伺服电机

伺服控制系统，也称为随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及转矩输出的自动控制系统，它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化。伺服控制系统“以物体的位置、方位、姿势等作为控制量，为跟踪目标的任何变化而建构的控制系统”。伺服机构大致由下列各部分组成。1.伺服控制系统的构成指令部发出动作的指令信号控制部使电机能按照指令运行驱动、检测部驱动控制对象，对其运行状态进行检测伺服控制系统图6-1伺服控制系统组成原理图伺服控制系统一般包括伺服控制器、伺服驱动器、执行机构（伺服电机）、被控对象（工作台）、测量/反馈环节等五部分组成。伺服系统主要由三种控制模式，分别是位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式。伺服控制系统2.伺服的作用伺服控制系统3、伺服系统的应用（在搬运控制中的应用）在工业高度发达、自动化不断进步的今天，搬运设备已成为不可或缺的项目搬运机（垂直）自动仓库·分拣系统由于导入了伺服机构，可提高机械速度，从而提高生产效率。可在指定位置正确停止，采用带电磁制动器的伺服电机，可防止停车时货物下降。自动仓库·分拣系统在自动仓库中，分拣部和行走部都已越来越多地采用AC伺服电机，可实现高速运行以及平稳的及加减速。与SCM（供应链管理）相结合的自动仓库·分拣系统从原料采购到商品发送等各个环节，可大大提高物流库存管理的效率。伺服控制系统3、伺服系统的应用（在卷材设备中的应用）伺服控制系统3、伺服系统的应用（在食品设备中的应用）伺服控制系统3、伺服系统的应用（在服装设备中的应用）多头电脑绣花机伺服控制系统3、伺服系统的应用（在机床设备中的应用）伺服电机一伺服电动机又称为执行电动机，其功能是把输入的电压信号变换成电机转轴的角位移或角速度输出。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压，改变控制电压的大小和电源的极性，就可以改变伺服电动机的转速和转向。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。1．伺服电机的铭牌和外部结构SFS表示中等容量、中等惯性时间常数、高转速20代表额定输出功率为2000W2表示输出转速为2000r/min伺服电机一（1）编码器：位于伺服电动机的背面，主要测量电动机的实际速度，并将转速信号转化为脉冲信号。（2）编码器电缆：从伺服电动机背面的编码器引出一组电缆，主要传输测得的转速信号，并反馈给控制器进行比较。（3）输入电源线电缆：与电动机内部绕组U、V、W连接，还包括一根接地线。伺服电机主要包括3部分编码器编码器电缆输入电源线电缆伺服电机一伺服电动机的分类普通直流伺服电动机直流伺服电动机低惯量直流伺服电动机直流力矩电动机两相感应伺服电动机交流伺服电动机三相感应伺服电动机无刷永磁伺服电动机直线伺服电动机电机为直线运动伺服电机一（2）伺服电机的发展史自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本三菱、松下及安川等公司。伺服电机一知识链接——伺服电机生产商1、日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列，之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列。。其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。伺服电机一2、日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。伺服电机一知识链接——伺服电机生产商3、德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。4、德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。5、德国博世（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和ServodynSM系列的驱动控制器。。伺服电机一知识链接——伺服电机生产商6、美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。7、I.D.（IndustrialDrives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，自1989年起推出了全新系列设计的Goldline永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84～111.2N.m，功率范围为0.54～15.7kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和SmartDrive（数字型）三个系列，最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。伺服电机一宽广的调速范围；机械特性和调节特性均为线性；无“自转”现象；快速响应。此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积小等。（3）控制系统对伺服电动机的基本要求直流伺服电机二直流伺服进给电动机的结构和工作原理1.结构永磁式宽调速直流伺服电动机的结构与普通直流电动机基本相同，如图4-27所示。图4-27永磁式宽调速直流伺服电动机的结构示意图它由定子和转子两大部分组成，定子包括磁极（永磁体）、电刷装置、机座、机盖等部件;转子通常称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等部件。