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交流伺服系统种类简介


伺服系统基本概念 系统定义 伺服系统—是使物体的位置、 方位、 状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任 意变化的自动控制系统。 伺服的主要任务是按控制命令的要求,对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装 置输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。 系统组成 伺服系统如图 1 所示,是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置监测部分、误差放大 部分、执行部分及被控对象组成。

图 1:伺服驱动自控系统的组成

性能要求 伺服系统必须具备可控性良好,稳定性高和响应快等基本性能。说明一下,可控性好是 指讯号消失以后,能立即自行停转; 稳定性高是指转速随转矩的增加而匀速下降; 响应快是 指反应快、灵敏、响态品质好。 系统分类 通常根据伺服驱动机的种类来分类,有电气式、油压式或电气-油压式三种。 伺服系统若按功能来分, 则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺 服和加速度伺服系统等。 电气式伺服系统根据电气信号可分为 DC 直流伺服系统和 AC 交流伺服系统两大类。AC 交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。 这里只讨论电气式伺服系统中的一种—交流永磁同步电机伺服系统。 交流永磁同步电机伺服系统

伺服驱动系统能够忠实地跟随控制命令而动作,例如数控机床和工业机人,伺服驱动技 术对产品的性能有重要影响, 甚至起关键作用。 故需进一步认识伺服驱动系统在其中的地位 和作用。 AC 伺服系统 电气伺服技术应用最广,主要原因是控制方便,灵活,容易获得驱动能源,没有公害污 染,维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展,它为电气伺服技术的 发展提供了广阔的前景。 早在 70 年代,小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了 70 年代末期交流伺服系统 开始发展,逐步实用化,AC 伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代 DC 伺服系统的趋势 成为电气伺服系统的主流。 在 AC 伺服系统中,可分为同步和异步型 AC 伺服系统两种。 永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高,价格不断下降,控制又比异步电机 简单,容易实现高性能的缘故,所以永磁同步电机的 AC 伺服系统应用更为广泛。 目前,在交流同步伺服驱动系统中,普通应用的交流永磁同步伺服电动机有两大类。一 类称为无刷直流电动机,它要求将方波电流直入定子绕组,详见参改文献;另一类称为三相 永磁同步电动机,它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形,详见参改文献[2]。前 者简称为 BLDCM 电机,后者简称 PMSM 电机。 以数控机床为例看 AC 永磁同步机伺服系统 系统由计算机数字控制(CNC)、 伺服驱动器(SD)、 永磁同步伺服电动机(SM)及位置(速度) 传感器(S)等组成。CNC 用来存储零件加工程序、进行各种插补运算和软件实时控制,向各 坐标轴的伺服驱动系统发出各种控制命令。SD 和 SM 接收到 CNC 的控制命令后,快速平 滑调节运动速度并精确地进行位置控制。S 代表位置和速度传感器(或检测器)。 目前 AC 伺服系统常用的位置和速度检测器有光电式和电磁式两种。例如光电编码器、 磁编码器、旋转变压器(BR)以及多转式绝对值编码器。后面两种,可作多种检测功能应用, 既可检测系统位置和转子速度,又可检测系统位置和转子速度,又可检测转子磁极位置。它 坚固耐用,不怕震动,耐高温,惟存在信号处理电路复杂缺点。

图 2:数控机床伺服控制系统

无刷直流电动机(BL、DCM)中转子磁极位置检测方法,一般都做到无接触式,常用的有 电磁式、光电式和间接检测方式。 ·直接式 电磁式:差动变压器式、接近开关式; 磁敏式:霍尔元件集成电路及模快; 光电式:简单光电式(光敏晶体管)、绝对式光电编码盘、增量式光电编码盘。 ·间接式 利用电枢绕组的感应电动势(电压)间接检测转子磁极位置, 它用于精度要求不高的场合。 数控机床用于精密机械加工,所以对伺服系统的动态和静态精度有很高的要求,并具有 宽广的调速范围和定位精度而和工业机器人的伺服系统结构类似, 但伺机服电动机 SM 作为 工业机器人手臂和腰、腿的驱动执行元件,要求其体积小,重量轻,且能产生大转矩。又由 于工业机器人不同的运动姿态,伺服电机轴上惯量和力矩将发生很大变化,因此,适应性有 更高要求。 交流永磁同步电动机 AC 伺服系统

