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交流伺服电机发展与应用

作者/出处: 网络 发布时间: 2017-07-06

随着应用场合与控制对象的不同采用不同的控制策略。DSP控制技术的应用使现代控制理论中先进的、复杂的算法得以实现。现今,随着电机、功率器件、传感器、微电子器件及控制理论控制算法的不断发展,经历了几代的应用结合,伺服驱动装置正朝着交流化、数字化、大功率方向。

伺服驱动系统是CNC装置和机床的联系环节。CNC装置发出的控制信息,通过伺服驱动系统,转换成坐标轴的运动,完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用归纳如下:

伺服驱动系统能放大控制信号,具有输出功率的能力;

伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。

交流伺服电机特点

a、精度:实现了位置,速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;

b、转速:高速性能好,一般额定转速能达到2000~3000转;

c、适应性:抗过载能力强,能承受三倍于额定转矩的负载,对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用;

d、稳定:低速运行平稳,低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合;

f、及时性:电机加减速的动态相应时间短,一般在几十毫秒之内;

e、舒适性:发热和噪音明显降低。

简单点说就是:我们平常看到的那种普通的电机,断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿,然后停下。

伺服电机是无刷电机,分为同步和异步电机,目前运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率。大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳交流运行的应用。

交流伺服电机只要是要有动力源的,而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。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相对较高的设备

伺服系统的发展趋势

作为数控机床的重要功能部件,伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高,近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见,随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展,具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的热点,并成为伺服系统的发展方向。

(1)交流化

伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看,几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家,AC伺服电机的市场占有率已超过80% 。国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多,正逐步超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见,在不远的将来,除了在某些微型电机领域之外,AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。

(2)全数字化

采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元,从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现,将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制,从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法(如:最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等)成为可能。

(3)采用新型电力电子半导体器件

目前,伺服控制系统的输出器件多采用开关频率很高的新型功率半导体器件,主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)和绝缘门极晶体管(IGBT)等。这些先进器件的应用显著降低了伺服单元输出回路的功耗,提高了系统的响应速度,降低了运行噪声。尤其是,最新型的伺服控制系统已开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块,称为智能控制功率模块(Intelligent Power Mod—ules,简称IPM)。这种器件将输人隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容,与微处理器的输出可直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计,并实现了伺服系统的小型化和微型化。

(4)高度集成化

新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元2个模块的做法,代之以单一、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元,只要通过软件设置系统参数就可改变其性能,既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统,又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著缩小了整个控制系统的体积,使伺服系统的安装与调试工作都得到简化。

(5)智能化

智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势,伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品,其智能化特点表现在:① 都具有参数记忆功能。系统的所有运行参数都可通过人机对话的方式由软件来设置,保存在伺服单元内部,通过通信接口,这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改,应用方便;② 都具有故障自诊断与分析功能。无论什么时候,只要系统出现故障,就会将故障类型及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来,这就简化了维修与调试的复杂性;③有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知,闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节,也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可通过几次试运行,自动将系统的参数整定出来,并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说,这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。

(6)模块化和网络化

在国外,以工业局域网技术为基础的工厂自动化(Factory Automation,简称FA)工程技术在近lO年来得到了长足发展,并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势,最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口(如RS一232C或RS一422接口等)和专用的局域网接口。这些接口的设置显著增强了伺服单元与其它控制设备问的互联能力,从而,与CNC系统问的连接也变得简单,只需1根电缆或光缆就可将数台,甚至数十台伺服单元与上位计算机连接为整个数控系统。也可通过串行接口与可编程控制器(PLC)的数控模块相连。




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