淺析伺服電機(jī)的工作原理及應(yīng)用

(濱州渤?；钊邢薰尽∩綎|　濱州　256602)

一、伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

交流伺服電機(jī)的定子繞組和單相異步電機(jī)相似，它的定子上裝有兩個(gè)在空間相差90°電角度的繞組，即勵(lì)磁繞組和控制繞組。運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁繞組始終加上一定的交流勵(lì)磁電壓，控制繞組上則加大小或相位隨信號(hào)變化的控制電壓。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式籠型轉(zhuǎn)子和空心杯型轉(zhuǎn)子兩種。籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相同，但轉(zhuǎn)子做的細(xì)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體用高電阻率的材料作成。其目的是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)輸入信號(hào)的快速反應(yīng)和克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子分為外定子和內(nèi)定子兩部分。外定子的結(jié)構(gòu)與籠型交流伺服電動(dòng)機(jī)的定子相同，鐵心槽內(nèi)放有兩相繞組?？招谋无D(zhuǎn)子由導(dǎo)電的非磁性材料(如鋁)做成薄壁筒形，放在內(nèi)、外定子之間。杯子底部固定于轉(zhuǎn)軸上，杯臂薄而輕，厚度一般在0.2—0.8mm，因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)作快且靈敏。

2．伺服電機(jī)的工作原理

伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。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))。

二、伺服電機(jī)的工作特性及用途

1．伺服電機(jī)的工作特性

伺服電動(dòng)機(jī)的工作特性是以機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性為表征。在控制電壓一定時(shí)，負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降；它的調(diào)節(jié)特性是在負(fù)載一定時(shí)，控制電壓越高，轉(zhuǎn)速也越高。伺服電機(jī)有三個(gè)顯著特點(diǎn)：

(1)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻很大，可使臨界轉(zhuǎn)差率SM>1，定子加上控制電壓，轉(zhuǎn)子立即啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)運(yùn)行范圍寬。在轉(zhuǎn)差率從0到1的范圍內(nèi)都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象?？刂菩盘?hào)消失后，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)不停的現(xiàn)象稱＂自轉(zhuǎn)＂．自轉(zhuǎn)現(xiàn)象破壞了伺服性，顯然要避免。

正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)只要失去控制電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)就處于單相運(yùn)行狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻足夠大，使得總電磁轉(zhuǎn)矩始終是制動(dòng)性的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)失去UK(控制電壓)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)(0

2．伺服電機(jī)的用途

不同類型的交流伺服電機(jī)具有不同的特點(diǎn)。籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)具有勵(lì)磁電流較小、體積較小、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)；但是低速運(yùn)行不夠平穩(wěn)，有抖動(dòng)現(xiàn)象?？招谋无D(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行平滑、噪聲小、沒(méi)有無(wú)線電干擾、無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)；但是勵(lì)磁電流較大，體積也較大，轉(zhuǎn)子易變形，性能上不及直流伺服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電機(jī)適用于0.1—100W小功率自動(dòng)控制系統(tǒng)中，頻率有50Hz、400Hz等多種?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品為SL系列。空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)為SK系列，用于要求運(yùn)行平滑的系統(tǒng)中。

三、伺服電機(jī)的選擇

與直流伺服電機(jī)比較，交流伺服電機(jī)相對(duì)比較簡(jiǎn)宜，而且具有更優(yōu)越的性能，因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在選擇伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)該考慮以下幾項(xiàng)，使交流伺服電機(jī)的工作性能得到更好的發(fā)揮。

(一)最高轉(zhuǎn)速

快速行進(jìn)的電機(jī)必須控制在最高轉(zhuǎn)速的范圍之內(nèi)，有：

Nmax ≥ N =vm i/p× 1000

式中：Nmax - 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速；

N - 快速行進(jìn)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速；

vm - 工作臺(tái)快速行進(jìn)速度；

i - 傳動(dòng)比，i =n電機(jī)/n絲杠；

p - 絲杠螺距(mm)。

(二)轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量

負(fù)載慣量最好限制在2.5倍的電機(jī)慣量?jī)?nèi)，如果超出電機(jī)慣量的2.5倍，也可以使用，但會(huì)導(dǎo)致調(diào)整范圍減小。

2.5 Jm > Jl(滿足條件)

Jl = ∑ Jk(Wc/W)2+ ∑ mi(V i/W)2

式中：Jm - 電機(jī)慣量(kg · m2)；

Jl - 轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量(kg · m2)；

Jk - 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg · m2)；

Wc - 各旋轉(zhuǎn)件的角速度(rad/s)；

mi - 各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量(kg)；

vi - 各直線運(yùn)動(dòng)件的速度(m/s)；

W - 伺服電機(jī)的角速度(rad/s)。

(三)加減速時(shí)的扭矩

加減速時(shí)的扭矩應(yīng)該限制在系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80%以內(nèi)，不管是線性加速還是旋轉(zhuǎn)加速都可以用以下公式

80% Tamax > Tmax =2 Tn(Jl + Jm)/60 ts+ Tf

式中：Tamax - 與電機(jī)匹配的系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩；

Tamax- 加減速時(shí)的最大扭矩；

ts- 加減速時(shí)的時(shí)間常數(shù)；

Tf- 快速行進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)換到電機(jī)上的載荷扭矩。

4)連續(xù)過(guò)載時(shí)間

連續(xù)過(guò)載時(shí)間應(yīng)該限制在電機(jī)規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)：

tlon ≤ tmon

式中：tlon - 電機(jī)連續(xù)過(guò)載的時(shí)間;

tmon - 電機(jī)規(guī)定的過(guò)載時(shí)間。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理、正反轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)速控制，用PLC的解碼、編碼指令實(shí)現(xiàn)對(duì)控制項(xiàng)目的研究具有較高的性價(jià)比，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制，也可以進(jìn)行普通車床數(shù)控化改造，人機(jī)界面良好，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，抗干擾強(qiáng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)量小，可獲得良好效果。

【參考文獻(xiàn)】

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