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应用于精密机床和机器人的伺服电机有何特性?

更新时间:2017-08-04 10:44:56 星期四
摘要:

饲(si)机(ji)电机(ji)简单(dan)来(lai)说就是一(yi)台电动机(ji),但(dan)是为何(he)要(yao)叫成伺(si)服(fu)电机(ji)呢? “伺(si)服(fu)”一(yi)词源于希(xi)腊语,是“奴隶”的意(yi)思,伺(si)服(fu)电机(ji) […]

饲机电机简单(dan)来说就是一台(tai)电动机,但(dan)是为何要叫成伺(si)服电机呢?

“伺(si)服(fu)”一(yi)词(ci)源(yuan)于希(xi)腊语,是(shi)“奴隶”的意思,伺(si)服(fu)电机”可以理(li)解为(wei)绝对服(fu)从控(kong)(kong)制信(xin)号(hao)指挥的电机,没有(you)收到控(kong)(kong)制信(xin)号(hao)时(shi)(shi)(shi),绝对不(bu)能(neng)转动,当收到信(xin)号(hao)时(shi)(shi)(shi)必(bi)须(xu)立即达到额定转速,而(er)信(xin)号(hao)要求停止(zhi)时(shi)(shi)(shi),转速必(bi)须(xu)在极(ji)短(duan)时(shi)(shi)(shi)间内归0。

1978年, 德国Rexroth公司的Indramat分部在汉诺威贸易博览会上正(zheng)式推(tui)出MAC永(yong)磁交(jiao)流(liu)伺服(fu)电动机和(he)驱动系统,标志着新一代交(jiao)流(liu)伺服(fu)技术(shu)已进入实用化阶段。

交(jiao)流伺(si)服电机

但是(shi)早期的模拟系统在零漂、抗干扰、可靠性(xing)、精(jing)度和柔性(xing)等方面(mian)存在不足(zu)(zu),不能完全满足(zu)(zu)运动控制(zhi)的要求,直到(dao)新(xin)型DSP的应用,出(chu)现(xian)了数字控制(zhi)系统之后,饲服(fu)机(ji)(ji)在精(jing)密机(ji)(ji)床、电梯、医疗设备、计(ji)算机(ji)(ji)外设、机(ji)(ji)器人等几(ji)乎所(suo)有行(xing)业具有广泛应用。

日(ri)本的(de)精密机床

因为我国在精密(mi)机床和(he)机器人(ren)(ren)两大方面落后日德的(de)现状(zhuang),高端(duan)伺服电机不能国产之殇,也是国人(ren)(ren)的(de)心病之一。

伺服电机在功能(neng)和结构(gou)上(shang)与步(bu)进电机很相似,但是二者在性能(neng)上(shang)有(you)非常大的差异。

步进电机结构(gou)图

伺服电(dian)机结构图

首先(xian), 伺服电机与步进电机控制的精度不同

两(liang)相混(hun)合式步(bu)进电(dian)(dian)机(ji)步(bu)距(ju)角一(yi)般为(wei)(wei) 1.8°、0.9°,五相混(hun)合式步(bu)进电(dian)(dian)机(ji)步(bu)距(ju)角一(yi)般为(wei)(wei)0.72°、0.36°。而交流伺(si)服电(dian)(dian)机(ji)的控制精度(du)由电(dian)(dian)机(ji)轴后端的旋转(zhuan)编码器保证,对于带(dai)17位编码器的电(dian)(dian)机(ji)而言(yan),驱(qu)动器每(mei)接收(shou)131072个脉冲电(dian)(dian)机(ji)转(zhuan)一(yi)圈,即(ji)其脉冲当(dang)量为(wei)(wei)360°/131072=0.0027466°,是步(bu)距(ju)角为(wei)(wei)1.8°的步(bu)进电(dian)(dian)机(ji)的脉冲当(dang)量的1/655。

第(di)二(er), 伺服电(dian)机与(yu)步进电(dian)机的低频特性(xing)不同

步(bu)进电机在低(di)速时(shi)易(yi)出现低(di)频振(zhen)动(dong)现象(xiang),步(bu)进电机的(de)工作原理决定(ding)了低(di)频振(zhen)动(dong)现象(xiang)对于(yu)机器的(de)正常运(yun)转非常不(bu)利(li),步(bu)进电机存在固定(ding)的(de)共振(zhen)点,很(hen)多步(bu)进驱动(dong)器通过自动(dong)计算其振(zhen)点,以调(diao)整(zheng)控制算法来达(da)到抑制其振(zhen)的(de)目的(de)。

