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應用于精密機床和機器人的伺服電機有何特性?

更新時間:2016-08-04 10:44:56 星期四
摘要:

飼機電機簡單來說就是一臺電動機,但是為何要叫成伺服電機呢? “伺服”一詞源于希臘語,是“奴隸”的意思,伺服電機 […]

飼機電機簡單來說就是一臺電動機,但是為何要叫成伺服電機呢?

“伺服”一詞源于希臘語,是“奴隸”的意思,伺服電機”可以理解為絕對服從控制信號指揮的電機,沒有收到控制信號時,絕對不能轉動,當收到信號時必須立即達到額定轉速,而信號要求停止時,轉速必須在極短時間內歸0。

1978年, 德國Rexroth公司的Indramat分部在漢諾威貿易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅動系統,標志著新一代交流伺服技術已進入實用化階段。

交流伺服電機

但是早期的模擬系統在零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足,不能完全滿足運動控制的要求,直到新型DSP的應用,出現了數字控制系統之后,飼服機在精密機床、電梯、醫療設備、計算機外設、機器人等幾乎所有行業具有廣泛應用。

日本的精密機床

因為我國在精密機床和機器人兩大方面落后日德的現狀,高端伺服電機不能國產之殤,也是國人的心病之一。

伺服電機在功能和結構上與步進電機很相似,但是二者在性能上有非常大的差異。

步進電機結構圖

伺服電機結構圖

首先, 伺服電機與步進電機控制的精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為 1.8°、0.9°,五相混合式步進電機步距角一般為0.72°、0.36°。而交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證,對于帶17位編碼器的電機而言,驅動器每接收131072個脈沖電機轉一圈,即其脈沖當量為360°/131072=0.0027466°,是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

第二, 伺服電機與步進電機的低頻特性不同

步進電機在低速時易出現低頻振動現象,步進電機的工作原理決定了低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利,步進電機存在固定的共振點,很多步進驅動器通過自動計算其振點,以調整控制算法來達到抑制其振的目的。

交流伺服電機運轉非常平穩,即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能,可彌補機械的剛性不足,并且系統內部具有頻率解析機能(FFT),可檢測出機械的共振點,便于系統調整。

伺服系統的振動抑制功能包含共振抑制及阻尼減振兩個部分。

共振抑制

阻尼減振

第三,伺服電機與步進電機矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,所以其最高工作轉速一般在300~600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內,都能輸出額定轉矩,在額定轉速以上為恒功率輸出。

相同尺寸下的伺服電機與步進電機的速度力矩特性比較

第四,伺服電機與步進電機過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以M2交流伺服系統為例,它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的二到三倍,可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。

第五,伺服電機與步進電機運行性能不同

步進電機的控制為開環控制,啟動頻率過高或負載過大易出現失步或堵轉的現象,停止時轉速過高易出現過沖的現象,所以為保證其控制精度,應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成位置環和速度環,一般不會出現步進電機的失步或過沖的現象,控制性能更為可靠。

第六,伺服電機與步進電機速度響應性能不同

步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200~400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好,以鳴志400W交流伺服電機為例,從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒,可用于要求快速啟停的控制場合。

在一些要求非常高的場合,必須采用性能遠高于步進電機的伺服電機。我國雖然具有世界上最全的工業門類,但是大部分處于“豪放派”領域,對于高端產品的積累還有很大的差距。

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