交流伺服电机.ppt

《交流伺服电机.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

交流伺服电机. 交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。控制绕组内定子励磁绕组杯形转子交流伺服电动机结构图 各种交流伺服电动机图片 发展由于直流电动机具有优良的调速性能，因此，在２０世纪９０年代以前，直流电动机调速系统在应用上一直占主导地位。但直流电动机却存在着一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需要经常维护，由于换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，使用环境也受到限制。此外，直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应更好。一般来说，在同样的体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高１０％～７０％。另外，交流电动机的容量也可以做得比直流电动机大，达到更高的电压和转速。进入２０世纪９０年代以后，随着计算机控制技术和电子技术的不断发展，交流调速技术日趋成熟，现代数控机床都倾向于采用交流伺服驱动，交流伺服电动机已经取代直流伺服电动机作为伺服系统的执行元件。 １.交流伺服电动机的种类和特点交流伺服电动机有同步型和异步型两大类。异步型交流电动机指的是交流感应电动机。同步型交流电动机按转子结构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电动机。１）异步型交流伺服电动机异步交流伺服电动机是指交流异步电动机，它有三相和单相之分，也有笼型和绕线转子之分，通常多用笼型三相异步电动机。优点：结构简单，与同容量的直流电动机相比重量轻（１／２），价格便宜（１／３）。缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，效率较低、功率因数低。应用：数控机床的主轴驱动系统。 ２）同步型交流伺服电动机同步型交流伺服电动机比异步电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与异步电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组，而转子却不同。按不同的转子结构，同步型交流伺服电动机分为电磁式及非电磁式两大类。永磁式同步电动机的优点：结构简单、运行可靠、体积约小１／２，质量减轻６０％，转子惯量可减小到１／５、效率较高。缺点：启动特性欠佳、控制复杂。应用：数控机床的进给驱动系统。 ２.结构和工作原理永磁交流同步电动机的结构：主要由电动机由定子、转子和检测元件组成。如图所示。 工作原理工作原理：永磁交流同步电动机工作原理简图如图所示，当定子三相绕组通上交流电源后，就产生了一个旋转磁场，该磁场以同步转速ｎｓ旋转。根据磁极同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极吸引转子永久磁极，并带动转子一起同步旋转。 工作原理当转子加上负载旋转后，会造成定子磁场轴线与转子磁极轴线的不重合，如图中所示的θ角。随着负载的加大，θ角也加大，当负载减少时，θ角也会随着减少。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速度旋转。当负载超过一定极限，转子不再按同步转速旋转，也可能不转，此负载的极限被称为最大同步转矩。永磁交流同步电动机的缺点是启动较困难。这是因为一方面，当三相电源供给定子绕组时，虽已产生旋转磁场，但由于转子处于静止状态，惯性较大而无法跟随旋转磁场转动；另一方面，转子与定子磁场之间的转速相差过大。解决的方法是在转子上装启动绕组，常采用笼型的启动绕组，使永磁同步电动机如感应同步电动机那样产生启动转矩，当转子速度上升到接近同步速度时，定子磁场与转子永久磁极相吸引，使转子以同步速度旋转，即为异步启动，同步运行。 也可在设计中设法减低转子的惯量或采用多磁极等使定子旋转磁场的同步转速不大，使永磁同步电动机能直接启动。还可以在速度控制单元中采取让电动机先在低速下启动，再提高到所要求的速度正常工作。 ３.调速方法根据交流电动机工作原理，当电动机三相绕组通三相交流正弦电源时，转子将产生旋转，其旋转速度可表示为式中：ｓ———电动机的转差率；ｎ———转子旋转速度；ｆ———交流电源频率；ｐ———定子和转子的磁极对数。由式可知，异步电动机的调速方法有三种：１）改变转差率调速这实际上是对异步电动机转差率进行处理而获得的调速方法。低速时，转差率大，转差损耗也大，效率低。常用的方法是降低定子电压调速、电磁转差离合器调速、线绕转子异步电动机转子串电阻调速或串极调速等。 ２）改变磁极对数调速这是一种有级的调速方法。它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数而实现交流电动机调速的。由于磁极对数ｐ是整数，所以只能得到级差很大的有级调速，这不能满足数控机床要求。３）改变频率调速变频调速是平滑改变定子供电频率ｆ而使转速平滑变化的调速方法。由于可以得到平滑可调的电动机转速，电动机从高速到低速的转差率变化都很小，故具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。因此，变频调速是一种理想的调速方法。 ４.交流伺服电动机的性能转矩—速度工作曲线，如图所示。 Ⅰ区为连续工作区。在该区内，速度和转矩的任意组合都可长时间连续工作，但连续工作区的划分受到一定条件的限制。一般说来，有２个主要条件：一是供给电动机的电流是理想的正弦波；二是电动机工作是在某一特定温度下得到这条连续工作极限线的，如温度变化则为另一条曲线，这是由于所用的磁性材料的负的温度系数所致。Ⅱ区为断续工作区。此时电动机只能根据负载工作周期曲线所决定的允许工作时间和断电时间做间歇工作。交流伺服电动机的机械特性比直流伺服电动机的机械特性要硬，其直线更为接近水平线。另外，断续工作区范围更大，尤其是在高速区，这有利于提高电动机的加、减速能力。 ５.