【干貨】伺服電機(jī)在自動控制方面的應(yīng)用

前言

近些年來，有目共睹的是：人民生活水平在日益的提高，消費(fèi)也在不斷的攀升，隨著認(rèn)知度以及對自身生活品質(zhì)的要求不斷被提到日程上，消費(fèi)者不僅對內(nèi)在物質(zhì)的品質(zhì)提出了要求，還在包裝上也提出了相應(yīng)的要求，這就使得生產(chǎn)廠商不得不將自己的生產(chǎn)設(shè)備更新?lián)Q代，以加快生產(chǎn)，更高要求的滿足人們的需求，所以自動化數(shù)控設(shè)備被引入了生產(chǎn)，同時伺服電機(jī)更是得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)近些年來的觀察以及發(fā)展趨勢可知，伺服電機(jī)控制技術(shù)正在向數(shù)字化、智能化、交流化的方向發(fā)展，那么作為數(shù)控機(jī)床的一部分，同時也作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說，伺服電機(jī)要怎么樣的被更好的利用于各大數(shù)控機(jī)床呢?隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)，微電子技術(shù)、現(xiàn)在控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，日新月異的進(jìn)程中，對伺服電機(jī)的技術(shù)、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢做一個簡要的探討。

伺服電機(jī)簡介

目前，在生產(chǎn)中，我們通常所使用的是交流伺服電機(jī)，以交流伺服電機(jī)為例，來分析其結(jié)構(gòu)的組成。

交流伺服電機(jī)大致上可分為兩大部分，即轉(zhuǎn)子和定子部分。其中，我們一般常用的鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯行轉(zhuǎn)子就是這里所說的轉(zhuǎn)子部分。那么定子部分呢?常用的定子結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子有異曲同工之處，他們都是在定子鐵心中安放著空間互成90度的兩相繞組組成，故此，伺服電機(jī)也可被稱為是兩相的交流電動機(jī)。

在兩種常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)由轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)軸以及轉(zhuǎn)子繞組組成，而非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的外定子與鼠籠形的定子結(jié)構(gòu)完全一樣，而內(nèi)定子確有著差別，它是由環(huán)形的鋼片疊成，作為電機(jī)磁路的一部分，內(nèi)定子通常不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心而已。

但是依據(jù)目前市場的情況來看，一般被廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)，因為非磁性杯形轉(zhuǎn)子的慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。還因為它的轉(zhuǎn)子之間沒有齒槽，導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子之間沒有齒槽粘合的現(xiàn)象，在恒速轉(zhuǎn)動時，抖動的現(xiàn)象不會發(fā)生，但是在相同的體積和重量下，以一定的功率范圍內(nèi)來看，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)比鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)所產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率都小，與此同時，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)的構(gòu)造和制造工藝相對來說更復(fù)雜。故此，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)只有在要求運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些場合下才被使用(如：積分電路)。

伺服電機(jī)在數(shù)控上的應(yīng)用

3.1伺服電機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)

交流伺服電機(jī)是無刷電機(jī)的一種，但是它分為同步和異步電機(jī)，在運(yùn)動控制中較常見的是同步電機(jī)，就因為它可以做到很大的功率，在最高轉(zhuǎn)動的情形下，速度低，并且隨著功率增大而快速降低，因此適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。故此精度高，調(diào)速范圍寬、能在低速時輸出大的轉(zhuǎn)矩，還有快速響應(yīng)且無超調(diào)就是其最大的特點(diǎn)。

3.2伺服電機(jī)較之其它電動機(jī)有那些優(yōu)勢

交流伺服電機(jī)在很多方面的性能都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，雖然在一些特殊的場合或者在一些要求不高的場合經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)，但是交流伺服電機(jī)依然是呼聲最高應(yīng)用最廣的電機(jī)，那么比之步進(jìn)電機(jī)有那些方面的不同呢?

其一、在控制精度上的不同。交流伺服電機(jī)的控制精度是由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，而兩相步進(jìn)電機(jī)的距角一般為3.6度、18度，五相混合式步進(jìn)電機(jī)距角為0.72度、0.36度。

其二、低頻特性的不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時容易出現(xiàn)低頻振動的現(xiàn)象。由于步進(jìn)電機(jī)工作原理的特性決定了低頻振動的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象對于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)來說是有害而無利的，但是交流伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)卻非常的平穩(wěn)，即使是在非常低的速度下，也能保持平穩(wěn)性而不會出現(xiàn)振動。那是因為交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制的功能，在系統(tǒng)的內(nèi)部存在著頻率解析機(jī)能，在檢測到機(jī)械有共振點(diǎn)的時候就會適時的進(jìn)行調(diào)整。

還有矩頻特性、過載能力、以及運(yùn)行性能和速度響應(yīng)性能的不同。在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，要綜合考慮控制的要求、成本等以及多方面因素，在適時的選用較為適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。

伺服電機(jī)的發(fā)展趨勢

隨著中國從制造業(yè)大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國的進(jìn)程和數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的性能價格比逐漸提高的基礎(chǔ)上，交流伺服系統(tǒng)作為控制電機(jī)類高檔精密部件，它在行業(yè)中的市場也是在穩(wěn)步上升。那么作為數(shù)控機(jī)床最重要的組成部分，同時伺服系統(tǒng)也一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)之一。

近年來圍繞著伺服系統(tǒng)動態(tài)與靜態(tài)特性的提高，也是發(fā)展并且出現(xiàn)了多種伺服驅(qū)動技術(shù)。決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵性因素依然是伺服控制技術(shù)，但由于交流伺服系統(tǒng)本身的有著極其先進(jìn)的控制原理以及低成本，免維護(hù)的特性，更何況其控制特性也在全面的超越直流伺服系統(tǒng)，勢必在今后的發(fā)展過程中將大部分甚至是全部代替直流伺服系統(tǒng)，按照當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)模式來分析，其今后比向高效率化，告訴，高精度化以及高性能化的方向發(fā)展。

不僅如此，隨著目前智能化的大幅度推廣以及網(wǎng)絡(luò)化模塊化的盛行，而現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動設(shè)備也同時具備著參數(shù)記憶的功能，以及自身故障的診斷和分析的功能，有的伺服電機(jī)甚至還具備了識別參數(shù)的性能，還能在發(fā)現(xiàn)振動的時候自動對其進(jìn)行抑制，自動將編碼器進(jìn)行測定并歸零，這些都是伺服電機(jī)在智能化法相的發(fā)展趨勢。而網(wǎng)絡(luò)化的重點(diǎn)發(fā)展方向就是如何適應(yīng)高性能運(yùn)動控制對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、同步性以及可靠性的要求。高檔數(shù)控系統(tǒng)的成功開發(fā)，也預(yù)示著網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服開發(fā)成為當(dāng)下的當(dāng)務(wù)之急，還有伺服電機(jī)驅(qū)動器、電源、再生制動、以及電機(jī)與電機(jī)之間的通訊都在不斷的向模塊化方向發(fā)展。

來源：chinak