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南通數控液壓機械有限公司
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數控液壓機的伺服電動機
發布時間: 2019/1/18 18:10:07
  數控液壓機的伺服電動機又稱執行電動機,沒有信號時電動機轉子靜止不動,信號來到時,轉子立即轉動,信號消失,轉子及時停止轉動。在自動控制系統中,它把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出,以驅動控制對象。按照所使用的電流種類,常用的數控液壓機伺服電動機分為兩大類,一種是直流伺服電動機;另一種是交流伺服電動機。

  一、數控液壓機用直流伺服電動機
  數控液壓機用直流伺服電動機與普通的永磁式電動機在結構上基本相同,工作原理也相似。不同的是,直流伺服電動機的功率不大,其磁極通常做成永磁的,省去了勵磁繞組。勵磁方式均采用他勵式。
  直流伺服電動機工作時,只要勵磁繞組中有電流通過并且產生磁通,當電樞繞組有電流通過時,電樞電流就與磁通相互作用進而產生轉矩,伺服電動機便開始執行動作。如果這兩個繞組中的一個斷電,電動機就立即停止轉動。
  改變電樞繞組電壓和改變勵磁電流是數控液壓機用直流電動機的兩種調速方式,所以直流伺服電動機的控制方式為電樞控制和磁場控制。電樞控制方式下,數控液壓機用直流伺服電動機的機械特性和調節特性都是線性的,并且與電樞電阻無關。磁場控制方式下,直流伺服電動機的機械特性是線性的,但是調節特性是非線性的,而且在一定范圍內每個轉速對應多個信號系數。因此,直流伺服電動機多采用電樞控制方式。
  1.數控液壓機用置流伺服電動機的結構特點
  小慣量直流伺服電動機通過減小電樞的轉動慣量來提高力矩慣量比,其轉子為細長形,光滑無槽的鐵芯,用絕緣的黏合劑直接將線圈固定在鐵芯表面,慣量較小。這種電動機的時間常數較小、低速運轉穩定并且均勻、響應快、能頻繁啟動制動。但是過載能力低,慣量小于機床相關運動部件的慣量,所以需要配置減速機構才可以和機床運動部件的慣量相匹配,也是因此增加了加工誤差。在早期的數控機床上,直流伺服電動機有較為廣泛的應用。
  寬調速直流伺服電動機是大慣量的直流伺服電動機,它通過提高輸出力矩來提高力矩慣量比。具體提高輸出力矩的方法有兩種,一種是采用高性能的磁性材料來產生強磁場,并且增加定子的磁極對數;另一種是在相同的電樞電流和轉子外徑的前提下,增多轉子上的槽數和加大槽的面積。這樣,直流伺服電動機的電氣時間常數和機械時間常數有所減小,由此提高電動機的快速響應性。這種電動機的性能特點如下:
  (1)有較大的力矩慣量比,快速性好。寬調速直流伺服電動機自身的慣量較大,外部負載的慣量相對而言較小,這就提高了抗干擾能力。這種伺服系統的調速與負載關系很小,灸大方便了對機床的安裝調試。
  (2)調速范圍寬。寬調速直流伺服電動機可以與高性能的伺服驅動器組成速度控制系統,調速范圍可以超過1:10000
  (3)過載能力強,轉子熱容量好。電動機可以過載運行幾十分鐘。
  (4)電動機低速運轉時輸出力矩大。寬調速直流伺服電動機可以與絲杠直接連接,不煮要齒輪等傳動機構,大大提高了機床的進給傳動精度。
  2.數控液壓機用直流伺服電動機的主要工作特性
  數控液壓機用直流伺服電動機的性能不能用簡單的電壓、電流等參數來描述,而需要用特定的曲線和參數來進行全面描述。這里以大慣量伺服直流電動機為例,來對直流伺服電動機的特性進行介紹。
  如下圖所示,液壓機用直流伺服電動機的工作特性有三個區間。在瞬時工作區間,電動機只能在加減速時工作于該區間,也就是說只能在瞬時工作區間工作很短一段時間;在間斷工作區間內,電動機根據其負載周期特性所決定的斷電時間和允許工作時間間歇性工作;在連續工作區問內,電動機任意轉矩轉速下都可以長期連續工作。
  