图 3:永磁同步电动机 AC 伺服系统的组成

图 3 是交流永磁同步电动机 AC 伺服系统。 它由永磁同步伺服电动机 SM1 速度和位置传 感器 BR、PWM 功率逆变器 UI 以及具有 PI 功能的速度控制器 ASR 和电流控制器 ACR 等 部分组成。

AC 伺服系统工作原理如下:速度指令和速度反馈信号在 ASR 速度控制器的输入端比较, ASR 输出信号为电流指令信号在乘法器中相乘就得到交流电流指令。交流电流指令值与电 流反馈信号相比较后,差值送入 ACR 电流控制器。 PWM 或 SPWM(正弦脉冲宽度调制)波形生成电路及功率逆变器,输出三相变压变频的 交流电给永磁同步电动机 SM 的定子绕组, 并使输入电枢绕组中的交流电流保持良好的正弦 性。(SM 转子装有特殊形状的永磁体,产生恒定磁场,因此提高 SM 的效率)。 交流三相永磁同步电动机伺服系统举例

无刷直流电动机 BLDCM 可以用作 AC 伺服系统,但不是它唯一的应用,主要用作大型 设备起动和调速装置。同样 PMSM 也不仅仅可以用作 AC 伺服系统,主要还是用于他控式 永磁同步电动机变频调速系统。但是三相、PMSM 交流伺服系统具有更优越的低速伺服性 能,因而广泛用于数控机床,工业机器人等到高性能伺服系统中。 西门子同步伺服电动机 1Fk6/1FT6 系列 西门子伺服电动机 SIEMENS 伺服电动机有同步伺服电动机 1FK6/1FT6 和异步伺服电动机 IPA6/IPL6 两 种。这里只讨论同步伺服电动机 1FK6/1FT6 系列。 ·FK6 伺服电动机是标准伺服电动机,无法兰联接的永磁同步电动机。自然冷却,防护等 级 IP64。功率 0.5~5.2kW 转矩 0.8~16.5NM) ·1FT6 伺服电动机是永磁同步电动机。防护等级 IP64 自然冷却 0.5~15.5kW, 0.8~88N.m。 强迫通风 6.9~34.6kW, 17~160N.m。 水冷却 11~27.6kW, 17~78N.m。 详见 SIEMENS 产品样本资料,DA65.3、1998(P.2/1~2/8) 1Fk6/1FT6 同步伺服电动机特点 1FK6/1FT6 是三相稀土永磁同步电动机,其主要特点如下: ·高静态转矩, 大过载能力, 可以很快加速 Mmcx=1.6~3.0Me(额定力矩)。 ·动态响应品质优良 可以上升时间短,到达预期位置没有超调。 ·具有很精确的位置分辨率 一般情况下, 1FK6 用于小功率范围(≤5.2kW)1FT6 用于较大功率范围(≤27.6kW)。

伺服驱动技术由 DC 伺服系统迅速地向 AC 伺服系统转化,可以预见在不久的将来,AC 伺服系统将完全取代 DC 伺服系统。

AC 伺服系统向两个方向发展: 一个方向是简易、低成本 AC 伺服系统,例如简易数控机 床,办公室自动化设备、家用电器计算机外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制,它 是一个量大面广的不可忽视的应用领域,势将迅速发展和扩大; 另一个方面是更高性能、全 数字化智能化软件伺服系统,以满足高精度、数控机床、机器人特别加工装备精细进给的需 要。它将代表 AC 伺服系统发展水平和主导方向,亦将成为 AC 伺服系统的发展主流。


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