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交流伺服電機(jī)
交流伺服電機(jī)
交流伺服電機(jī)
伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，
轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）
目錄
交流伺服電機(jī)的基本常識(shí)
交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90
度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動(dòng)機(jī)一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。 為了在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要求激磁電壓Uj和控制電壓UK之間應(yīng)有90度的相位差，常用的方法有：
1）利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90度的移相
2）利用三相電源的任意線電壓；
3）采用移相網(wǎng)絡(luò)
4）在激磁相中串聯(lián)電容器
交流伺服電機(jī)及其調(diào)速分類和特點(diǎn)
長(zhǎng)期以來(lái)，在要求調(diào)速性能較高的場(chǎng)合，一直占據(jù)主導(dǎo)地位的是應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。但直流電動(dòng)機(jī)都存在一些固有的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)。換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的
臺(tái)達(dá)ECMA系列交流伺服電機(jī)
最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沒有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動(dòng)機(jī)輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10﹪～70
﹪，此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速�，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，交流伺服驅(qū)動(dòng)已有取代直流伺服驅(qū)動(dòng)之勢(shì)。
異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)
異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)指的是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，質(zhì)量輕1/2，價(jià)格僅為直流電動(dòng)機(jī)的1/3。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵(lì)磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。
這種鼠籠轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱為異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)，用IM表示。
同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)
同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)雖較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。它的定子與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，都在定子上裝有對(duì)稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率較高；缺點(diǎn)是體積大、啟動(dòng)特性欠佳。但永磁式同步電動(dòng)機(jī)采用高剩磁感應(yīng)，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動(dòng)外形尺寸約小1/2，質(zhì)量減輕60﹪，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動(dòng)機(jī)的1/5。它與異步電動(dòng)機(jī)相比，由于采用了永磁鐵勵(lì)磁，消除了勵(lì)磁損耗及有關(guān)的雜散損耗，所以效率高。又因?yàn)闆]有電磁式同步電動(dòng)機(jī)所需的集電環(huán)和電刷等，其機(jī)械可靠性與感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動(dòng)機(jī)，從而使永磁同步電動(dòng)機(jī)的體積比異步電動(dòng)機(jī)小些。這是因?yàn)樵诘退贂r(shí)，感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時(shí)，它的視在功率卻要大得多，而電動(dòng)機(jī)主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。
交流伺服電機(jī)的優(yōu)良性能
1 控制精度高
步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為1．8。(兩相)或0．72。(五相)，而交流伺服電機(jī)的精度取決于電機(jī)編碼器的精度。以伺服電機(jī)為例，其編碼器為l6位，驅(qū)動(dòng)器每接收2 =65 536個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當(dāng)量為360‘／65 536=0，0055 ；并實(shí)現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制．從根本上克服了步進(jìn)電機(jī)的失步問(wèn)題。
2 矩頻特性好
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其工作轉(zhuǎn)速一般在每分鐘幾十轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。而交流伺服電機(jī)在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000r／min或3000r／rain)以內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速以E為恒功率輸出。
3 具有過(guò)載能力
以松下交流伺服電機(jī)為
4 加速性能好
步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)從靜止加速到每分鐘幾百轉(zhuǎn)，需要200—400ms：交流伺服電機(jī)的加速性能較好．
步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較 步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異�，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。
1、控制精度不同
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國(guó)百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為
360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
2、低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常
平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。
3、矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
4、過(guò)載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。
5、運(yùn)行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
6、速度響應(yīng)性能不同
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。
小結(jié)：
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。
交流伺服電機(jī)在包裝機(jī)械上的應(yīng)用
在物料計(jì)量方面的應(yīng)用
粉狀物料的計(jì)量，常用螺桿計(jì)量的方式．通過(guò)螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)的多少來(lái)達(dá)到計(jì)量的目的。為了提高計(jì)量的精度，要求螺桿的轉(zhuǎn)速可調(diào)、位置定位準(zhǔn)確，如果用交流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)螺桿，利用交流伺服電機(jī)控制精度高、矩頻特性好的優(yōu)點(diǎn)可以達(dá)到快速精確計(jì)量同樣．對(duì)粘稠體物料的計(jì)量，可以采用交流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)齒輪泵，通過(guò)齒輪泵的一對(duì)齒輪的嚙臺(tái)來(lái)進(jìn)行計(jì)量。
在橫封裝置的應(yīng)用
在制袋式自動(dòng)包裝機(jī)械中，橫封裝置是一個(gè)重要的機(jī)構(gòu)，它不僅要求定位準(zhǔn)確，還要求橫向封臺(tái)時(shí)橫封輪的線速度與薄膜供送的速度相等，而且在橫封輪對(duì)滾后，橫封輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)增大，即以較快的速度相分離。 傳統(tǒng)的方法是通過(guò)偏心輪或曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等機(jī)械的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣不僅機(jī)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，且調(diào)整十分麻煩。如果用交流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)橫封輪，可以利用交流伺服電機(jī)優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能，通過(guò)交流伺服電機(jī)的非恒速運(yùn)動(dòng)來(lái)滿足橫向封口的要求，提高工作質(zhì)量和效率。
在供送物料方面的應(yīng)用
包裝機(jī)械供送物料的工作方式有間歇式和連續(xù)式兩類。
在間歇式供送物料方式中，如在間歇式制袋包裝機(jī)上，以前，包裝膜的供送多采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)間歇拉帶的方式，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整也困難。如果用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉帶輪，可以在控制器中事先設(shè)定交流伺服電機(jī)每次運(yùn)行的距離、運(yùn)行的時(shí)間和停頓的時(shí)間，利用交流伺服電機(jī)的優(yōu)良加速和定位性能，達(dá)到準(zhǔn)確控制供送薄膜的長(zhǎng)度的目的。尤其是在具有色標(biāo)糾偏裝置的控制系統(tǒng)中，通過(guò)色標(biāo)檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)到的偏差信號(hào)，經(jīng)控制器輸送到交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)優(yōu)良的加速性能和控制精度，可以使偏差得到快速準(zhǔn)確的糾正。
在連續(xù)式供送物料方式中，交流伺服電機(jī)的優(yōu)良加速性能及其過(guò)載能力，可以保證連續(xù)勻速的供送物料。
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