直流伺服電機介紹
直流伺服電機的基本結構與普通他勵直流電動機一樣,所不同的是直流伺服電機的電樞電流很小,換向並不困難,因此都不用裝換向磁極,並且轉子做得細長,氣隙較小,磁路不飽和,電樞電阻較大。按勵磁方式不同,可分為電磁式和永磁式兩種,電磁式直流伺服電動機的磁場由勵磁繞組產生,一般用他勵式;永磁式直流伺服電動機的磁場由永久磁鐵產生,無需勵磁繞組和勵磁電流,可減小體積和損耗。為了適應各種不同系統的需要,從結構上作了許多改進,又發展了低慣量的無槽電樞、空心杯形電樞、印製繞組電樞和無刷直流伺服電動機等品種。
電磁式直流伺服電機的工作原理和他勵式直流電動機同,因此電磁式直流伺服電動機有兩種控制轉速方式:電樞控制和磁場控制。對永磁式直流伺服電動機來說,當然只有電樞控制調速一種方式。由於磁場控制調速方式的效能不如電樞控制調速方式,故直流伺服電動機一般都採用電樞控制調速。直流伺服電動機轉軸的轉向隨控制電壓的極性改變而改變。
直流伺服電動機的機械特性與他勵直流電動機相似,即n=n0-αT。當勵磁不變時,對不同電壓Ua有一組下降的平行直線。
直流伺服電動機適用於功率稍大(1—600W)的自動控制系統中。與交流伺服電動機相比,它的調速線性好,體積小,質量輕,啟動轉矩大,輸出功率大。但它的結構複雜,特別是低速穩定性差,有火花會引起無線電干擾。近年來,發展了低慣量的無槽電樞電動機、空心杯形電樞電動機、印製繞組電樞電動機和無刷直流伺服電動機,來提高快速響應能力,適應自動控制系統的發展需要,如電視攝象機、錄音機、X—Y函式記錄
永磁交流伺服電動機
20世紀80年代以來,隨著積體電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展,永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展,各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和
⑴無電刷和換向器,因此工作可靠,對維護和保養要求低。
⑵定子繞組散熱比較方便。
⑶慣量小,易於提高系統的快速性。
⑷適應於高速大力矩工作狀態。
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年漢諾威貿易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅動系統,這標誌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年代中後期,各公司都已有完整的系列產品。整個伺服裝置市場都轉向了交流系統。早期的模擬系統在諸如零漂、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、新型數字訊號處理器(DSP)的應用,出現了數字控制系統,控制部分可完全由軟體進行,分別稱為摪朧 只瘮或摶旌鮮綌、撊 只瘮的永磁交流伺服系統。
到目前為止,高效能的電伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電動機,控制驅動器多采用快速、準確定位的全數字位置伺服系統。典型生產廠家如德國西門子、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動器,其中D系列適用於數控機床(最高轉速為1000r/min,力矩為0.25~2.8N.m),R系列適用於機器人(最高轉速為3000r/min,力矩為0.016~0.16N.m)。之後又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀90年代先後推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅動、8051微控制器控制改為正弦波驅動、80C、154CPU和門陣列晶片控制,力矩波動由24%降低到7%,並提高了可靠性。這樣,只用了幾年時間形成了八個系列(功率範圍為0.05~6kW)較完整的體系,滿足了工作機械、搬運機構、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。
以生產機床數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個規格)和L系列(5個規格)的永磁交流伺服電動機。L系列
有較小的轉動慣量和機械時間常數,適用於要求特別快速響應的位置伺服系統。
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種規格。據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,重量只有後者的1/2,配套的電晶體脈寬調製驅動器6SC61系列,最多的可供6個軸的電動機控制。
德國寶石(BOSCH)公司生產鐵氧體永磁的SD系列(17個規格)和稀土永磁的SE系列(8個規格)交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅動控制器。
美國著名的伺服裝置生產公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部(Motion Control Division),生產M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服
驅動器。後合併到AEG,恢復了Gettys名稱,推出A700全數字化的交流伺服系統。
美國A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驅動分部生產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個規格。
I.D.(Industrial Drives)是美國著名的科爾摩根(Kollmorgen)的工業驅動分部,曾生產BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅動器。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個規格,全部採用釹鐵硼永磁材料,力矩範圍為0.84~111.2N.m,功率範圍為0.54~15.7kW。配套的驅動器有BDS4(模擬型)、BDS5(數字型、含位置控制)和Smart Drive(數字型)三個系列, 最大連續電流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,現合併到AEG,以生產直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規格的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LC系列(長型)和GC系列(短型)
交流伺服電動機共14個規格,並生產AXODYN系列驅動器。
原蘇聯為數控機床和機器人伺服控制開發了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列採用鐵氧體永磁,有兩個機座號,每個機座號有3種鐵心長度,各有兩種繞組資料,共12個規格,連續力矩範圍為7~35N.m。2ДBy系列採用稀土永磁,6個機座號17個規格,力矩範圍為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字型MINAS系列交流伺服系統,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種規格;中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列,功率從0.75~4.5kW,共23種規格,MHMA系列大慣量電動機的功率範圍從0.5~5kW,有7種規格。
韓國三星公司近年開發的全數字永磁交流伺服電動機及驅動系統,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。
現在常採用摴β時浠 蕯(Powerrate)這一綜合指標作為伺服電動機的品質因數,衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態響應效能。功率變化率表示電動機連續(額定)力矩和轉子轉動慣量之比。
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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