伺服电机控制技术的发展应用

蒋景强

摘要:随着现代电机控制理论的发展,伺服电机控制技术成为重要的组成部分,并朝着数字化、智能化方向发展。文章介绍了伺服电机低频特性好、速度响应快、控制精度高、过载能力强、矩频特性佳等性能。

关键词:伺服电机;低频特性;速度响应;控制精度;过载能力;矩频特性

中图分类号:TB931文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0046-02

近年来,伺服电机控制技术正朝着数字化、智能化的方向发展。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。

一、伺服控制系统

(一)开环伺服系统

开环伺服系统不设置检测反馈装置,不构成运动反馈控制回路,电动机按装置发出的指令脉冲工作,对运动误差没有检测反馈和处理修正过程,采用步进电机作为驱动器件,精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度,难以达到高精度要求。步进电动机的转速不可能很高,运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低,且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型设备。

(二)半闭环伺服系统

半闭环伺服系统采用内装于电机内的脉冲编码器,无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统,其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上,进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外,其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响,安装调试比较方便。定位精度与机械传动装置的精度有关,而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能,在传动装置精度不太高的情况下,可以利用补偿功能将加工精度提高到满足的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。

(三)全闭环伺服系统

闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器,进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能,采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件,来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上,其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度,其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素,对系统稳定性有很大影响,使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。

二、伺服电机控制性能优越

(一)低频特性好

步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象,运转非常平稳,交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能,可检测出机械的共振点,便于系统调整。

(二)速度响应快

步进电机从静止加速到额定转速需要200～400ms。交流伺服系统的速度响应较快,有的交流伺服电机,从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。

(三)控制精度高

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机,对于带17位编码器的电机而言,其脉冲当量为9.89秒,是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

(四)过载能力强

步进电机不具有过载能力,为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩,选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机,造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力,例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍,可用于克服启动瞬间的惯性力矩。

(五)矩频特性佳

步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时转矩会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300～600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速以内,都能输出额定转矩。

三、伺服电机控制展望

伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化。90年代以来,数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构,几乎不需维修,体积相对较小,有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。

另外,先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器,其传感器具有小于1μs的响应时间。伺服电动机本身也在向高速方向发展,与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。为保证高速时电动机旋转更加平滑,改进了电动机的磁路设计,并配合高速数字伺服软件,可保证电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。

在烟草机械行业,大多数先进的设备几乎完全用交流伺服电机取代直流电机,如意大利的GD包装机拉线供给控制电机,由原先的直流电机发展成交流伺服电机进行控制,不仅控制精度提高,维护工作量大大降低,使用寿命大大增加。德国HAUNI公司的M5卷烟机,大量使用伺服电机取代机械传动,每个传送鼓轮均由一个伺服电机进行驱动,各个电机间通过同步伺服驱动系统进行同步运行。该同步驱动系统与各伺服电机组成电子齿轮,取代机械齿轮和皮带传动,不仅解决机械齿轮磨损造成设备精度下降及噪音大的缺陷,同时通过系统总线进行参数设置,可实现各传送鼓轮的电子对位,给维修与保养提供了极大的便利。种种迹象表明,伺服电机驱动在高速烟草机械上的应用已进入加速增长期。

参考文献

[1]寇宝泉,程树康.交流伺服电机及其控制技术[M].机械工业出版社,2008.

[2]郭庆鼎,孙宜标,王丽梅.现代永磁电动机交流伺服系统[M].中国电力出版社,2007.