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交流伺服电机与直流伺服电机怎么区别他们的功能和特点?

归档日期:08-18       文本归类:各有特点      文章编辑:爱尚语录

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  伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。有交流伺服电机与直流伺服电机。他们的区别如下:

  1、交流伺服电机的定子三相线圈是由伺服编码控制电路供电的,转子是永磁式的、电机的转向、速度、转角都是由编码控制器所决定的。

  2、直流伺服电机的转子也是用磁体的,定子绕组则是由表伺服编码脉冲电路供电。

  1、交流电机的特性是比较软,当达到额定力矩后,如果负载力矩增加,就很容易造成突然的失速。但是直流电动机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。 交流电机虽然没有碳刷及整流子,免维护、坚固、应用广,但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多,提升驱动电机的性能。

  2、直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。直流电机有着良好精确的速度控制特征不说,还有可以再整个速度区内实现平滑控制,几乎没有任何振荡,高效率,不发热。

  本科学历,毕业后从事设计工作;现任标码石材科技有限公司设计员。能决绝结构设计方面中等难度问题。

  输入或输出为直流电能的旋转电机。它的模拟调速系统一般是由2个闭环构成的,既速度闭环和电流闭环,为使二者能够相互协调、发挥作用,在系统中设置了2个调节器,分别调节转速和电流。2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构,这就是所谓的双闭环调速系统,它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点,因而得到广泛地应用。通常是由模拟运放构成PI或pid电路;信号调理主要是对反馈信号进行滤波、放大。考虑到直流电机的数学模型,模拟调速系统动态传递函数关系在模拟调速系统的调试过程中,因电机的参数或负载的机械特性与理论值有较大差异,往往需要频繁更换R,C等元件来改变电路参数,以获得预期的动态性能指标,这样做起来非常麻烦,如果采用可编程模拟器件构成调节器电路,系统参数如增益、带宽甚至电路结构都可以通过软件进行修改,调试起来就非常方便了。

  直流伺服电机分为有刷和无刷电机,有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),会产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况,效率很高,运行温度低噪音小,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。

  直流伺服电机可应用在火花机,机器手,精确的机器等,同时可加配减速箱,令机器设备带来可靠的准确性及高扭力。

  输入或输出为交流电能的旋转电机。交流电动机分定子绕组和转子导体.转子导体形状像鼠笼导体与导体之间用硅钢片,有的交流电动机转子也有绕组。交流伺服电机转子是高阻抗的金属合金制成的,定子上的线圈有两组,分励磁线圈和力矩线圈,励磁线圈以固定的频率给转子励磁,力矩线圈负责提供转动的力矩,这两组线圈都在驱动器的带动下工作。自带的叫:旋转编码器,精度是:分度数(转动一周发出的脉冲数)。

  交流伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,目前运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率。大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。

  同步电机的主要运行方式有三种,即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式,作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节,在不要求调速的场合,应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来,小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载,靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率,以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

  异步电机负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广,在不致引起误解或混淆的情况下,一般可称感应电机为异步电机。普通异步电机的定子绕组接交流电网,转子绕组不需与其他电源连接。因此,它具有结构简单,制造、使用和维护方便,运行可靠以及质量较小,成本较低等优点。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性,从空载到满载范围内接近恒速运行,能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电机还便于派生成各种防护型式,以适应不同环境条件的需要。异步电机运行时,必须从电网吸取无功励磁功率,使电网的功率因数变坏。因此,对驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备,常采用同步电机。由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转差关系,其调速性能较差(交流换向器电动机除外)。对要求较宽广和平滑调速范围的交通运输机械、轧机、大型机床、印染及造纸机械等,采用直流电机较经济、方便。但随着大功率电子器件及交流调速系统的发展,目前适用于宽调速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机的相媲美。

  到目前为止,高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。

  20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有:

  伺服系统在机电设备中具有重要的地位,高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展,拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取代传统的液压、直流、步进和AC变频调速驱动,以便使系统性能达到一个全新的水平,包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。

  伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流(DC)和交流(AC)伺服系统。20世纪50年代,无刷电机和直流电机实现了产品化,并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用,20世纪70年代则是直流伺服电机的应用最广泛的时代。但直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点,在运行过程中转子容易发热,影响了与其连接的其他机械设备的精度,难以应用到高速及大容量的场合,机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

  从20世纪70年代后期到80年代初期,随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高,交流伺服技术——交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点,特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性体现出交流伺服系统的优越性。

  交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分,主要有两大类:永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。其中,永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟,具备了十分优良的低速性能,并可实现弱磁高速控制,拓宽了系统的调速范围,适应了高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低,其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛,目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固,制造容易,价格低廉,因而具有很好的发展前景,代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制,相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂,而且电机低速运行时还存在着效率低、发热严重等有待克服的技术问题,目前并未得到普遍应用。

  系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机,功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能,可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效提高逆变器的电流响应速度,并且能限制暂态电流,从而有利于IPM的安全工作。速度和位置环可使用单片机控制,以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式,三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制,其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些,使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化,从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节,具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。

  从伺服驱动产品当前的应用来看,直流伺服产品正逐渐减少,交流伺服产品则日渐增加,市场占有率逐步扩大。在实际应用中,精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为工厂自动化等各个领域中的主流产品。

