伺服電機(jī)在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

蘇書忍

摘 要：文章在對(duì)伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行介紹之后，總結(jié)在自動(dòng)化系統(tǒng)中所用伺服電機(jī)的特點(diǎn)以及優(yōu)點(diǎn)，通知實(shí)例來介紹自動(dòng)化控制系統(tǒng)中伺服電機(jī)的應(yīng)用情況以及未來的發(fā)展趨勢(shì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī);自動(dòng)化系統(tǒng);應(yīng)用

1引言

在目前現(xiàn)代化電機(jī)控制理論不斷發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，人們對(duì)于伺服電機(jī)的應(yīng)用也更加廣泛和深入，尤其是在目前工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)化水平在不斷提高的同時(shí)，在自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用伺服電機(jī)已經(jīng)成為目前的必然發(fā)展趨勢(shì)。而且隨著伺服電機(jī)在其中的應(yīng)用，也實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、電力電子元件以及控制的一體化，而且伴隨著相應(yīng)材料技術(shù)以及微電子、控制技術(shù)的快速發(fā)展，也推動(dòng)此技術(shù)在向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。

2伺服電機(jī)概述

在伺服系統(tǒng)中，伺服電機(jī)主要起到輔助馬達(dá)進(jìn)行變速的作用，也就是對(duì)機(jī)械元件的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過此類伺服電機(jī)的應(yīng)用，可以確保位置的精度以及對(duì)速度的準(zhǔn)確控制。在目前的工業(yè)生產(chǎn)中比較常用的交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成，而且其中的轉(zhuǎn)子也分為鼠籠型和非磁性杯型兩種形式。對(duì)于后一種類型的轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的伺服電機(jī)來說，其內(nèi)定期由環(huán)形的鋼片疊加而成，其中不存在繞組。而外定子的類型則與鼠籠型轉(zhuǎn)子相同，其主要有轉(zhuǎn)子繞組、鐵芯以及轉(zhuǎn)軸等部分組成。由于后一種類型的伺服電機(jī)在運(yùn)行中由于具有較大的內(nèi)外定向間隙而存在較大的勵(lì)磁電流，降低電機(jī)的利用率，因此通常在某些特殊的場(chǎng)合下應(yīng)用。而鼠籠型的伺服電機(jī)則在工業(yè)生產(chǎn)中比較常用。無論是何種伺服電機(jī)，在其內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條進(jìn)行切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流和電勢(shì)，通過其與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和力，這就會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同的方向一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

3伺服電機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

工業(yè)生產(chǎn)中常用的交流伺服電機(jī)為無刷電機(jī)類型，不僅具有較快的相應(yīng)速度，而且慣量比較小，力矩比較穩(wěn)定，雖然其控制較為復(fù)雜，但是可以實(shí)現(xiàn)智能化控制，且在復(fù)雜的環(huán)境中可以應(yīng)用。尤其是其中常用的同步電機(jī)來說，不僅具有較大的功率范圍和慣量，而且具有較高的轉(zhuǎn)速，比較適合在低速平穩(wěn)運(yùn)行的場(chǎng)合中應(yīng)用，表現(xiàn)出具有較高濟(jì)寧杜以及在低速中輸出較大轉(zhuǎn)矩以及存在較寬調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)。

在目前工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)字控制系統(tǒng)中比較常用步進(jìn)電機(jī)，所采用的控制方式就是全數(shù)字式交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，此種伺服電機(jī)所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，首先是表現(xiàn)出較強(qiáng)的過載能力，也就是具有較強(qiáng)的速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，為了抵消在啟動(dòng)瞬間由慣性負(fù)載產(chǎn)生的慣性力矩，需要選擇具有較高轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，因此也減少了設(shè)備運(yùn)行中所需要的轉(zhuǎn)矩。其次是表現(xiàn)出較快響應(yīng)速度的優(yōu)點(diǎn)。這主要是由于此種電機(jī)具有良好的加速性能，其響應(yīng)速度只有步進(jìn)電機(jī)的百分之幾，比較適合在快速啟停的控制場(chǎng)合中應(yīng)用。最后就是表現(xiàn)出良好的低頻特性。也就是由于其具有較高的頻率解析機(jī)能和已知共振的能力，容易檢測(cè)出共振點(diǎn)并進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整，防止出現(xiàn)低頻振動(dòng)問題。

