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交流伺服電機
交流伺服電機
交流伺服電機
伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，
轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）
目錄
交流伺服電機的基本常識
交流伺服電動機的結(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，交流伺服電動機一種兩相的交流電動機。 交流伺服電動機使用時，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，伺服電動機很快就會轉(zhuǎn)動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉(zhuǎn)磁場的方向就發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。 為了在電機內(nèi)形成一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，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
交流伺服電機及其調(diào)速分類和特點
長期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合，一直占據(jù)主導(dǎo)地位的是應(yīng)用直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)。但直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護。換向器換向時會產(chǎn)生火花，使電動機的
臺達(dá)ECMA系列交流伺服電機
最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機，特別是鼠籠式感應(yīng)電動機沒有上述缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高10﹪～70
﹪，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速�，F(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流伺服驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動已有取代直流伺服驅(qū)動之勢。
異步型交流伺服電動機
異步型交流伺服電動機指的是交流感應(yīng)電動機。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)電動機。其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流電動機相比，質(zhì)量輕1/2，價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流。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機簡稱為異步型交流伺服電動機，用IM表示。
同步型交流伺服電動機
同步型交流伺服電動機雖較感應(yīng)電動機復(fù)雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應(yīng)電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。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)式同步電動機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機采用高剩磁感應(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機的1/5。它與異步電動機相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關(guān)的雜散損耗，所以效率高。又因為沒有電磁式同步電動機所需的集電環(huán)和電刷等，其機械可靠性與感應(yīng)（異步）電動機相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。這是因為在低速時，感應(yīng)（異步）電動機由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。
交流伺服電機的優(yōu)良性能
1 控制精度高
步進電機的步距角一般為1．8。(兩相)或0．72。(五相)，而交流伺服電機的精度取決于電機編碼器的精度。以伺服電機為例，其編碼器為l6位，驅(qū)動器每接收2 =65 536個脈沖，電機轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當(dāng)量為360‘／65 536=0，0055 ；并實現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制．從根本上克服了步進電機的失步問題。
2 矩頻特性好
步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，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 具有過載能力
以松下交流伺服電機為
4 加速性能好
步進電機空載時從靜止加速到每分鐘幾百轉(zhuǎn)，需要200—400ms：交流伺服電機的加速性能較好．
步進電機和交流伺服電機性能比較 步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(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，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場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
兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(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電機的步距角。 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為
360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當(dāng)量的1/655。
2、低頻特性不同
步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。 交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常
平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。
3、矩頻特性不同
步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，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、過載能力不同
步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
5、運行性能不同
步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
6、速度響應(yīng)性能不同
步進電機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)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過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。
交流伺服電機在包裝機械上的應(yīng)用
在物料計量方面的應(yīng)用
粉狀物料的計量，常用螺桿計量的方式．通過螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)的多少來達(dá)到計量的目的。為了提高計量的精度，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來驅(qū)動螺桿，利用交流伺服電機控制精度高、矩頻特性好的優(yōu)點可以達(dá)到快速精確計量同樣．對粘稠體物料的計量，可以采用交流伺服電機來驅(qū)動齒輪泵，通過齒輪泵的一對齒輪的嚙臺來進行計量。
在橫封裝置的應(yīng)用
在制袋式自動包裝機械中，橫封裝置是一個重要的機構(gòu)，它不僅要求定位準(zhǔn)確，還要求橫向封臺時橫封輪的線速度與薄膜供送的速度相等，而且在橫封輪對滾后，橫封輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)增大，即以較快的速度相分離。 傳統(tǒng)的方法是通過偏心輪或曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)等機械的方式來實現(xiàn)的，這樣不僅機構(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來驅(qū)動橫封輪，可以利用交流伺服電機優(yōu)良的運動性能，通過交流伺服電機的非恒速運動來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上，以前，包裝膜的供送多采用曲柄連桿機構(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驅(qū)動拉帶輪，可以在控制器中事先設(shè)定交流伺服電機每次運行的距離、運行的時間和停頓的時間，利用交流伺服電機的優(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，通過色標(biāo)檢測開關(guān)檢測到的偏差信號，經(jīng)控制器輸送到交流伺服電機，交流伺服電機優(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，交流伺服電機的優(yōu)良加速性能及其過載能力，可以保證連續(xù)勻速的供送物料。
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