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    交/直流电机伺服系统

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    点击次数:更新时间:2018-05-08 11:05:26

    (1) 电动推杆的基本结构

    电动推杆具有良好的启动?制动和调速特性,可以很方便地在宽范围内实现平滑的无级调速,故多采用在对伺服电动机的调速性能要求较高的设备中?

    电动推杆的结构(图323)包括以下三大部分?

    ①定子定子磁极磁场由定子的磁极产生

    ②转子又叫电枢,由硅钢片叠压而成,表面绕有线圈?当有电流通转子线过时,在定子磁场的作用下产生带动负载旋转的电磁转矩

    ③电刷与换向片为使所产生的定子磁极电磁转矩保持恒定的方向,转子等沿固定方向连续旋转,要通过电刷与换向片切换电流方向?

    电动推杆的结构

    图3-23电动推杆的结构

    (2) 电动推杆的分类

    ①高速电动推杆20世纪60年代中期出现了永磁式电动推杆?由于其尺寸小?质量轻?效率高?结构简单?无需励磁等优点而越来越被重视?然而,普通伺服电动机在低速性能和动态指标上还不能令人满意?因此在60年代末出现了两种高性能的小惯量高速电动推杆:小惯量无槽电枢电动推杆和空心杯电枢电动推杆。

      ②低速大转矩宽调速电动机低速大转矩宽调速电动机是在过去军用低速力矩电动机经验的基础上发展起来的一种新型电动机?近年来,在高精度数控机床和工业机器人伺服系统中获得了越来越广泛的应用,尤其是北京机床研究所按日本富士通 FANUC公司的许可证制造的 fanuc-besk系列电动推杆应用最为广泛

    (3)电动推杆的驱动

      电动推杆常用的功率驱动元件是晶闸管和功率晶体管?速度调节主要用调节加在电枢上的电压大小的方法来实现?电动机换向可通过改变电枢电流的方向或励磁电流的方向来实现?由于励磁回路的时间常数很大,若采用改变励磁电流方向实现换向,必然使控制系统的响应变差?因此,这种换向方式在机床伺服控制系统中很少采用。

      直流伺服驱动系统一般有晶闸管调速驱动系统和大功率晶体管脉宽调制PWM)调速驱动系统两种?由于晶体管的开关响应特性远比晶闸管好,后者的伺服驱动特性要比前者好得多?随着大功率晶体管制造工艺的成熟,目前已比较多地采用PWM调速系统

      所谓脉宽调速,即是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源?使之按一个固定的频率来接通和断开,并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短?通过改变电动推杆电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小,从而达到调节电动机转速的目的

    交流伺服系统

      (1)交流伺服电动机的分类和特点

      ①异步型交流伺服电动机(IM)异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机?它有三相和单相之分,也有鼠笼式和线绕式之分?通常多用鼠笼式三相感应电动机?其结构简单,与同容量的直流电动机相比,质量约轻1/2,价格仅为直流电动机的1/3?缺点是实现范围较广的平滑调速不够经济;必须从电网吸收滞后的励磁电流,因而令电网功率因数变坏

      ②同步型交流伺服电动机(SM)同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂,但比直流电动机简单?它的定子与感应电动机一样,都在定子上装有对称三相绕组?而转子却不相同,按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类非电磁式又分磁滞式?永磁式和反应式多种?在数控机床中多用永磁式同步电动机?与电磁式相比,永磁式的优点是结构简单?运行可靠?效率较高;缺点是体积大?启动特性欠佳?但永磁式同步电动机采用高剩磁感应?高矫顽力的稀土类磁铁后,可比直流电动机外形尺寸约小1/2,质量减轻60%,转子惯量减到直流电动机的1/5?它与异步电动机相比,由于采用了永磁铁励磁,消除了励磁损耗及有关的杂散损耗,所以效率比较高

      (2)永磁交流伺服电动机的工作原理

    如图3-24,一个二极永磁转子(也可以是多极的)?当定子三相绕组通上交流电源后,就产生一个旋转磁场?图中用另一对旋转磁极表示,该旋转磁场将以同步转速n,旋转?由于磁极同性相斥,异性相吸,定子旋转磁极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n与旋转磁场一起旋转?当转子加上负载转矩后,转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个0角?随着负载增加,0角也随之增大,负载减小时,0角也减小,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n,旋转?

    永磁交流伺服电动机的工作原理

    图3-24永磁交流伺服电动机的工作原理

    (3) 变频调速技术

    在当今数控机床中大多采用变频器对交流伺服电动机进行变频调速?变频器可以区分为“交一交”型和“交一直一交”型两大类,前者又称为直接式变频器,后者又称带直流环节的间接式变频器?

      ①交一交变频器没有明显的中间滤波环节,电网交流电被直接变成可调频调压的交流电?由于变频器输出波形是由电源波形整流后得到的,所以输出频率不可能高于电网频率,故一般用于低频大容量调速?

      ②交一直一交变频器由顺变器?中间环节和逆变器三部分组成?顺变器的作用是将交流转换为直流,作为逆变器的直流供电电源?因中间环节的不同而分为斩波器方式变频器?电压型变频器和电流型变频器等?而逆变器是将直流电变为调频?调压的交流电,采用脉冲宽度调制(PWM)逆变器来完成?逆变器有晶闸管和晶体管逆变器之分,目前,数控机床上的交流伺服系统较多地采用晶体管逆变器3.3.4位置控制原理

      位置控制和速度控制环是紧密相连的?位置控制环节的输入数据来自轮廓插补运算?在每一个插补周期内插补运算输出一组数据给位置控制环节,位置环节根据速度指令的要求及各环节的放大倍数(称增益)对位置数据进行处理,再把处理的结果送给速度环,作为速度环的给定值

      早期的位置控制环是把位置数据经D/A转换变成模拟量后送给速度环?现代的全数字伺服系统,不进行D/A转换,全由计算机软件进行数字处理,输出结果也是数字量?在全数字系统中,各种增益常数可根据外界条件的变化而自动更改,保证在各种条件下都是最优值,因而控制精度高?稳定性好?



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