解析直流伺服电机 DC servo motor

2017-10-09 08:17:59 上海研蓝自动化

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古老的电机曾经是工业革命的肌肉,如今正在成为计算机控制的工厂和未来商业设施的更巧妙的肌肉。强大可靠的电力电子驱动器的出现正使电机站在技术革命的前沿,它是各种自动化控制系统的执行元件。

在数控机床上,如果把CNC比做人的“大脑”,则伺服电机及其驱动器就是人的“肌肉”。

直流(DC)电动机以其灵活、方便、听话等特点曾是数控机床的主要驱动执行元件,但它致命的缺点就是有换向器及电刷部件,磨损、打火、维护都是问题,制造工艺及维修都不方便。

图1(a)为直流电机模型。

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a)直流电机模型 b)交流电机模型

图1交流伺服电机里翻外的结构

如果把直流电机结构进行“里翻外”的处理,即把绕组线圈装在定子侧,转子为永磁体,并由转子轴上的检测器测出磁极位置以控制电子开关进行电子换相,这就构成了交流(AC)永磁同步电机,如图1(b)所示。目前数控机床进给轴的驱动电机,即伺服电机,广泛采用这种型式。

伺服电机结构与工作原理


伺服电机(servo motor)主要由三部分组成,即定子(stator)、转子(rotor)和检测元件(detector),如图2所示。

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图2伺服电机组成

其中定子与普通的交流感应电机基本相同,由定子冲片、三相绕组线圈(winding)、支撑转子的前后端盖和轴承等组成;转子由多对极的磁钢(永磁体,magnet)和电机轴(shaft)构成;检测元件由安装在电机尾端的编码器(encoder)构成。

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为了使转子产生机械转动,必须在定子中建立旋转磁场(rotating magnetic field),三相绕组ABC呈空间120°放置,如图3所示。

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图3二极定子绕组空间放置

定子绕组中通以三相对称交变电流后,即建立了旋转磁场,如图4所示。

上海研蓝自动化官网图片图4定子旋转磁场的形成

定子的旋转磁场总是要和转子磁极相互吸引,并带着转子一同转动,使定子磁场的轴心线与转子磁场的轴心线保持一致,形成电机的同步转矩,如图5所示。

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图5 同步转动原理


下面这段视频展现了同步电机工作原理。

转子以与旋场相同的转速转动,因此旋转磁场的速度称为同步转速(synchronous speed),用ns表示为:

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式中,f1:通电频率(Hz);

p:定子极对数。

如,二极定子绕组(极对数为1二极是指定子磁场由1N极和1S极构成)所通电流的频率是50Hzns=3000r/min(转/分钟)。


伺服电机调速方法

伺服电动机采用永磁体作为转子,其转速与同步转速相同。从上式中可以看出,交流伺服电机调速的主要方法是调节定子绕组供电频率。



伺服电机工作特性

如同评价一匹好马一样,既需要速度也需要力量,而两者往往又是相互矛盾的。速度与力量的综合便是这匹马的能力(简称马力)。由于伺服电机常常驱动机床的工作台,工作台的负载阻尼为折合到电机轴上的转矩,所以一般伺服电机以转矩(torque)作为主要参数。图6是典型的伺服电机转矩特性曲线。

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图6 伺服电机转矩特性曲线

从图6中可以看出,在3000 r/min以下,电机能输出基本不变的转矩(称为额定转矩),伺服电机通常工作在该速度区间,此速度称为额定转速,超过此速度,电机输出转矩将下降。连续工作的转矩不得超过“持续运转区”,在起动、制动及加减速时不得超过“短时间运转区”。


电机特性参数

额定转速rated speed):铭牌速度,是电动机在额定电压和频率下输出额定功率的速度。

额定转矩rated torque):电动机在额定转速以下所能输出的长时间工作转矩。

额定功率rated output):电动机长时间连续运行所能输出的最大功率,数值上约为额定转矩与额定转速的乘积。

失速转矩stall torque):零速时的转矩,也称为静态转矩、堵转转矩、自锁转矩,此时电机作为电制动器将所带的负载保持在指定位置,称正常工作时的励磁制动。

最高转速max. speed):电机能达到的最大转速。



既然速度与力量的综合是马的能力(简称马力),那么这个概念用在电机上就是电功率,则伺服电机功率等于额定转速与额定转矩的乘积,公式如下所示:上海研蓝自动化官网图片

中,

Pr:额定功率,kW

Tr:额定转矩,N·m

nr:额定转速,r/min

由于电机的功率也是电机电压与电机中流过的电流大小的乘积,在电机电压一定的时候,负载转矩越大,则电机中的电流越大。这一点可通过数控系统屏幕上显示的负载表监控


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