交流(liu)伺服电机(ji)运(yun)转非常平稳(wen),即使在低速时也不会出(chu)现振动现象。交流(liu)伺服系(xi)统(tong)具(ju)有共振抑制功(gong)能(neng),可弥(mi)补机(ji)械的(de)刚(gang)性不足(zu),并且系(xi)统(tong)内部具(ju)有频率解析机(ji)能(neng)(FFT),可检测出(chu)机(ji)械的(de)共振点,便于系(xi)统(tong)调(diao)整。

伺服系统的振动抑(yi)(yi)制功能包含共振抑(yi)(yi)制及阻(zu)尼(ni)减振两个部分。

共振(zhen)抑制

阻(zu)尼减(jian)振

第三,伺(si)服电(dian)机(ji)(ji)与步进电(dian)机(ji)(ji)矩频特性不同

步进电机的输(shu)出(chu)力矩(ju)随转速(su)(su)(su)(su)升(sheng)高而下降,且(qie)在(zai)较高转速(su)(su)(su)(su)时会(hui)急(ji)剧下降,所以(yi)其最(zui)高工作转速(su)(su)(su)(su)一(yi)般(ban)在(zai)300~600RPM。交(jiao)流(liu)伺服电机为(wei)恒力矩(ju)输(shu)出(chu),即在(zai)其额(e)(e)定(ding)转速(su)(su)(su)(su)(一(yi)般(ban)为(wei)2000RPM或3000RPM)以(yi)内,都能输(shu)出(chu)额(e)(e)定(ding)转矩(ju),在(zai)额(e)(e)定(ding)转速(su)(su)(su)(su)以(yi)上为(wei)恒功(gong)率输(shu)出(chu)。

相同尺寸下的伺服电机与步进电机的速度力矩特性比较

第四,伺服电机与步进电机过载能力(li)不同

步进电(dian)机(ji)一般不具(ju)有过载(zai)能(neng)(neng)力。交(jiao)流(liu)(liu)伺(si)服(fu)电(dian)机(ji)具(ju)有较强的过载(zai)能(neng)(neng)力。以M2交(jiao)流(liu)(liu)伺(si)服(fu)系统为例(li),它(ta)具(ju)有速(su)度(du)过载(zai)和转矩过载(zai)能(neng)(neng)力。其(qi)最大(da)转矩为额(e)定转矩的二(er)到三倍,可用(yong)于克服(fu)惯性负载(zai)在启动瞬间的惯性力矩。

第五,伺服电机与(yu)步进电机运(yun)行性能不同

步进(jin)(jin)电(dian)机的(de)控(kong)制为开(kai)环(huan)(huan)控(kong)制,启动(dong)(dong)频率过高或负载(zai)过大易出(chu)现(xian)(xian)(xian)失步或堵(du)转(zhuan)的(de)现(xian)(xian)(xian)象,停止时(shi)转(zhuan)速过高易出(chu)现(xian)(xian)(xian)过冲的(de)现(xian)(xian)(xian)象,所以为保证其控(kong)制精度,应(ying)处(chu)理好升(sheng)、降(jiang)速问(wen)题。交流伺服(fu)驱(qu)动(dong)(dong)系统为闭环(huan)(huan)控(kong)制,驱(qu)动(dong)(dong)器可直(zhi)接对电(dian)机编码器反馈信号进(jin)(jin)行(xing)采样,内(nei)部构成位(wei)置环(huan)(huan)和速度环(huan)(huan),一(yi)般不会出(chu)现(xian)(xian)(xian)步进(jin)(jin)电(dian)机的(de)失步或过冲的(de)现(xian)(xian)(xian)象,控(kong)制性能更为可靠。

第六,伺服电机(ji)与步进(jin)电机(ji)速度响应性能(neng)不同

步进电机从(cong)静止加(jia)速(su)(su)(su)到工作转速(su)(su)(su)(一(yi)般为每分(fen)钟(zhong)几百转)需要200~400毫(hao)秒(miao)。交流伺(si)服系统(tong)的(de)加(jia)速(su)(su)(su)性(xing)能较好,以鸣志400W交流伺(si)服电机为例,从(cong)静止加(jia)速(su)(su)(su)到其额定转速(su)(su)(su)3000RPM仅需几毫(hao)秒(miao),可用于要求快速(su)(su)(su)启停(ting)的(de)控制场合。

在一些(xie)要求(qiu)非常高(gao)(gao)的(de)场(chang)合,必(bi)须采用性能远高(gao)(gao)于(yu)步(bu)进(jin)电机的(de)伺(si)服(fu)电机。我国虽然(ran)具有世界(jie)上最全的(de)工业门类(lei),但是大(da)(da)部分处于(yu)“豪(hao)放派”领域,对于(yu)高(gao)(gao)端产(chan)品(pin)的(de)积累还(hai)有很(hen)大(da)(da)的(de)差距(ju)。

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