您好,欢迎访问【高八网】专业的电机门户网站!
13415328282

伺服电机知识

什么是伺服电机 讲解大全

发布日期:2019-11-16 11:53 浏览次数:
什么是伺服电机?想必是新手的疑问。“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机:在控制信号发出之前,转子静止不动;当控制信号发出时,转子立即转动;当控制信号消失时,转子能即时停转。
 
伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。
 
伺服电动机也可以叫做执行电动机,是自动控制系统中的执行元件,其工作是把收到的电信号转换成电动机轴上的角速度输出或者角位移输出。
 
自从伺服电机推出以来,伺服电机已经在许多行业中证明了其相当有用。多年来,伺服电机一直参与完成大的任务。它们的尺寸可能很小,但是它们非常强大而且节能。有了这些特点,伺服电机广泛用于遥控玩具车,飞机,机器人和各种工业设备。近年来伺服电机也被用于工业应用,在线制造工厂,制药服务,机器人和食品服务行业。
 
一、伺服电机有几种分类?
 
有直流伺服电机和交流伺服电机两种分类,其主要特点是当信号电压为零时无自转现象;转速随着转矩的增加而匀速下降。
 
直流伺服电机是小型应用的理想选择,但不能处理大电流浪涌。然而,交流伺服电机能够应对更高的电流浪涌,并在工业机械中得到广泛的应用。谈到价格,直流电机比交流伺服更便宜,所以用得更多。此外,直流电机专门设计用于连续旋转,这使其成为机器人运动的理想选择。
 
什么是伺服电机
 
  伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类
 
  交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf,接恒定交流电压,利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化,达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%~15%和小于15%~25%)等特点。
 
  直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j,式中E为电枢反电动势,K为常数,j为每极磁通,Ua、Ia为电枢电压和电枢电流,Ra为电枢电阻,改变Ua或改变φ,均可控制直流伺服电动机的转速,但一般采用控制电枢电压的方法,在永磁式直流伺服电动机中,励磁绕组被永久磁铁所取代,磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。
 
  直流伺服电机的优点和缺点
 
  优点:速度控制精确,转矩速度特性很硬,控制原理简单,使用方便,价格便宜。
 
  缺点:电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)
 
  交流伺服电机的优点和缺点
 
  优点:速度控制特性良好,在整个速度区内可实现平滑控制,几乎无振荡,90%以上的高效率,发热少,高速控制,高精确度位置控制(取决于编码器精度),额定运行区域内,可实现恒力矩,惯量低,低噪音,无电刷磨损,免维护(适用于无尘、易爆环境)
 
  缺点:控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数确定,需要更多的连线。
 
二、伺服电机的工作原理
 
伺服电机的工作原理比较简单,但是其工作比较高效。伺服电路内置在电机单元内部,它使用一根通常配有齿轮的柔性轴。电信号控制电机,也决定轴的移动量。伺服电机内部设置简单:小型直流电机,控制电路和电位器。直流电机通过齿轮连接在控制轮上,当电机转动时,电位器的电阻发生变化,控制电路能够精确调节运动和方向。
 
当轴处于正确的(理想的)位置时,电机停止供电。如果轴没有停在目标的位置,电动机一直运转,直到进入正确的方向。目标的位置通过使用电脉冲的信号线传送。所以,电机的速度与实际和理想的位置成正比。当电机接近所需位置时,电机开始缓慢转动,但电机转到最远时,转速很快。换句话说,伺服电机只需要尽可能快地完成任务,这使得它们成为高效率的设备。
 
交流伺服电动机在没有控制电压时,气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子上没有启动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时,则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩,使转子沿旋转磁场的方向旋转。但是对伺服电动机要求不仅是在控制电压作用下就能启动,且电压消失后电动机应能立即停转。如果伺服电动机控制电压消失后像一般单相异步电动机那样继续转动,则出现失控现象,我们把这种因失控而自行旋转的现象称为自转。
 