4伺服電機(jī)的應(yīng)用實(shí)例

在目前大型工件的復(fù)雜曲面加工過程中，通常需要應(yīng)用大型或中性落地式數(shù)控銑鏜床來實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)和多軸控制，滿足此類工件的加工精度要求。而此類數(shù)控加工設(shè)備在運(yùn)行中具有1：3000的調(diào)速比，對(duì)調(diào)速性能的要求較高，還要保證在上述調(diào)速過程中確保其轉(zhuǎn)矩輸出的穩(wěn)定性。而針對(duì)此類加工設(shè)備來說，目前我國仍然是以進(jìn)口為主。為此，就需要對(duì)此全數(shù)字技術(shù)進(jìn)行深入研究，打破上述技術(shù)壟斷并推動(dòng)此類加工設(shè)備的國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)大型工件生產(chǎn)成本的降低。

以某落地式數(shù)控銑鏜床為例，其通過具有全數(shù)字化伺服電機(jī)的應(yīng)用，表現(xiàn)出具有較高精度和速度比較穩(wěn)定的特點(diǎn)，具體地說，其控制精度可以精確到0.01～0.02Hz，甚至可以達(dá)到0.0025Hz，而且速度可以控制在0～500Hz的范圍之內(nèi)。而且在對(duì)大型工件進(jìn)行加工的過程中需要進(jìn)行頻繁的起落加工時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)較大的速度波形的起伏現(xiàn)象。此外，其可以在超額輸出200%的額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行，表現(xiàn)出其他變頻器無法實(shí)現(xiàn)的能力，而且在此超負(fù)荷運(yùn)行的狀況下也可以保證此設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。由此可以看出，通過上述伺服電機(jī)在落地式數(shù)控銑鏜床中的應(yīng)用，表現(xiàn)出具有平穩(wěn)的控制速度以及低速大扭矩等良好性能，可以確保大型設(shè)備的平穩(wěn)啟動(dòng)，而且實(shí)現(xiàn)超負(fù)載性能的提升，表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

以我廠為例，我們廠里有一套自動(dòng)化托輥生產(chǎn)線，其運(yùn)料行走部分是通過伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過此生產(chǎn)線的應(yīng)用，可以將下好的材料向規(guī)定的地方進(jìn)行準(zhǔn)確的運(yùn)送。在此過程中表現(xiàn)出可以在電機(jī)停止時(shí)不會(huì)產(chǎn)生慣性，能立即停止，而且具有非常小的誤差。

在目前我國數(shù)字控制系統(tǒng)快速發(fā)展的同時(shí)，交流伺服電機(jī)在目前的半導(dǎo)體制造、加工機(jī)械以及部件組裝中廣泛應(yīng)用，而且在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服電機(jī)。然后由于數(shù)字控制系統(tǒng)理論的要求比較高，在目前針對(duì)高性能、效率、精度以及高速等方面的研究在不斷深入，而且主要的研究目的就是提升其自身性能，所采用的主要方式就是采用每轉(zhuǎn)百萬脈沖級(jí)別的更高精度的編碼器和更高的采用精度。同時(shí)還要在人工智能以及應(yīng)用自適應(yīng)等方面研究和控制策略應(yīng)用的同時(shí)，不斷提升交流伺服電機(jī)的指標(biāo)。此外，在目前分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用在更加廣泛的同時(shí)，未來也需要繼續(xù)深入研究網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字交流伺服電機(jī)以及模塊化數(shù)字交流伺服電機(jī)，同時(shí)也要滿足數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸同步性、可靠性以及實(shí)時(shí)性的要求。而且重點(diǎn)對(duì)其中的電源、伺服驅(qū)動(dòng)、通訊模塊等組合方式和內(nèi)部硬軟件模塊化進(jìn)行開發(fā)。

5結(jié)語

目前交流伺服電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，而且表現(xiàn)出具有較快響應(yīng)速度且容易實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)，尤其是與部件電機(jī)相比表現(xiàn)出更高的過載能力、更快的響應(yīng)速度、以及不會(huì)出現(xiàn)低頻振動(dòng)等問題的優(yōu)點(diǎn)，不僅在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)顯著，而且在未來的高性能化以及模塊化、網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展中展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

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