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樓主  發(fā)表于: 2011-08-01 16:34
交流伺服電機的工作原理
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))。
4. 什么是伺服電機?有幾種類型?工作特點是什么?
答:伺服電動機又稱執(zhí)行電動機,在自動控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類,其主要特點是,當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降,
請問交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上有什么區(qū)別?

答:交流伺服要好一些,因為是正弦波控制,轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單,便宜。
永磁交流伺服電動機

20世紀80年代以來,隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅(qū)動技術的發(fā)展,永磁交流伺服驅(qū)動技術有了突出的發(fā)展,各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后,世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較,主要優(yōu)點有:

⑴無電刷和換向器,因此工作可靠,對維護和保養(yǎng)要求低。

⑵定子繞組散熱比較方便。

⑶慣量小,易于提高系統(tǒng)的快速性。

⑷適應于高速大力矩工作狀態(tài)。

⑸同功率下有較小的體積和重量。

自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅(qū)動系統(tǒng),這標志著此種新一代交流伺服技術已進入實用化階段。到20世紀80年代中后期,各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足,尚不能完全滿足運動控制的要求,近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器(DSP)的應用,出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng),控制部分可完全由軟件進行,分別稱為摪朧只瘮或摶旌鮮綌、撊只瘮?shù)挠来沤涣魉欧到y(tǒng)。

到目前為止,高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機,控制驅(qū)動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。

日本安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅(qū)動器,其中D系列適用于數(shù)控機床(最高轉(zhuǎn)速為1000r/min,力矩為0.25~2.8N.m),R系列適用于機器人(最高轉(zhuǎn)速為3000r/min,力矩為0.016~0.16N.m)。之后又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅(qū)動、8051單片機控制改為正弦波驅(qū)動、80C、154CPU和門陣列芯片控制,力矩波動由24%降低到7%,并提高了可靠性。這樣,只用了幾年時間形成了八個系列(功率范圍為0.05~6kW)較完整的體系,滿足了工作機械、搬運機構(gòu)、焊接機械人、裝配機器人、電子部件、加工機械、印刷機、高速卷繞機、繞線機等的不同需要。

以生產(chǎn)機床數(shù)控裝置而著名的日本法奴克(Fanuc)公司,在20世紀80年代中

期也推出了S系列(13個規(guī)格)和L系列(5個規(guī)格)的永磁交流伺服電動機。L系列

有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機械時間常數(shù),適用于要求特別快速響應的位置伺服系統(tǒng)。

日本其他廠商,例如:三菱電動機(HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列)、東芝精機(SM系列)、大隈鐵工所(BL系列)、三洋電氣(BL系列)、立石電機(S系列)等眾多廠商也進入了永磁交流伺服系統(tǒng)的競爭行列。

德國力士樂公司(Rexroth)的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機共有7個機座號92個規(guī)格。

德國西門子(Siemens)公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機分為標準型和短型兩大類,共8個機座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機與相同輸出力矩的直流伺服電動機IHU系列相比,重量只有后者的1/2,配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動器6SC61系列,最多的可供6個軸的電動機控制。

德國寶石(BOSCH)公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列(17個規(guī)格)和稀土永磁的SE系列(8個規(guī)格)交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅(qū)動控制器。

美國著名的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部(Motion Control Division),生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服

驅(qū)動器。后合并到AEG,恢復了Gettys名稱,推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。

美國A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驅(qū)動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機和1391型交流PWM伺服控制器。電動機包括3個機座號共30個規(guī)格。

I.D.(Industrial Drives)是美國著名的科爾摩根(Kollmorgen)的工業(yè)驅(qū)動分部,曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅(qū)動器。自1989年起推出了全新系列設計的摻鶼盜袛(Goldline)永磁交流伺服電動機,包括B(小慣量)、M(中慣量)和EB(防爆型)三大類,有10、20、40、60、80五種機座號,每大類有42個規(guī)格,全部采用釹鐵硼永磁材料,力矩范圍為0.84~111.2N.m,功率范圍為0.54~15.7kW。配套的驅(qū)動器有BDS4(模擬型)、BDS5(數(shù)字型、含位置控制)和Smart Drive(數(shù)字型)三個系列, 最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術最新水平。

愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部,現(xiàn)合并到AEG,以生產(chǎn)直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機和八種控制器。

法國Alsthom集團在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列(長型)和GC系列(短型)

交流伺服電動機共14個規(guī)格,并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。

原蘇聯(lián)為數(shù)控機床和機器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁,有兩個機座號,每個機座號有3種鐵心長度,各有兩種繞組數(shù)據(jù),共12個規(guī)格,連續(xù)力矩范圍為7~35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁,6個機座號17個規(guī)格,力矩范圍為0.1~170N.m,配套的是3ДБ型控制器。

近年日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng),其中永磁交流伺服電動機有MSMA系列小慣量型,功率從0.03~5kW,共18種規(guī)格;中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列,功率從0.75~4.5kW,共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機的功率范圍從0.5~5kW,有7種規(guī)格。

韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機及驅(qū)動系統(tǒng),其中FAGA交流伺服電動機系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號,功率從15W~5kW。

現(xiàn)在常采用摴β時浠蕯(Powerrate)這一綜合指標作為伺服電動機的品質(zhì)因數(shù),衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態(tài)響應性能。功率變化率表示電動機連續(xù)(額定)力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比。

按功率變化率進行計算分析可知,永磁交流伺服電動機技術指標以美國I.D 的Goldline系列為最佳,德國Siemens的IFT5系列次之。
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1樓  發(fā)表于: 2011-08-01 16:35
變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、再次整流(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

