伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

蔣景強(qiáng)

摘要:隨著現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展,伺服電機(jī)控制技術(shù)成為重要的組成部分,并朝著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。文章介紹了伺服電機(jī)低頻特性好、速度響應(yīng)快、控制精度高、過載能力強(qiáng)、矩頻特性佳等性能。

關(guān)鍵詞:伺服電機(jī);低頻特性;速度響應(yīng);控制精度;過載能力;矩頻特性

中圖分類號(hào):TB931文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0046-02

近年來,伺服電機(jī)控制技術(shù)正朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體,并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步,經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流,進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。

一、伺服控制系統(tǒng)

(一)開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)置檢測(cè)反饋裝置,不構(gòu)成運(yùn)動(dòng)反饋控制回路,電動(dòng)機(jī)按裝置發(fā)出的指令脈沖工作,對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差沒有檢測(cè)反饋和處理修正過程,采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件,精度完全取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角精度和機(jī)械部分的傳動(dòng)精度,難以達(dá)到高精度要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能很高,運(yùn)動(dòng)部件的速度受到限制。但步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低,且其控制電路也簡(jiǎn)單。所以開環(huán)控制系統(tǒng)多用于精度和速度要求不高的經(jīng)濟(jì)型設(shè)備。

(二)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用內(nèi)裝于電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器,無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)作為位置/速度檢測(cè)器件來構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng),其系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自電機(jī)軸或絲桿上,進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置處于反饋回路之外,其剛度等非線性因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響,安裝調(diào)試比較方便。定位精度與機(jī)械傳動(dòng)裝置的精度有關(guān),而數(shù)控裝置都有螺距誤差補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償?shù)软?xiàng)功能,在傳動(dòng)裝置精度不太高的情況下,可以利用補(bǔ)償功能將加工精度提高到滿足的程度。故半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用很廣。

(三)全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動(dòng)放大器,進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和直線位移測(cè)量裝置組成。對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)量具有檢測(cè)與反饋修正功能,采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件?？梢圆捎弥苯影惭b在工作臺(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)器件,來構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的直線位移檢測(cè)器安裝在移動(dòng)部件上,其精度主要取決于位移檢測(cè)裝置的精度和靈敏度,其產(chǎn)生的加工精度比較高。但機(jī)械傳動(dòng)裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線性因素,對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響,使閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)安裝調(diào)試比較復(fù)雜。

二、伺服電機(jī)控制性能優(yōu)越

(一)低頻特性好

步進(jìn)電機(jī)易出現(xiàn)低速時(shí)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象,運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),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,可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn),便于系統(tǒng)調(diào)整。

(二)速度響應(yīng)快

步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速需要200～400ms。交流伺服系統(tǒng)的速度響應(yīng)較快,有的交流伺服電機(jī),從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒。

(三)控制精度高

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。例如松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī),對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言,其脈沖當(dāng)量為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。

(四)過載能力強(qiáng)

步進(jìn)電機(jī)不具有過載能力,為了克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩,選型時(shí)需要選取額定轉(zhuǎn)矩比負(fù)載轉(zhuǎn)矩大很多的電機(jī),造成了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。而交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力,例如松下交流伺服系統(tǒng)中的伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍,可用于克服啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。

(五)矩頻特性佳

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)轉(zhuǎn)矩會(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)速以內(nèi),都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。

三、伺服電機(jī)控制展望

伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)加工技術(shù)的高速高精化。90年代以來,數(shù)控系統(tǒng)逐漸應(yīng)用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件。交流伺服電機(jī)內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu),幾乎不需維修,體積相對(duì)較小,有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服系統(tǒng)。

另外,先進(jìn)傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。交流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、混合型的光電編碼器和絕對(duì)值編碼器作為位置、速度傳感器,其傳感器具有小于1μs的響應(yīng)時(shí)間。伺服電動(dòng)機(jī)本身也在向高速方向發(fā)展,與上述高速編碼器配合實(shí)現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進(jìn)給和1g的加速度。為保證高速時(shí)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更加平滑,改進(jìn)了電動(dòng)機(jī)的磁路設(shè)計(jì),并配合高速數(shù)字伺服軟件,可保證電動(dòng)機(jī)即使在小于1μm轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也顯得平滑而無爬行。

在煙草機(jī)械行業(yè),大多數(shù)先進(jìn)的設(shè)備幾乎完全用交流伺服電機(jī)取代直流電機(jī),如意大利的GD包裝機(jī)拉線供給控制電機(jī),由原先的直流電機(jī)發(fā)展成交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制,不僅控制精度提高,維護(hù)工作量大大降低,使用壽命大大增加。德國HAUNI公司的M5卷煙機(jī),大量使用伺服電機(jī)取代機(jī)械傳動(dòng),每個(gè)傳送鼓輪均由一個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),各個(gè)電機(jī)間通過同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行同步運(yùn)行。該同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與各伺服電機(jī)組成電子齒輪,取代機(jī)械齒輪和皮帶傳動(dòng),不僅解決機(jī)械齒輪磨損造成設(shè)備精度下降及噪音大的缺陷,同時(shí)通過系統(tǒng)總線進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,可實(shí)現(xiàn)各傳送鼓輪的電子對(duì)位,給維修與保養(yǎng)提供了極大的便利。種種跡象表明,伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高速煙草機(jī)械上的應(yīng)用已進(jìn)入加速增長(zhǎng)期。

參考文獻(xiàn)

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