闭环伺服驱动系统的执行元件

时间:2015-08-27 07:55 来源:自动控制网

    执行元件是伺服系统的重要性组成部分，它的作用是把驱动线路的电信号转换为机械运动，整个伺服系统的调速性能、动态特性，运行精度等均与执行元件有关。通常伺服系统对执行元件有如下要求：
     (1) 调速范围宽且具有良好的稳定性，尤其是低速运行的稳定性和均匀性。
     (2) 负载特性硬，即使在低速时也应有足够的负载能力。
     (3) 尽可能减少电动机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应。
     (4) 能够频繁启、停及换向。
     目前，在数控机床上广泛应用的有直流伺服电机和交流伺服电机。
     1.直流伺服电机
     直流伺服电机是机床伺服系统中使用较广的一种执行元件。在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机等。这些伺服电机虽然结构不同，各有特色，但其工作原理与直流电机类似。
     直流伺服电机调速
     由电工学的知识可知：在转子磁场不饱和的情况下，改变电枢电压即可改变转子转速。直流电机的转速和其它参量的关系可用式6-12表示：

     式中：n转速，单位为rpm；
         U—电枢电压，单位为V；
         I—电枢电流，单位为A；
         R—电枢回路总电压，单位为Ω；
         φ—励磁磁通，单位为Wb（韦伯）；
         Ke—由电机结构决定的电动势常数。
    根据上述关系式，实现电机调速是主要方法有三种：
     1）调节电枢供电电压U：电动机加以恒定励磁，用改变电枢两端电压U的方式来实现调速控制，这种方法也称为电枢控制；
     2）减弱励磁磁通φ：电枢加以恒定电压，用改变励磁磁通的方法来实现调速控制，这种方法也称为磁场控制；
     3）改变电枢回路电阻R来实现调速控制；
     对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压的方式最好；改变电枢回路电阻只能实现有级调速，调速平滑性比较差；减弱磁通，虽然具有控制功率小和能够平滑调速等优点，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的升速控制。因此，直流伺服电机的调速主要以电枢电压调速为主。
     目前使用最广泛的是晶体管脉宽调制调速系统（即Pulse Width Modulation简称PWM）。
PWM调速系统具有以下特点。
     ①频带宽晶体管的“结电容”小，因此可允许系统有较高的工作频率。整个系统的快速响应好，能给出极快的定位速度和很高的定位精度，适合于启动频繁的场合。
     ②电机脉动小输出转矩平稳，对低速加工有利。
     ③电源的功率因数高。
     ④动态硬度好，系统具有良好的线性。
     2. 交流伺服电机
     由于直流伺服电动机具有良好的调速性能，因此长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速系统一直占据主导地位。但由于电刷和换向器易磨损，需要经常维护；并且有时换向器换向时产生火花，电动机的最高速度受到限制；且直流伺服电动机结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，成本高，所以在使用上受到一定的限制。由于交流伺服电动机无电刷，结构简单，转子的转动惯量较直流电机小，使得动态响应好，且输出功率较大（较直流电动机提高10%~70%），因此在有些场合，交流伺服电动机已经取代了直流伺服电动机，并且在数控机床上得到了广泛地应用。
     交流伺服电动机分为交流永磁式伺服电动机和交流感应式伺服电动机。交流永磁式电动机相当于交流同步电动机，其具有硬的机械特性及较宽的调速范围，常用于进给系统；感应式相当于交流感应异步电动机，它与同容量的直流电机相比，重量可轻1/2，价格仅为直流电机的1/3，常用于主轴伺服系统。
     交流电机的调速
     据电机学知，交流电机的转速表达式为：

    式中: f1— 定子电源频率（Hz）；
     p — 磁极对数；
     s — 转差率。
    由上式可知交流电机的调速方法，可以有变转差率、变磁极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。