  數控液壓機用直流伺服電動機工作特性曲線圖
  1.數控液壓機用交流伺服電動機的結構和工作原理機
  交流伺服電動機的結構上類似于單相分相式異步電動機。其定子鐵芯由沖有齒和槽的硅鋼片疊壓而成。定子槽中裝有勵磁繞組和控制繞組,它們的匝數可以相同,也可以不相同。伺服電動機的轉子多為籠型繞組,與三相異步電動機的籠型轉子完全一樣。在對靈敏度要求較高的場合,也有鋁制的轉子呈杯子形狀,稱為杯形轉子。這種電動機除了定子外,交流伺服電動機還有一個內定子,一般內定子上沒有繞組,只是代替籠型轉子鐵芯作為磁路一部分,在內、外定子之間有一個裝在轉軸上的杯形轉子。與直流伺服電動機相比,交流伺服電動機省去了機械換向器和電刷,因此,避免了機械磨損和換向火花的產生等問題。

  二、數控液壓機用交流伺服電動機可以達到直流伺服電動機的調速性能。
數控液壓機用交流伺服電動機的工作原理:f和C為定子上的兩個繞組,它們相差90度電角度。繞組f由定值交流電壓勵磁,為勵磁繞組;繞組C由伺服放大器供電進行控制,稱為控制繞組。其工作原理類似于單相分相式異步電動機。
  數控液壓機用交流伺服電動機在系統中運行時,勵磁繞組接到交流電源上,因此,電機內部總存在一單相脈振磁場。在沒有控制信號時,控制繞組上的控制電壓為零,電動機無啟動轉矩,轉子靜止。在出現控制信號時,控制電壓加在控制繞組上,就產生與勵磁磁動勢在空間垂直的脈振磁動勢,氣隙內形成一定大小,并按一定方向旋轉的旋轉磁場。因此,電動機有了啟動轉矩,轉子就隨著該旋轉磁場旋轉。這就是伺服電動機一有電信號,就隨之動作的工作原理。
  在自動控制系統中,數控液壓機用伺服電動機是執行元件,不僅要求它在靜止狀態下隨著控制電壓信號而轉動,而且要求它在受控轉動后,控制信號電壓消失,電動機能夠及時停止轉動。交流伺服電動機失控現象,即控制信號消失而交流伺服電動機仍然旋轉的現象,被稱為“自轉”。顯然這是不允許的。下面來分析怎樣避免自轉現象。
  由數控液壓機用異步電動機的機械特性可知,數控液壓機用異步電動機最大轉矩%對應的臨界轉差率。滿足為消除自轉就是要消除與原轉速方向一致的電磁轉矩,并同時產生與原方向相反的電磁轉矩,使電動機在U,=0時停止轉動。單相異步電動機的機械特性如圖。
  由此可知,如果交流伺服電動機轉子的電阻滿足條件,使得‰=1,那么數控液壓機用電動機運行時,當控制電壓U。=0,便出現制動轉矩。轉子停轉。所以消除電動機白轉的方法就是將電動機的轉子電阻滿足‰≥1,則必須使:
  (1)幅值控制:保持電機控制電壓u。的相位不變,僅改變其幅值來進行控制的方法為幅值控制。
  (2)相位控制:保持控制電壓U。的幅值不變,僅改變其相位來控制的方法為相位控制。
  (3)幅值一相位控制:既改變控制電壓U。的幅值,又改變其相位來進行控制的方法為幅值一相位控制。
  小結
  本文主要介紹了常見數控液壓機用電動機的原理及運行特性,包括直流電動機的工作原理及機械特性,異步電動機的工作原理及機械特性,最后介紹了步進電動機的工作原理。在學習過程中要比較區分這三種常見電動機的工作原理及應用場合。
  重點掌握數控液壓機用直流電動機和異步電動機的機械特性,以及由機械特性引出的包括啟動、制動、正反轉和調速控制。
  數控液壓機用步進電動機由于轉速不受負載、電壓波動的影響,而只與控制電脈沖有關,因此,廣泛用于對轉速有較高要求的場合。
  常用的數控液壓機用伺服電動機包括直流伺服電動機和交流伺服電動機,它們是數控機床的進給運動中不可或缺的執行部件。
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