCO5 Sm2CO17.
  在轉子上安裝永磁鐵的方式有兩種。一種是將成形永久磁鐵裝在轉子表面恒丰彩票平台,即所謂外裝式;另一種是將形成永久磁鐵埋入轉子里面,即所謂內裝式恒丰彩票平台。永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。
  根據確定的轉子結構所對應的每相勵磁磁動勢的分布不同,三相永磁同步電動機可分為兩種類型:正弦波型和方波型永磁同步電機恒丰彩票平台,前者每相勵磁磁動勢分布是正弦波狀,后者每相勵磁磁動勢分布呈方波狀,根據子路結構和永磁體形狀的不同而不同。對于徑向勵磁結構,永磁體直接面向均勻氣隙,如果采用系統永磁材料,由于稀土永磁的取向性好,可以方便的獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場。對于采用非均勻氣隙或非均勻磁化方向長度的永磁體的徑向勵磁結構,氣隙磁場波形可以實現正弦分布。
  綜上所述兩類永磁AC同步伺服電動機的差異:
  控制原理相似,給定指令信號加到AC伺服系統的輸入端,電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較恒丰彩票平台,根據比較結果控制伺服的運動,直至達到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統構成的基本思路是一致的。
  兩種永磁無刷電動機比較而言,方波無刷直流電動機具有控制簡單、成本低恒丰彩票平台、檢測裝置簡單、系統實現起來相對容易等優點。但是方波無刷直流電動機原理上存在固有缺陷,因電樞中電流和電樞磁勢移動的不連續性而存在電磁脈動恒丰彩票平台,而這種脈動在高速運轉時產生噪聲,在中低速又是平穩的力矩驅動的主要障礙。轉矩脈動又使得電機速度控制特性惡化,從而限制了由其構成的方波無刷直流電動機伺服系統在高精度、高性能要求的伺服驅動場合下的應用(尤其是在低速直接驅動場合)。因此,對于一般性能的電伺服驅動控制系統,選用方波無刷直流電動機及相應的控制方式。而PM、SM伺服系統要求定子輸入三相正弦波電流,可以獲得更好的平穩性,具有更優越的低速伺服性能。因而廣泛用于數控機床恒丰彩票平台,工業機器人等高性能高精度的伺服驅動系統中恒丰彩票平台。
伺服系統的發展過程
  伺服系統的發展經歷了由液壓到電氣的過程恒丰彩票平台,電氣伺服系統根據所驅動電機類型分為直流(DC)伺服系統和交流(AC)伺服系統。交流伺服系統按其采用的驅動電機類型又可分為永磁同步(SM型)電動機交流伺服系統和感應式異步(IM型)電動機交流伺服系統。
  由于直流伺服電動機存在機械結構復雜,維修工作量大包括電刷、換向器等則成為直流伺服驅動技術發展的瓶頸。隨著微處理技術、大功率電力電子技術的成熟和電機永磁材料的發展和成本降低恒丰彩票平台,交流伺服系統得到長足發展并將逐步取代直流伺服系統。
  上世紀90年代以前,由于技術成本等原因,國內伺服電機以直流永磁有刷電機和步進電機為主,而且主要集中在機床和國防軍工行業恒丰彩票平台。九十年代以后,進口永磁交流伺服電機系統逐步進入中國,此期間得益于稀土永磁材料的發展恒丰彩票平台、電力電子及微電子技術日新月異的進步,交流伺服電機的驅動技術也很快從模擬式過渡到全數字式。由于交流伺服電機的驅動裝置采用了先進全數字式驅動控制技術,硬件結構簡單,參數調整方便,產品生產的一致性可靠性增加,同時可集成復雜的電機控制算法和智能化控制功能恒丰彩票平台,如增益自動調整、網絡通訊功能等恒丰彩票平台,大大拓展了交流伺服電機的適用領域;另外隨著各行業恒丰彩票平台,如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備恒丰彩票平台、激光加工設備、機器人恒丰彩票平台、自動化生產線等,對工藝精度恒丰彩票平台、加工效率和工作可靠性等要求不斷提高,這些領域對交流伺服電機的需求將迅猛增長恒丰彩票平台恒丰彩票平台,交流伺服將逐步替代原有直流有刷伺服電機和步進電機。
  正弦波交流伺服系統綜合了伺服電動機、角速度和角位移傳感器的最新成就,與采用新型電力電子器件恒丰彩票平台、專用集成電路和專用控制算法的交流伺服驅動器相匹配恒丰彩票平台,組成新型高性能機電一體化產品。使原有的直流伺服系統面臨淘汰的危機恒丰彩票平台恒丰彩票平台,成為當今世界伺服驅動的主流及發展方向。正弦波交流伺服廣泛使用于航空恒丰彩票平台、航天、兵器、船舶恒丰彩票平台、電子及核工業等領域恒丰彩票平台,如自行火炮、衛星姿態控制恒丰彩票平台、雷達驅動、機載吊艙定位系統、戰車火控及火力系統、水下滅雷機器人等。
深圳市中科賽思SES800-4T系列伺服電機系統在注塑機節能領域的應用
  深圳市中科賽思注塑機伺服節能系統是由伺服控制器、伺服電機恒丰彩票平台、油泵恒丰彩票平台、編碼器恒丰彩票平台、壓力傳感器等組成。注塑機伺服系統是一個電液混合驅動的典型應用,需要對電氣系統、液壓系統、控制軟件進行統一設計;在這一領域,為配合塑機電液系統發展的需要,深圳市中科賽思全新推出了SES800-4T系列塑機專用伺服動力系統,該產品節能效果突出,同時還具備降低整體動力單元系統成本的目標恒丰彩票平台。
工作原理:
    伺服電機(servo motor )是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機,是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度恒丰彩票平台,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。在自動控制系統中恒丰彩票平台,用作執行元件,把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。
機構組成:
伺服系統的由伺服驅動器、伺服電機、油泵、編碼器、壓力傳感器等組成: 
 