此外在转子的尾部装有测速机和旋转变压器（或光电编码器）等检测元件。直流伺服电机二直流伺服进给电动机的结构和工作原理与普通直流电机区别1、转子是光滑无槽的铁芯，用绝缘粘合剂直接把线圈贴在铁芯表面上。2、转子长而且直径小，为了减少运动惯量。3、定子结构采用图示方形，提高励磁线圈放置的有效面积，但由于无槽结构，气隙较大，励磁和线圈匝数较大，故损耗较大，发热厉害，为此采取措施是在极间安放船型挡风板，增加风压，使之带走较多热量，而线圈外不包扎形成赤裸线圈。4.4.1直流伺服进给电动机的结构和工作原理2.工作原理图4-28永磁式宽调速直流伺服电动机工作原理示意图当转子转动时，由于电刷和换向器的作用，使得N极和S极下的导体电流方向不变，即原来在N极下的导体只要一转过中性面进入S极下的范围，电流就反向;反之，原来在S极下的导体只要一过中性面进入N极下，电流也马上反向。根据电流在磁场中受到的电磁力方向可知，图中转子受到顺时针方向力矩的作用，转子作顺时针转动。如果要使转子反转，只需改变电枢绕组的电流方向，即电枢电压的方向。根据直流电动机的机械特性可以知道，电动机的调速方法有三种:（1）改变电动机的电枢电压（2）改变电动机的磁场大小;（3）改变电动机电枢的串联电阻阻值。对于直流伺服进给电动机，只能采用改变电枢电压的方式来调速，这种调速方式称为恒转矩调速。在这种调速方式下，电动机的最高工作转速不能超过其额定转速。当电刷通以图示方向的直流电，则电枢绕组中的任一导体的电流方向如图所示。直流伺服电机二直流伺服电机二直流伺服进给驱动控制基础数控机床直流进给伺服系统多采用永磁式直流伺服电动机作为执行元件，为了与伺服系统所要求的负载特性相吻合，常采用控制电动机电枢电压的方法来控制输出转矩和转速。目前使用最广泛的方法是晶体管脉宽调制器—直流电动机调速（PWM—M），简称PWM变换器。它具有响应快、效率高、调整范围宽、噪声污染低、结构简单、可靠等优点。脉宽调速（PWM）的基本原理是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压斩成一定频率的方波电压，并加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压来控制电动机的转速。图4-29所示为PWM降压斩波器原理及输出波形。图4-29（a）中的晶体管V工作在“开”和“关”状态，假定V先导通一段时间t1，此时全部电压加在电动机的电枢上（忽略管压降），然后使V关断，时间为t2，此时电压全部加在V上，电枢回路的电压为0。反复导通和关闭晶体管V，得到如图4-29（b）所示的电压波形。在t=t1+t2时间内，加在电动机电枢回路上的平均电压为直流伺服电机二1a12=tUUUtt式中，为占空比，0≤α≤1;Ua的变化范围在0～U之间，均为正值，即电动机只能在某一个方向调速，称为不可逆调速。112ttt图4-29PWM降压斩波器原理及输出波形直流伺服电机二当需要电动机在正、反两个方向上都能调速时，需要使用桥式（H型）降压斩波电路，如图4-30所示。桥式电路中，V1、V4同时导通同时关断，V2、V3同时导通同时关断，但同一桥臂上的晶体管（如V1和V3、V2和V4）不允许同时导通，否则将使直流电源短路。设先使V1、V4同时导通t1时间后关断，间隔一定的时间后，再使V2、V3同时导通一段时间t2后关断，如此反复，得到输出电压波形如图4-30（b）所示。图4-30桥式降压斩波器原理及输出波形电动机上的平均电压为12add12=(21)ttUUUtt当0≤α≤1，Ua值的范围是-Ud～Ud。因此电动机可以在正、反两个方向上调速。交流伺服电机三1．伺服电机的内部结构及工作原理永磁式交流伺服电机由定子、转子和编码器构成，如图6-3所示。图6-3伺服电机的结构交流伺服电机三rrggbb⊙⊙⊙⊕⊕ACBZYX⊕（1）工作原理当定子三相绕组通上交流电源后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场将以同步转速n0旋转。由于磁极同性相斥，异性相吸与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此，转子也将以同步转速n0与旋转磁场一起旋转。当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ角，随着负载增加，θ也随之增大；负载减少时，θ角也减少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速n0旋转。n=60f/p永磁同步伺服电机的转速可用下式表示：改变转子的磁极对数或定子绕组的电源频率，均可改变电动机的转速。永磁同步伺服电动机是通过改变定子绕组的电源频率来调节转速的。交流伺服电机三（2）交流伺服电机的结构交流伺服电动机由定子与转子组成。它的定子分为外定子和内定子两部分，内外定子铁心通常均由硅钢片叠成。外定子铁心槽中放置空间互差90°的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。内定子铁心中一般不放绕组，仅作为磁路的一部分，以减少主磁通磁路的磁阻，其结构如图所示。转子通常做成细长型的鼠笼式。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子外定子Uc~Uf~交流伺服电机三交流伺服电动机的结构：交流伺服电动机的转子结构形式有两种：高电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯转子。高电阻率导条的笼型转子与普通笼型感应电动机的转子相似，只是为了减少转子的转动惯量，需做的细而长。转子笼的导条和端环可以采用高电阻率的导电材料（如黄铜、青铜等）制造，也可采用铸铝转子。高电阻率导条的笼形转子交流伺服电机三非磁性空心杯转子采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0