什么是伺服电机
 
传统直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机完全相同,依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩,使伺服电动机转动。通常采用电枢控制方式,即在保持励磁电压不变的条件下,通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小,则转速越低;电枢电压为零时,电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零,电动机不产生电磁转矩,不会出现“自转”。
 
什么是伺服电机
 
电动机原理:电机转动原理图解
 
三、伺服电机步进电机的区别
 
1.伺服是高速低扭矩,步进是低速大扭矩
 
一般说来,伺服轻轻松松都能达到几千的额定转速。比如小功率伺服,也就是750W以内的伺服,日系伺服额定3000转,而欧系伺服甚至能到5000转,6000转。而步进,由于自身的特性,一般也就五六百转。但是它的扭矩却比同规格的伺服大很多,大到都可以省略减速机了。其实步进是很少加减速机的,就几百的转速,再加个减速机,那可真没什么用了。
 
2.伺服法兰是整的,步进法兰不是整的
 
伺服的法兰都是10的倍数,比如40,60,80,110,180等,而步进一般是42,57,86等,经常在工程现场听到42步进,57步进就是指法兰尺寸。步进和伺服的法兰不是一个系列,这也是区分伺服还是步进的一个重要因素。
 
3.伺服的加速时间可以忽略,步进不能忽略
 
伺服的加速时间只有几毫秒,完全可以忽略不计,而步进电机的加速时间,有几百毫秒,不要小看这点差距,虽然我们用直觉感受不出来,但是它却对机械设备的节拍有着至关重要的影响。
 
4.伺服过载能力强,步进几乎没有过载能力
 
伺服电机一般都有过载能力看比如180%,300%等,而步进几乎没有什么过载能力。
 
5.伺服价格高,步进便宜
 
这个就不说了,如果单单算重量,步进和废铜烂铁价格差不多了,而伺服,相对来说价格很高。步进主要用于速度不高,不频繁启停的场合,特别是安装空间狭小的地方,甚至,我们可以把步进当做气缸看待。而伺服,用的场合显然比步进更广泛,比如频繁启停,各种高速设备等。
 
 
四、伺服电机在工业机器人中的应用
 
机器人产业的增长如火如荼,遍地开花,大量机床厂家、伺服厂家和其他有条件的企业都纷纷转向机器人市场。为何机床厂家和伺服厂家如此积极转型研发机器人?工业机器人有4大组成部分,分别为本体,伺服,减速器和控制器。
 
步进电机用于驱动机器人的关节,要求是要有最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。
 
机器人产业壮大,需要在伺服、集成控制等领域相继取得突破才能成行。目前,我国在伺服等领域依然处于待突破阶段,对本土机器人产业造成不利影响。
 
工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制,即电流环、速度环和位置环。一般情况下,对于交流伺服驱动器,可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。
 
工业自动化进程的持续推进,对于自动化软件及硬件设备的需求都居高不下,其中国内工业机器人的市场一直稳步增长,预计在2015我国成为全球最大需求市场。
 
与此同时,直接带动伺服系统的市场需求。美莱克供应的鸣志步进伺服电机系统在集成式电机中完美融入了伺服控制技术,具有精度高、稳定性好、速度快等特点。
 
目前,由于高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电机在工业机器人中得到广泛的应用。其他电机,如交流伺服电机、步进电机根据不同的应用需求也会应用到工业机器人中。
 
特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电机,尤其是要求快速响应时,伺服电机必须具有较高的可靠性,并且有较大的短时过载能力。具体使用要求:
 
快速性。
 
启动转矩惯量比大。
 
控制特性的连续性和直线性,随着控制信号的变化,电机的转速能连续变化,有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。
 
调速范围宽。
 
体积小、质量小、轴向尺寸短。
 
能经受得起苛刻的运行条件,可进行十分频繁的正反向和加减速运行,并能够在短时间内承受过载。
 
 
五、伺服电机行业未来趋势
 
现代交流伺服系统,在经历了从模拟到数字化的转变后,其内部数字控制环已经无处不在,比如换相、电流、速度和位置控制等;其实现主要通过新型功率半导体器件,像高性能DSP加FPGA、甚至伺服专用模块也不足为奇。且新的功率器件或模块每2~2.5年就会更新一次,新的软件算法也日新月异,国际厂商的伺服产品大概每5年亦会更新换代——总而言之,产品生命周期越来越短,变化越来越快。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线,结合市场需求的变化,可以看到以下一些伺服电机系统的最新发展趋势:
 
