交流伺服电动机的发展状况

目录第一章交流伺服电动机的发展状况第二章数控机床伺服系统简介2.1数控系统的发展状况2.1.1数控机床系统简介2.1.2数控机床的发展状况2.2数控系统的组成原理2.2.1伺服系统概述2.2.2伺服系统分析2.2.3伺服控制技术第三章交流伺服电动机的简介3.1交流伺服电动机的结构3.2交流伺服电动机的工作原理第四章交流伺服电动机在数控系统中的应用4.1交流伺服电动机在数控系统中的应用特点4.2交流伺服电动机与其他电动机的比较4.2.1交流伺服电动机与步进电动机的比较4.2.2永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较4.3在数控系统中如何选择交流伺服电动机4.4交流伺服电动机在数控系统中的应用实例第五章交流伺服电动机的发展趋势摘要伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，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。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文主要从以下四部分作了阐述与分析。1、阐述了交流伺服电动机的发展状况，了解了当前最前沿的发展技术。2、通过数控技术的发展过程，介绍了数控机床伺服系统的组成原理、系统分析了伺服控制技术等原理，使我们更加了解了数控机床伺服系统的工作原理和应用特点。3、介绍了交流伺服电动的基本结构和工作原理，对伺服电动机的相关知识有了进一步的了解。4、通过实例详细介绍了伺服电动机在实际生产中的应用特点和应用场合以及合理选择伺服电动机的有效参数等内容。通过本文分析，综合应用了我们所学的相关知识，使我们对交流伺服电动机在实际生产中的应用有了较为充分的认识。目前，伺服技术正朝着交流化、数字化的方向迅速发展。第一章交流伺服电动机的发展现状随着数控技术的迅速发展，伺服系统的作用与要求越显突出，交流伺服电动机的应用也越来越为广泛。针对直流电动机的缺陷，如果将其里外作相应的调整处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性，其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时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。目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能第二章数控机床伺服系统简介2.1数控系统的发展状况2.1.1数控机床系统简介数控机床一般由数控系统、包含伺服电动机和检测反馈装置的伺服系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成，如图（2—1）图2-1数控机床的系统组成图1、控制介质控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中全部的信息。控制介质数控系统伺服系统辅助装置机床反馈装置2、数控系统数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各类输入/输出接口等组成。主控制系统主要由CPU、存储器、控制器等组成。数控系统的主要控制对象是位置、角度、速度等机械量，以及温度、压力、流量等物理量，其控制方式又可分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类。3、伺服系统伺服系统是数控系统和机床本体之间的电气联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动控制系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置拖动工作台或刀架运动。4、辅助装置辅助装置主要包括自动换刀装置ATC、自动交换工作台机构APC、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液控制装置、排屑装置、过载和保护装置等。5、机床本体数控机床的本体是指其机械结构实体。与传统的普通机床相比较，同样由主传动系统、进给传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成，但数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。2.1.2数控机床的发展状况当数控机床进入分布式控制(DNC)和柔性制造系统(FMS)环境,甚至要求与CAD/CAPP/CAM等共同信息系统通信后,原有的以单机服务为对象的CNC装置就显得不够用了,新的环境要求CNC装置进一步向开放式数控系统转化。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构,并通过各种形式向外提供统一的应用程序接口,具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点,即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。开放式CNC的产生源于微机系统技术的发展,在PC系统中,作为主流操作系统之一的MS-DOS提供了一个实时性很强的操作平台,而且微软正着手将WindowsCE统转变为实时操作系统。目前,以微软视窗为突出代表的图形用户接口GUI标准已经到来,并将逐步取代DOS,使操作方法与软件开发过程发生变化。国外开放式数控系统的研究与发展环境(OpenSystemEnvironmentforControllers)的工作委员会。它研究的重点是在NC本身和分布式DNC控制系统上,它认为站在制造的角度看NC是分布式DNC系统的一个服务器。OSEC所谓的开放式系统本身就被认为是一个分布式系统,它能满足用户对制造系统不同配置的要求、最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于PC的标准化人机界面的要求。2.2数控系统的组成原理2.2.1伺服系统概述伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，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。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、调整与放大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用，首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其他要素来探讨不同伺服系统的技术特性。进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。2.2.2伺服系统分析一、从伺服系统的组成上分析（如图2-2所示）输入量输出量图2-2伺服系统组成分析1、比较组件是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获的控制系统动作的偏差信号的环节，通常可通过电子电路或计算机软件实现。2、调节组件又称控制器是伺服系统的一个重要组成部分，其作用是对比较组件输出的偏差的偏差信号进行交换、放大以控制执行组件按要求动作。调节组件的质量对伺服系统的性能有重要的影响，其功能一般有软件算法加硬件电路实现或单独有硬件电路实现。3、执行组件其作用是在控制信号作用下，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控制对象工作，数控机床中伺服电动机是常见的组件。4、被控对象是伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目的功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能，数控机床中被控对象主要是机械装置，包括传动机构和执行机构。5、测量反馈组件是指传感器及其信号检测装置，用于实时检测被控制对象比较元件调节元件执行元件被控元件的输出量并将其反馈到比较组件。二、从伺服系统的原理上分析服系统是由速度环、位置环、电流环的三环结构组成，它的工作原理是：由插补器发出的脉冲经位置控制回路发出速度指令，比较器中与检测器信号相与后，再经过放大器送出转矩指令，至矢量处理电路，该电路由转角计算回路、乘法器、比较器等组成。另一方面，检测器的输出信号也被送到矢量处理电路中的转角计算回路，将电动机的回转位置改变了角度时，由矢量处理电路输出三个电流信号，经放大并与电动机回路的电流检测信号比较之后，经脉宽调制电路（PWM）放大后，控制三相桥式晶体管电路，使交流伺服电动机按规定的转速旋转，并输出所需要的转矩值。检测器检测出的信号还可送到位置控制回路，与插补器来的脉冲信号进行比较完成位置环控制。三、从伺服系统的类型上分析1、按调节理论分类开环伺服系统开环伺服系统即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达。开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。闭环伺服系统闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台（或刀架）实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要有位置检测装置。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，从而大大提高跟随精度和定位精度。目前闭环系统的分辨率多数为1μm，定位精度可达+-0.01～+-0.005mm；高精度系统分辨率可0.1μm。半闭环系统位置