使用深圳市中科賽思注塑機伺服節能改造后的特點:
        注塑機的工藝一般分為鎖模、射膠恒丰彩票平台、溶膠、保壓、冷卻、開模等幾個階段,各個階段需要不同的壓力和流量恒丰彩票平台。傳統油泵馬達按照最高壓力和最大流量需求確定功率恒丰彩票平台。以恒定的轉速提供恒定的流量,實際工作中大多時間設備對流量的需求小于額定流量,對壓力的需求小于最大壓力。傳統機構讓多余的液壓油不經過液壓缸,而是通過溢流閥回流恒丰彩票平台。此過程成為高壓節流恒丰彩票平台,使得一部分液壓油進行空循環恒丰彩票平台。據統計由高壓節流造成的能量損失高達45%-75%恒丰彩票平台。深圳市中科賽思注塑機伺服節能改造后,避免了這些能量損失恒丰彩票平台,進而為注塑機節省了45%-75%電能。
  
     傳統油泵為普通三相異步電動機恒丰彩票平台,其效率、功率因數都比現在的永磁同步伺服電機低很多,尤其是在滿載時,二者的差異更為明顯。一般統計表明,在注塑機的平均工況下恒丰彩票平台,新的電機(含驅動器)總效率比異步電機高10%左右恒丰彩票平台。
  
由于高壓節流的存在,使得傳統注塑機的油溫迅速升高,導致油體變稀恒丰彩票平台,管路軟化,容易漏油等一系列問題恒丰彩票平台,必須采取水冷系統進行冷卻。在新技術中恒丰彩票平台,完全取消了對液壓油的水冷部分,這部分功耗被100%的節省下來恒丰彩票平台。
對于普通異步電機恒丰彩票平台,其啟動恒丰彩票平台、過載動作對于電網的沖擊很大,一般需要5-7倍的電流才能輸出2倍的額定轉矩,而伺服電機即使在額定轉速下輸出2倍的額定轉矩也只需要2倍供電電流。在低速時過載,對電網沒有過流需求。采用伺服節能技術,同樣的設備數量,供電系統容量需求可降低20%-30%,無功補償需求也大為降低恒丰彩票平台。
傳統技術的運動控制均通過閥門動作實現,響應速度慢恒丰彩票平台,采用伺服技術后,動作周期循環一般可縮短10%-20%,因而生產效率也得以提高,單件產品的能耗進一步降低恒丰彩票平台。
                          作者  esechina.goepe.com

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