  由于伺服驱动产品在工业生产中的应用十分广泛,市场上的相关产品种类很多,从普通电机、变频电机、伺服电机、变频器、伺服控制到运动控制器、单轴控制器、多轴控制器、可编程控制器、上位控制单元乃至车间和厂级监控工作站等一应俱全。

  随着永磁材料制造工艺的不断完善,新一代的伺服电机大都采用了最新的Nd2Fe14b1(铷铁硼)材料,该材料的剩余磁密、矫顽力和最大磁能积均好于其他永磁材料,再加上合理的磁极、磁路及电机结构设计,大大地提高了电机的性能,同时又缩小了电机的外形尺寸。新一代的伺服电机大都采用了新型的位置编码器,这种位置编码器的信号线根,并支持增量型和绝对值型两种类型,通信速率达4M/s,通信周期为62.5μs,数据长度为12位,编码器分辨率为20bit/rev,即每转生成100万个脉冲,最高转速达6000r/min,编码器电源电流仅为16μA。伺服电机按照容量可以分为超小型(MINI型)、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范围为10W到20W,小容量型的功率范围为30W~750W,中容量型的功率范围为300W~15KW,大容量型的功率范围为22KW~55KW。伺服电机的供电电压范围从100V~400V(单三相)。

  传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点,但也有难以克服的缺点,如系统调试困难,容易受到环境温度变化的影响而产生漂移,难以实现柔性化设计,缺乏实现复杂计算的能力,无法实现现代化控制理论指导下的控制算法等。所以现代伺服控制均采用全数字化结构,伺服控制系统的主要理论也采用了现代矢量控制思想,它实现了电流向量的幅值控制和相位控制。为了提高产品的性能,新一代的伺服控制器采用了多种新技术、新工艺,主要体现在以下几个方面:

  1.在电流环路中采用了d-q轴变换电流单元,在新的控制方式中,主CPU的运算量得以减少,通过硬件来进行电流环控制

  ,即将控制算法固化在LSI专用硬件环路中。通过采用高速的d-q轴变换电流单元,使电流环的转矩控制精度有了进一步的提高,实现了在稳态运行及瞬态运行时均能保持良好的性能。

  2.采用了脉冲编码器倍增功能,新的控制算法使位置控制的整定时间缩短为原来的三分之一。

  3.速度控制环采用速度实时检测控制算法,是电机的低速性能得到进一步提高,速度波动和转矩波动降到最低。采用在线自动锁定功能,使伺服系统的调试时间缩短,操作更加简化。

  4.采用主回路与控制回路进行电气隔离的结构,使操作及故障检测更加方便安全,供电电源电压从100V扩展到400V(单相/三相)。

  5.伺服控制一般均采用从电机轴端的位置编码器采集位置信号进行反馈,在受控执行机械部分没有反馈采样信号,即半闭环的控制方式。目前的新产品则采用全闭环的控制方式,使机械加工误差、齿轮间隙、结构受力弹性变形等误差所造成的影响在伺服控制器中通过计算完成修正。

  6.用RICS(精简指令计算机系统)技术,使CPU的数据处理能力由8位、16位提高到32位,微处理器的主频提高到百兆以上。

  随着工业机械化设备对高速化、高精度化和小型化以及多品种小批量化、高可靠性、免维护性能要求的提高,上位机控制群得以广泛应用。从上层的可编程控制器(PLC)、运动控制器、机床CNC控制器,可一直连到底层的通用输入/输出(I/O)控制单元和视觉传感系统。编程语言有梯形图、NC语言、SFC语言、运动控制语言等,均可按照用户要求灵活配置。系统可控制轴数从单轴到可支持多达44轴,控制器可以连接从模拟信号到网络信号的各种信号类型,可广泛应用于半导体制造设备、加工机械、搬运机械、卷扬机械等,具有很高的性能价格比。

  从前面的讨论可以看出,数字化交流伺服系统的应用越来越广,用户对伺服驱动技术的要求也越来越高。总的来说,伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面:

  伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看,几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达的国家,AC伺服电机的市场占有率已超过80%,在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多,正在逐步超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见,不久的将来,除了在某些微型电机领域之外,AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。

  采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的伺服控制单元将全面取代模拟电子器件为主的伺服控制单元,从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现,将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制,从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进方法成为可能。

  新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法,代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元,只要通过软件设置系统参数,就可以改变其性能,既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统,又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。

  智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势,伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品,他们的智能化特点表现在以下几个方面:

  1)具有参数记忆功能。系统的所有参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置,保存在伺服单元内部,通过通信接口,这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改;

  2)具有故障自诊断与分析功能。无论什么时候,只要系统出现故障,就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户面板清楚地显示出来,这就简化了维修与调试的复杂性;(3)具有参数自整定的功能。众所周知,闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节,带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行自动将系统的参数整定出来,并自动实现其最优化。

  在国外,以工业局域网技术为基础的工厂自动化(Factory Automation简称FA)工程技术在最近十年来得到了长足的发展,并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势,最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口(如RS—232C接口等)和专用的局域网接口。这些接口的设置,显著增强了伺服单元与其它控制设备的互联能力,从而与CNC系统间的连接也因此变得十分简单,只需要一根电缆或光缆,就可以将数台,甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。

  交流伺服是模仿直流伺服来实现控制的,直流伺服才是最好的伺服,只是因为维护麻烦,所以限制了它的应用,

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