1. 電機的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變?
    *1: r/min
    電機旋轉(zhuǎn)速度單位:每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù),也可表示為rpm.
    例如:2極電機 50Hz 3000 [r/min]
    4極電機 50Hz 1500 [r/min]
    
   結(jié)論:電機的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例
  本文中所指的電機為感應式交流電機,在工業(yè)中所使用的大部分電機均為此類型電機。感應式交流電機(以后簡稱為電機)的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機的極數(shù)和頻率。由電機的工作原理決定電機的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值(為2的倍數(shù),例如極數(shù)為2,4,6),所以一般不適和通過改變該值來調(diào)整電機的速度。
    另外,頻率能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機,這樣電機的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。
    因此,以控制頻率為目的的變頻器,是做為電機調(diào)速設備的優(yōu)選設備。
    n = 60f/p
    n: 同步速度
    f: 電源頻率
    p: 電機極對數(shù)
  
   結(jié)論:改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法
  如果僅改變頻率而不改變電壓,頻率降低時會使電機出于過電壓(過勵磁),導致電機可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時,電壓卻不可以繼續(xù)增加,最高只能是等于電機的額定電壓。
  例如:為了使電機的旋轉(zhuǎn)速度減半,把變頻器的輸出頻率從50Hz改變到25Hz,這時變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V
  
2. 當電機的旋轉(zhuǎn)速度(頻率)改變時,其輸出轉(zhuǎn)矩會怎樣?
    *1: 工頻電源
    由電網(wǎng)提供的動力電源(商用電源)
    *2: 起動電流
    當電機開始運轉(zhuǎn)時,變頻器的輸出電流
    變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動
    電機在工頻電源供電時起動和加速沖擊很大,而當使用變頻器供電時,這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動會產(chǎn)生一個大的起動起動電流。而當使用變頻器時,變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的,所以電機起動電流和沖擊要小些。
    通常,電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減。ㄋ俣冉档停┒鴾p小。減小的實際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊中會給出說明。
    通過使用磁通矢量控制的變頻器,將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足,甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
  
3. 當變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時,電機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低
    通常的電機是按50Hz電壓設計制造的,其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速. (T=Te, P<=Pe)
    變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時,電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關系下降。
    當電機以大于50Hz頻率速度運行時,電機負載的大小必須要給予考慮,以防止電機輸出轉(zhuǎn)矩的不足。
    舉例,電機在100Hz時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。
    因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速. (P=Ue*Ie)
  
4. 變頻器50Hz以上的應用情況
  大家知道, 對一個特定的電機來說, 其額定電壓和額定電流是不變的。
  如變頻器和電機額定值都是: 15kW/380V/30A, 電機可以工作在50Hz以上。
  當轉(zhuǎn)速為50Hz時, 變頻器的輸出電壓為380V, 電流為30A. 這時如果增大輸出頻率到60Hz, 變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A. 很顯然輸出功率不變. 所以我們稱之為恒功率調(diào)速.
    這時的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢?
    因為P=wT (w:角速度, T:轉(zhuǎn)矩). 因為P不變, w增加了, 所以轉(zhuǎn)矩會相應減小! 
    我們還可以再換一個角度來看:
    電機的定子電壓 U = E + I*R (I為電流, R為電子電阻, E為感應電勢)
    可以看出, U,I不變時, E也不變.
    而E = k*f*X, (k:常數(shù), f: 頻率, X:磁通), 所以當f由50-->60Hz時, X會相應減小
    對于電機來說, T=K*I*X, (K:常數(shù), I:電流, X:磁通), 因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小而減小.
    同時, 小于50Hz時, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不變時, 磁通(X)為常數(shù). 轉(zhuǎn)矩T和電流成正比. 這也就是為什么通常用變頻器的過流能力來描述其過載(轉(zhuǎn)矩)能力. 并稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(額定電流不變-->最大轉(zhuǎn)矩不變)
    結(jié)論: 當變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時, 電機的輸出轉(zhuǎn)矩會減小.
5. 其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關的因素
  發(fā)熱和散熱能力決定變頻器的輸出電流能力,從而影響變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩能力。
  載波頻率: 一般變頻器所標的額定電流都是以最高載波頻率, 最高環(huán)境溫度下能保證持續(xù)輸出的數(shù)值. 降低載波頻率, 電機的電流不會受到影響。但元器件的發(fā)熱會減小。
  環(huán)境溫度:就象不會因為檢測到周圍溫度比較低時就增大變頻器保護電流值.
  海拔高度: 海拔高度增加, 對散熱和絕緣性能都有影響.一般1000m以下可以不考慮. 以上每1000米降容5%就可以了.
  
6. 矢量控制是怎樣改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩能力的?
    *1: 轉(zhuǎn)矩提升
    此功能增加變頻器的輸出電壓(主要是低頻時),以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩損失,從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩! 
    $ 改善電機低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術
    使用"矢量控制",可以使電機在低速,如(無速度傳感器時)1Hz(對4極電機,其轉(zhuǎn)速大約為30r/min)時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩(最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%)。
    對于常規(guī)的V/F控制,電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加,這就導致由于勵磁不足,而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補償這個不足,變頻器中需要通過提高電壓,來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做"轉(zhuǎn)矩提升"(*1)。
    轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓,電機轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應的提高。 因為電機電流包含電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量(如勵磁分量)。
    "矢量控制"把電機的電流值進行分配,從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分量和其它電流分量(如勵磁分量)的數(shù)值。
    "矢量控制"可以通過對電機端的電壓降的響應,進行優(yōu)化補償,在不增加電流的情況下,允許電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。