高效率化
 
尽管高效化一直都是伺服系统重要的发展课题,但是仍需要继续加强。主要包括电机本身的高效率:比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计;也包括驱动系统的高效率化:包括逆变器驱动电路的优化,加减速运动的优化,再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。
 
直接驱动
 
直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的线性伺服驱动,由于消除了中间机械传动设备的(如齿轮箱)传递误差,从而实现了高速化和高定位精度。而直线电机容易改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化。
 
高速、高精、高性能化
 
采用更高精度的编码器,更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP,无齿槽效应的高性能旋转电机、直线电机,以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略,不断将伺服系统的基础指标(控制速度、控制精度)提高。
 
一体化和集成化
 
电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机,有时我们把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。但是这种方式面临更大的技术挑战和工程师使用习惯的挑战,因此很难成为主流,在整个伺服市场中是一个很小的有特色的部分。
 
通用化
 
通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能,便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式,适用于各种场合,可以驱动不同类型的电机,比如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机、步进电机,也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统,也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统。
 
智能化
 
现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能,绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能,有的可以自动辨识电机的参数,自动测定编码器零位,有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起,对于伺服用户来说,则提供了更好的体验。
 
网络化和模块化
 
将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中,已经成为欧洲和美国厂商的常用做法。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升,高档数控系统的开发成功,网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合方式,而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化和可重用。
 
从故障诊断到预测性维护
 
随着机器安全标准的不断发展,传统的故障诊断和保护技术已经落伍,最新的产品嵌入了预测性维护技术,使得人们可以通过Internet及时了解重要技术参数的动态趋势,并采取预防性措施。比如:关注电流的升高,负载变化时评估尖峰电流,外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器,以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。
 
专用化和多样化
 
虽然市场上存在通用化的伺服产品系列,但是为某种特定应用场合专门设计制造的伺服系统比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形状、不同表面粘接结构和嵌入式永磁转子结构的电机出现,分割式铁芯结构工艺在日本的使用使永磁无刷伺服电机的生产实现了高效率、大批量和自动化,并引起国内厂家的研究
 
小型化和大型化
 
无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展,比如20,28,35mm外径;同时也在发展更大功率和尺寸的机种,已经看到500KW永磁伺服电机的出现。体现了向两极化发展的倾向。
 
试验方法亦在进步
 
和传统的电机试验不同,伺服电机的性能主要体现在控制速度和控制精度上,这就出现了一个问题:传统的电机试验方法只是针对电机而言的,无法对伺服系统的控制特性进行分析。
 
针对此现状,MPT混合型电机测试系统,可通过自由加载引擎技术对被试电机进行连续动态变化的负载加载,实现真实环境中被试电机的工况模拟,从而可开展对应的电机及控制的动态响应控制、实际工况仿真及老化等各类测试,让电机测试进入动态时代,满足当前伺服运动系统行业对运动控制相关项目的测试需求。

高八网——中国第一个专业的电机门户网站,用互联网+思维,改变传统经营模式。
 
如今已进入21时间,在互联网高速发展的今天,我们传统行业受到的冲击是最大的,同时也是一种“惊喜”的向互联网转型,把旧的经营模式,蜕变跟着时代的发展而进行产品创新的经营模式开始了。高八网创始人(梁心)了解到电机行业的新起,同样也看到了由于互联网的到来,导致客户找厂家的混淆,无法识别到底哪个电机厂家才是最具有实力,最靠谱的?这无疑是一个令人头疼的事!高八网的诞生,就是为了解决这个难题,我们经过层层帅选推荐的调速电机,减速电机,无刷电机,伺服电机,步进电机,刹车,直角,直流电机实力生产厂家,等各种电机型号和专业知识资讯阅读,避免上当。

13415328282