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交流伺服電機(jī)
閱讀�4769�(shí)間:2017-08-12 11:27:21

    伺服電機(jī)�(nèi)部的�(zhuǎn)子是�磁鐵,驅(qū)�(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在此磁�(chǎng)的作用下�(zhuǎn)�(dòng),同�(shí)電機(jī)自帶�編碼�反饋信號(hào)給驅(qū)�(dòng)�,驅(qū)�(dòng)器根�(jù)反饋值與目標(biāo)值�(jìn)行比較,�(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)�(dòng)的角��伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度(線�(shù)�

基本常識(shí)

    交流伺服電機(jī)的基本常�(shí)

    交流伺服電動(dòng)�(jī)的結(jié)�(gòu)主要可分為兩部分,即定子部分和轉(zhuǎn)子部�。其中定子的�(jié)�(gòu)與旋�(zhuǎn)變壓器的定子基本相同,在定子鐵心中也安放著空間互�90度電角度的兩相繞�。其中一組為激磁繞組,另一組為控制繞組,交流伺服電�(dòng)�(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)�(jī)� 交流伺服電動(dòng)�(jī)使用�(shí),激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf,控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓�,伺服電�(dòng)�(jī)很快就會(huì)�(zhuǎn)�(dòng)起來(lái)� 通入�(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)�(nèi)�(chǎn)生一�(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),旋�(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向,�(dāng)任意一�(gè)繞組上所加的電壓反相�(shí),旋�(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就�(fā)生改變,電機(jī)的方向也�(fā)生改�� 為了在電�(jī)�(nèi)形成一�(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),要求激磁電壓Uf和控制電壓UK之間�(yīng)�90度的相位�,常用的方法有:

    1)利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)�90度的移相

    2)利用三相電源的任意線電�

    3)采用移相網(wǎng)�(luò)

    4)在激磁相中串�(lián)電容�

�(gòu)�

    交流伺服電機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)�(jī)相似.其定子上裝有兩�(gè)位置互差90°的繞�,一�(gè)是勵(lì)磁繞組Rf,它始終接在交流電壓Uf�;另一�(gè)是控制繞組L,聯(lián)接控制信�(hào)電壓Uc。所以交流伺服電�(dòng)�(jī)又稱兩�(gè)伺服電動(dòng)�(jī)�

歷史與優(yōu)�(diǎn)

    歷史

    20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著集成電路、電力電子技�(shù)和交流可變速驅(qū)�(dòng)技�(shù)的發(fā)�,永磁交流伺服驅(qū)�(dòng)技�(shù)有了突出的發(fā)�,各�(guó)電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電�(dòng)�(jī)和伺服驅(qū)�(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更�。交流伺服系�(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方�,使原來(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危�(jī)�90年代以后,世界各�(guó)已經(jīng)商品化了的交流伺服系�(tǒng)是采用全�(shù)字控制的正弦波電�(dòng)�(jī)伺服�(qū)�(dòng)。交流伺服驅(qū)�(dòng)裝置在傳�(dòng)�(lǐng)域的�(fā)展日新月異�

    �(yōu)�(diǎn)

    ⑴無(wú)電刷和換向器,因此工作可靠,�(duì)維護(hù)和保�(yǎng)要求��

    ⑵定子繞組散熱比較方��

    ⑶慣量小,易于提高系�(tǒng)的快速��

    ⑷適�(yīng)于高速大力矩工作狀�(tài)�

基本�(yīng)�

    物料�(jì)�

    粉狀物料的計(jì)�,常用螺桿計(jì)量的方式.通過(guò)螺桿旋轉(zhuǎn)的圈�(shù)的多少來(lái)�(dá)到計(jì)量的目的。為了提高計(jì)量的精度,要求螺桿的�(zhuǎn)速可�(diào)、位置定位準(zhǔn)�,如果用交流伺服電機(jī)�(lái)�(qū)�(dòng)螺桿,利用交流伺服電�(jī)控制精度�、矩頻特性好的優(yōu)�(diǎn)可以�(dá)到快速精確計(jì)量同樣.�(duì)粘稠體物料的�(jì)�,可以采用交流伺服電�(jī)�(lái)�(qū)�(dòng)齒輪�,通過(guò)齒輪泵的一�(duì)齒輪的嚙合來(lái)�(jìn)行計(jì)量�

    橫封裝置

    在制袋式自動(dòng)包裝�(jī)械中,橫封裝置是一�(gè)重要的機(jī)�(gòu),它不僅要求定位�(zhǔn)�,還要求橫向封臺(tái)�(shí)橫封輪的線速度與薄膜供送的速度相等,而且在橫封輪�(duì)滾后,橫封輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)增大,即以較快的速度相分雀�

    傳統(tǒng)的方法是通過(guò)偏心輪或曲柄�(dǎo)桿機(jī)�(gòu)等機(jī)械的方式�(lái)�(shí)�(xiàn)�,這樣不僅�(jī)�(gòu)�(fù)�、可靠性低,且�(diào)整十分麻煩。如果用交流伺服電機(jī)�(lái)�(qū)�(dòng)橫封�,可以利用交流伺服電�(jī)�(yōu)良的�(yùn)�(dòng)性能,通過(guò)交流伺服電機(jī)的非恒速運(yùn)�(dòng)�(lái)滿足橫向封口的要求,提高工作�(zhì)量和效率�

    供送物�

    包裝�(jī)械供送物料的工作方式有間歇式和連續(xù)式兩類�

    在間歇式供送物料方式中,如在間歇式制袋包裝�(jī)上,以前,包裝膜的供送多采用曲柄連桿�(jī)�(gòu)間歇拉帶的方�,不僅結(jié)�(gòu)�(fù)�,調(diào)整也困難。如果用交流伺服電機(jī)�(qū)�(dòng)拉帶�,可以在控制器中事先�(shè)定交流伺服電�(jī)每次�(yùn)行的距離、運(yùn)行的�(shí)間和停頓的時(shí)�,利用交流伺服電�(jī)的優(yōu)良加速和定位性能,達(dá)到準(zhǔn)確控制供送薄膜的�(zhǎng)度的目的。尤其是在具有色�(biāo)糾偏裝置的控制系�(tǒng)中,通過(guò)色標(biāo)檢測(cè)�(kāi)�(guān)檢測(cè)到的偏差信號(hào),經(jīng)控制器輸送到交流伺服電機(jī),交流伺服電�(jī)�(yōu)良的加速性能和控制精度,可以使偏差得到快速準(zhǔn)確的糾正�

    在連續(xù)式供送物料方式中,交流伺服電�(jī)的優(yōu)良加速性能及其�(guò)載能�,可以保證連續(xù)勻速的供送物料�

基本類型

    �(zhǎng)期以�(lái),在要求�(diào)速性能較高的場(chǎng)合,一直占�(jù)主導(dǎo)地位的是�(yīng)用直流電�(dòng)�(jī)的調(diào)速系�(tǒng)。但直流電動(dòng)�(jī)都存在一些固有的缺點(diǎn),如電刷和換向器易磨�,需�(jīng)常維�(hù)。換向器換向�(shí)�(huì)�(chǎn)生火�,使電動(dòng)�(jī)的速度受到限制,也使應(yīng)用環(huán)境受到限制,而且直流電動(dòng)�(jī)�(jié)�(gòu)�(fù)�,制造困�,所用鋼鐵材料消耗大,制造成本高。而交流電�(dòng)�(jī),特別是鼠籠式感�(yīng)電動(dòng)�(jī)�(méi)有上述缺�(diǎn),且�(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)�,使得動(dòng)�(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積�,交流電�(dòng)�(jī)輸出功率可比直流電動(dòng)�(jī)提高10﹪~70�,此外,交流電動(dòng)�(jī)的容量可比直流電�(dòng)�(jī)造得�,達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)�?,F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向采用交流伺服�(qū)�(dòng),交流伺服驅(qū)�(dòng)已有取代直流伺服�(qū)�(dòng)之勢(shì)�

    異步�

    異步型交流伺服電�(dòng)�(jī)指的是交流感�(yīng)電動(dòng)�(jī)。它有三相和單相之分,也有鼠籠式和線繞式,通常多用鼠籠式三相感�(yīng)電動(dòng)�(jī)。其�(jié)�(gòu)�(jiǎn)�,與同容量的直流電動(dòng)�(jī)相比,質(zhì)量輕1/2,價(jià)格僅為直流電�(dòng)�(jī)�1/3。缺�(diǎn)是不能經(jīng)�(jì)地實(shí)�(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)�,必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵(lì)磁電�。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞�