直流（交流）伺服电动机的主要技术参数直流（交流）伺服电动机的主要技术参数是选用电动机的依据。具体如下：１）额定功率电动机轴上输出功率的额定值，即电动机在额定状态下运行的输出功率。在额定功率下，允许电动机长期连续运行而不致过热。如果电动机在超过额定功率的条件下运行，将发生过热，长期过载工作则有烧坏电动机的危险。２）额定电压电动机在额定状态下工作时，励磁绕组和电枢控制绕组上应加的电压额定值。对于永磁式直流伺服电动机，只有额定电枢电压。３）额定电流电动机在额定电压下，驱动负载为额定功率时电枢控制绕组中的电流。额定电流就是电动机长期连续运行时，电枢控制绕组中所允许的最大电流。 ４）额定转速电动机在额定电压下，输出额定功率时的转速，有时也称为最高转速。直流（交流）伺服电动机的调速范围一般在额定转速以下。５）额定扭矩电动机在额定状态下运行时，电动机轴输出的扭矩。６）最大扭矩电动机在短时间内可以输出的最大扭矩。它反映了电动机的瞬时过载能力。直流（交流）伺服电动机的瞬时过载能力都比较强，其中，直流伺服电动机的最大扭矩一般可以达到额定扭矩的５～１０倍。 ６.步进电动机和交流伺服电动机性能比较步进电动机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电动机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电动机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电动机或全数字式交流伺服电动机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。二者的使用性能比较如下： 控制精度不同低频特性不同矩频特性不同过载能力不同运行性能不同速度响应性能不同效率指标不同 １）控制精度不同两相混合式步进电动机步距角一般为３.６°、１.８°，五相混合式步进电动机步距角一般为０.７２°、０.３６°。也有一些高性能的步进电动机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电动机，其步距角为０.０９°；德国百格拉公司（ＢＥＲＧＥＲＬＡＨＲ）生产的三相混合式步进电动机其步距角可通过拨码开关设置为１.８°、０.９°、０.７２°、０.３６°、０.１８°、０.０９°、０.０７２°、０.０３６°，兼容了两相和五相混合式步进电动机的步距角（如果采用步进电动机细分驱动器，还可以将其细分至更小，比如１.８°／５１２细分＝０.００３５１５６２５°）。 交流伺服电动机的控制精度由电动机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电动机为例，对于带标准２５００线编码器的电动机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为３６０°／１００００＝０.０３６°对于带１７位编码器的电动机而言，驱动器每接收１３１０７２个脉冲电动机转一圈，即其脉冲当量为３６０°／１３１０７２＝９.８９秒，是步距角为１.８°的步进电动机的脉冲当量的１／６５５。 ２）低频特性不同步进电动机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电动机空载起跳频率的一半。这种由步进电动机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电动机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电动机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（ＦＦＴ），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 ３）矩频特性不同步进电动机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在３００～６００ＲＰＭ。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为２０００ＲＰＭ或３０００ＲＰＭ）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 ４）过载能力不同步进电动机一般不具有过载能力。交流伺服电动机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电动机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电动机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 ５）运行性能不同步进电动机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电动机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电动机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 ６）速度响应性能不同步进电动机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要２００～４００ｍｓ。交流伺服系统的加速性能较好，以松下ＭＳＭＡ４００Ｗ交流伺服电动机为例，从静止加速到其额定转速３０００ＲＰＭ仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 7）效率指标不同步进电动机的效率比较低，一般60%以下。交流伺服电机的效率比较高，一般80%以上。因此步进电动机的温升也比交流伺服电机的高。 总之，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电动机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电动机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电动机。 谢谢观赏！Thanks!