伺服电机及驱动系统在机床中的应用及其发展趋势 毕业论文

伺服电机及驱动系统在机床中的应用及其发展趋势

1 交流伺服电机的结构及工作原理

与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动gS控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。

交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。

当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将

反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。

为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。

就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC，或低端运动控制器)，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。

换一种说法是：

1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，

也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。

3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。

（交流伺服电机的结构图）

2 交流伺服系统在数控机床中的应用

目前普遍采用的交流伺服电机都是永磁同步电动机，这种电机具有能量转换效率高，体积小，运行可靠性高、调速范围广，系统动、静特性好等优点，随着世界各国纷纷对加大其进行研究，大大提高了交流伺服电机的效率，缩小了体积，降低了成本，特别是随着电力电子技术和自动控制技术的发展，极大地促进了交流伺服控制技术的发展，目前，各国的电气公司，如德国的西门子、美国的通用电气公司、日本的三菱公司等都相继推出了各自的永磁同步伺服电动机和伺服驱动系列产品，并不断采用新技术进行改进和更新，使永磁同步伺服系统性能更加优异，价格更趋合理。交流伺服系统取代直流伺服系统已经成为必然趋势。特别在伺服定位领域里，目前交流伺服产品已经是主流产品。

(交流伺服系统的控制框图)

2.1 交流伺服系统的特点

60～70年代后，数控系统大多采用直流伺服系统。直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大，过载能力强，伺服系统也由开环控制发展为闭环控制，因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。但是，随着现代工业的快速发展，其相应设备如精密数控机床、工业机器人等对电伺服系统提出越来越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而传统直流电动机采用的是机械式换向器，

在应用过程中面临很多问题，如电刷和换向器易磨损，维护工作量大，成本高;换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速及应用环境受到限制;直流电机结构复杂、成本高、对其他设备易产生干扰。

这些问题的存在，限制了直流伺服系统在高精度、高性能要求伺服驱动场合的应用。

针对直流电动机的缺点，人们一直在努力寻求以交流伺服电动机取代具有机械换向器和电刷的直流伺服电动机的方法，以满足各种应用领域，尤其是高精度、高性能伺服驱动领域的需要。但是由于交流电机具有强耦合，非线性的特性，控制非常复杂，所以高性能运用一直受到局限。自80年代以来，随着电子电力等各项技术的发展，特别是现代控制理论的发展，在矢量控制算法方面的突破，原来一直困扰着交流电动机的问题得以解决，交流伺服发展地越来越快。

交流伺服系统的特点

交流伺服系统除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，与直流伺服电机系统相比有一系列优点:

a交流电机不存在换向器圆周调速限制，也不存在电枢元件中电抗电势数值限制，其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高。

b调速范围宽，目前大多数的交流伺服电机的变速比可以达到1:5000，高性能的伺服电机的变速比已达1:10000以上。满足数控机床传动调速范围宽、静差率小的要求。

c矩频特性好，交流电机为恒力矩输出，即在其额定转速以内输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。并且具有转矩过载能力，可克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。满足机床伺服系统输出转矩大、动态相应好、定位精度高的要求。

2.2数控机床

20世纪50年代出现数控机床以来，作为数控机床重要组成部分的伺服系统，随着新材料、电子电力、控制理论等相关技术的发展，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的过程。交流伺服技术的日益发展，交流伺服系统将逐步全面取代直流伺服系统。

数控（Numerical Control）是数控技术的简称。它是利用数字化的信息对机床及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要部分，它随着计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机完成以前硬件数控所做的工作，为特别强调，有时也称为计算机数字控制系统。计算机数字控制CNC （Computer Numerical Control）系统是以微处理器技术为特征,并随着电子技术、计算机技术、数控技术、通讯技术以及精密测量技术的发展而不断发展完善的一种先进加工制造系统。CNC系统框图见图所示，它由数控程序、输入输出设备、操作面板、CNC装备、可编程控制器（PLC）、主轴伺服系统、进给伺服系统、检测装备和一些电气辅助装置等组成。

（CNC系统框图）

2.3 伺服系统在数控机床中的应用

伺服系统是以驱动装置—电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，它包括伺服驱动器和伺服电机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。

数控机床的伺服系统应满足以下基本要求:

a精度高

数控机床不可能像传统机床那样用手动操作来调整和补偿各种误差，因此它要求很高的定位精度和重复定位精度。

b快速响应特性好

快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。在系统给定输入后，能在短暂的调节之后达到新的平衡或是受到外界干扰作用下能迅速恢复原来的平衡状态。

c调速范围大

由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳的切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围，既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。调速范围一般大于1:10000。而且在低速切削时，还要求有较大稳定的转矩输出。

d系统可靠性要好

数控机床的使用率要求很高，常常是24小时连续工作不能停机，因而要求工作可靠。

数控机床伺服系统的基本组成如图2 所示。数控机床的伺服系统按有无反馈检测元件分为开环控制系统和闭环控制系统。驱动控制单元是将进给指令转化为执行元件所需要的信号，执行元件将该信号转为机械位移。开环控制系统没有反馈检测元件和比较控制环节，这些是闭环控制系统必须的部分。