    這種鼠籠�(zhuǎn)子的異步型交流伺服電�(dòng)�(jī)�(jiǎn)稱為異步型交流伺服電�(dòng)�(jī),用IM表示�

    同步�

    同步型交流伺服電�(dòng)�(jī)雖較感應(yīng)電動(dòng)�(jī)�(fù)�,但比直流電�(dòng)�(jī)�(jiǎn)�。它的定子與感應(yīng)電動(dòng)�(jī)一�,都在定子上裝有�(duì)稱三相繞�。而轉(zhuǎn)子卻不同,按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)�(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯�、永磁式和反�(yīng)式多�。其中磁滯式和反�(yīng)式同步電�(dòng)�(jī)存在效率�、功率因�(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電�(dòng)�(jī)。與電磁式相比,永磁式優(yōu)�(diǎn)是結(jié)�(gòu)�(jiǎn)�、運(yùn)行可�、效率較�;缺�(diǎn)是體積大、啟�(dòng)特性欠�。但永磁式同步電�(dòng)�(jī)采用高剩磁感�(yīng),高矯頑力的稀土類磁鐵�,可比直流電�(dòng)外形尺寸約小1/2,質(zhì)量減�60﹪,�(zhuǎn)子慣量減到直流電�(dòng)�(jī)�1/5。它與異步電�(dòng)�(jī)相比,由于采用了永磁鐵勵(lì)磁,消除了勵(lì)磁損耗及有關(guān)的雜散損�,所以效率高。又�?yàn)闆](méi)有電磁式同步電動(dòng)�(jī)所需的集電環(huán)和電刷等,其�(jī)械可靠性與感應(yīng)(異步)電動(dòng)�(jī)相同,而功率因�(shù)卻大大高于異步電�(dòng)�(jī),從而使永磁同步電動(dòng)�(jī)的體積比異步電動(dòng)�(jī)小些。這是�?yàn)樵诘退贂r(shí),感�(yīng)(異步)電動(dòng)�(jī)由于功率因數(shù)�,輸出同樣的有功功率�(shí),它的視在功率卻要大得多,而電�(dòng)�(jī)主要尺寸是據(jù)視在功率而定��

控制情況

    在控制策略上,基于電�(jī)�(wěn)�(tài)�(shù)�(xué)模型的電壓頻率控制方法和�(kāi)�(huán)磁通軌跡控制方法都難以�(dá)到良好的伺服特�,當(dāng)前普遍應(yīng)用的是基于永磁電�(jī)�(dòng)�(tài)解耦數(shù)�(xué)模型的矢量控制方法,這是�(xiàn)代伺服系�(tǒng)的核心控制方�。雖然人�?yōu)榱诉M(jìn)一步提高控制特性和�(wěn)定性,提出了反饋線性化控制、滑模變�(jié)�(gòu)控制、自適應(yīng)控制等理�,還有不依賴�(shù)�(xué)模型的模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)�(luò)控制方法,但是大多在矢量控制的基�(chǔ)上附加應(yīng)用這些控制方法。還有,高性能伺服控制必須依賴高精度的�(zhuǎn)子位置反�,人們一直希望取消這�(gè)�(huán)節(jié),發(fā)展了�(wú)位置傳感器技�(shù)(Sensorless Control)。至�,在商品化的�(chǎn)品中,采用無(wú)位置傳感器技�(shù)只能�(dá)到大�1:100的調(diào)速比,可以用在一些低檔的�(duì)位置和速度精度要求不高的伺服控制場(chǎng)合中,比如單純追求快速起停和制動(dòng)的縫紉機(jī)伺服控制,這�(gè)技�(shù)的高性能化還有很�(zhǎng)的路要走�

具體參數(shù)

    精度

    步�(jìn)電機(jī)的步距角一般為1�8�(兩相)�0�72�(五相),而交流伺服電�(jī)的精度取決于電機(jī)編碼器的精度。以伺服電機(jī)為例,其編碼器為l6位,�(qū)�(dòng)器每接收2�16次方=65 536�(gè)脈沖,電�(jī)�(zhuǎn)一�,其脈沖�(dāng)量為360�/65 536=0�0055 ;并�(shí)�(xiàn)了位置的閉環(huán)控制.從根本上克服了步�(jìn)電機(jī)的失步問(wèn)��

    矩頻特�

    步�(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨�(zhuǎn)速的升高而下�,且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)�(huì)急劇下降,其工作�(zhuǎn)速一般在每分鐘幾十轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。而交流伺服電�(jī)在其額定�(zhuǎn)�(一般為2000r/min�3000r/rain)以內(nèi)為恒�(zhuǎn)矩輸�,在額定�(zhuǎn)速以E為恒功率輸出�

    �(guò)載能�

    以松下交流伺服電�(jī)為例�

    加速性能

    步�(jìn)電機(jī)空載�(shí)從靜止加速到每分鐘幾百轉(zhuǎn),需�200�400ms:交流伺服電�(jī)的加速性能較好�

比較

    步�(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)�(dòng)的裝�,它和現(xiàn)代數(shù)字控制技�(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前�(guó)�(nèi)的數(shù)字控制系�(tǒng)�,步�(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣�。隨著全�(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出�(xiàn),交流伺服電�(jī)也越�(lái)越多地應(yīng)用于�(shù)字控制系�(tǒng)�。為了適�(yīng)�(shù)字控制的�(fā)展趨�(shì),運(yùn)�(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步�(jìn)電機(jī)或全�(shù)字式交流伺服電機(jī)作為�(zhí)行電�(dòng)�(jī)。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號(hào)),但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?,F(xiàn)就二者的使用性能作一比較�

    精度不同

    兩相混合式步�(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°� 1.8°,五相混合式步�(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °�0.36°。也有一些高性能的步�(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生�(chǎn)的一種用于慢走絲�(jī)床的步�(jìn)電機(jī),其步距角為0.09°;德�(guó)百格拉公司(BERGER LAHR)生�(chǎn)的三相混合式步�(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼�(kāi)�(guān)�(shè)置為1.8°�0.9°�0.72°�0.36°�0.18°�0.09°�0.072°�0.036°,兼容了兩相和五相混合式步�(jìn)電機(jī)的步距角(如果采用步�(jìn)電機(jī)�(xì)分驅(qū)�(dòng)�,還可以將其�(xì)分至更小,比�1.8�/512�(xì)�=0.003515625度)� 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保�。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例,對(duì)于帶�(biāo)�(zhǔn)2500線編碼器的電�(jī)而言,由于驅(qū)�(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技�(shù),其脈沖�(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電�(jī)而言,驅(qū)�(dòng)器每接收217=131072�(gè)脈沖電機(jī)�(zhuǎn)一�,即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89�。是步距角為1.8°的步�(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655�

    低頻不同

    步�(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出�(xiàn)低頻振動(dòng)�(xiàn)�。振�(dòng)頻率與負(fù)載情況和�(qū)�(dòng)器性能有關(guān),一般認(rèn)為振�(dòng)頻率為電�(jī)空載起跳頻率的一�。這種由步�(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振�(dòng)�(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常�(yùn)�(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步�(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí),一般應(yīng)采用阻尼技�(shù)�(lái)克服低頻振動(dòng)�(xiàn)�,比如在電機(jī)上加阻尼器,或驅(qū)�(dòng)器上采用�(xì)分技�(shù)�� 交流伺服電機(jī)�(yùn)�(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時(shí)也不�(huì)出現(xiàn)振動(dòng)�(xiàn)�。交流伺服系�(tǒng)具有共振抑制功能,可涵蓋�(jī)械的剛性不足,并且系統(tǒng)�(nèi)部具有頻率解析機(jī)能(FFT�,可檢測(cè)出機(jī)械的共振�(diǎn),便于系�(tǒng)�(diào)��

    矩頻不同

    步�(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨�(zhuǎn)速升高而下降,且在較高�(zhuǎn)速時(shí)�(huì)急劇下降,所以其工作�(zhuǎn)速一般在300�600RPM。交流伺服電�(jī)為恒力矩輸出,即在其額定�(zhuǎn)速(一般為2000RPM�3000RPM)以�(nèi),都能輸出額定轉(zhuǎn)�,在額定�(zhuǎn)速以上為恒功率輸出�

    �(guò)載不�

    步�(jìn)電機(jī)一般不具有�(guò)載能�。交流伺服電�(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能�。以松下交流伺服系統(tǒng)為例,它具有速度�(guò)載和�(zhuǎn)矩過(guò)載能�。其�(zhuǎn)矩為額定�(zhuǎn)矩的三倍,可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力�。步�(jìn)電機(jī)�?yàn)闆](méi)有這種�(guò)載能力,在選型時(shí)為了克服這種慣性力�,往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī),而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)�,便出現(xiàn)了力矩浪�(fèi)的現(xiàn)象�

    �(yùn)行不�

    步�(jìn)電機(jī)的控制為�(kāi)�(huán)控制,啟�(dòng)頻率�(guò)高或�(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵�(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止�(shí)�(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)�(guò)沖的�(xiàn)象,所以為保證其控制精�,應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)�(dòng)系統(tǒng)為閉�(huán)控制,驅(qū)�(dòng)器可直接�(duì)電機(jī)編碼器反饋信�(hào)�(jìn)行采樣,�(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度�(huán),一般不�(huì)出現(xiàn)步�(jìn)電機(jī)的丟步或�(guò)沖的�(xiàn)�,控制性能更為可靠�

    響應(yīng)不同

    步�(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作�(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需�200�400毫秒。交流伺服系�(tǒng)的加速性能較好,以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例,從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)�3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制�(chǎng)��

    總結(jié)

    綜上所述,交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步�(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的�(chǎng)合也�(jīng)常用步�(jìn)電機(jī)�(lái)做執(zhí)行電�(dòng)�(jī)。所�,在控制系統(tǒng)的設(shè)�(jì)�(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素,選用適�(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)�

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