Слово сервопривод происходит от греческого слова «раб». «Серводвигатель» можно понимать как двигатель, который полностью подчиняется команде управляющего сигнала: до отправки управляющего сигнала ротор неподвижен; При отправке управляющего сигнала ротор немедленно вращается; При потере управляющего сигнала ротор может немедленно остановиться.
Серводвигатель — это микродвигатель, используемый в качестве исполнительного механизма в устройстве автоматического управления, функция которого заключается в преобразовании электрических сигналов в угловое смещение или угловую скорость вращающегося вала. Серводвигатель, также известный как исполнительный двигатель, используется в качестве исполнительного элемента в системе автоматического управления для преобразования полученного электрического сигнала в угловое смещение или выходную угловую скорость на валу двигателя.
Классификация серводвигателей
Серводвигатель делится на сервопривод переменного тока и сервопривод постоянного тока на две категории.
Базовая конструкция серводвигателя переменного тока аналогична конструкции асинхронного двигателя переменного тока (асинхронного двигателя). Две обмотки возбуждения Wf и обмотки управления WcoWf со смещением фазового пространства на 90 градусов на статоре подключены к постоянному переменному напряжению. Цель управления работой двигателя достигается за счет изменения переменного напряжения или фазы, подаваемой на Wc. Серводвигатель переменного тока имеет характеристики стабильной работы, хорошей управляемости, быстрого отклика, высокой чувствительности и строгого индекса нелинейности механических характеристик и регулировочных характеристик (менее 10% ~ 15% и менее 15% ~ 25% соответственно).
Преимущества и недостатки серводвигателя постоянного тока
Преимущества: точное регулирование скорости, характеристика крутящего момента очень жесткая, простой принцип управления, простой в использовании, дешевая цена.
Недостатки: реверс щеток, ограничение скорости, дополнительное сопротивление, частицы износа (не подходит для беспыльной взрывоопасной среды).
Базовая конструкция серводвигателя постоянного тока аналогична конструкции обычного двигателя постоянного тока. Скорость двигателя n=E/K1j=(Ua-iara)/K1j, где E — противоэлектродвижущая сила якоря, K — постоянная, j — магнитный поток на полюс, Ua и Ia — напряжение якоря и ток якоря, Ra - сопротивление якоря, изменение Ua или изменение φ, может контролировать скорость серводвигателя постоянного тока, но обычно используется метод управления напряжением якоря. В серводвигателе постоянного тока с постоянными магнитами обмотка возбуждения заменена постоянным магнитом, а магнитный поток φ является постоянным. Серводвигатель постоянного тока имеет хорошие характеристики линейного регулирования и быстрое время отклика.
Преимущества и недостатки серводвигателя переменного тока
Преимущества: хорошие характеристики управления скоростью, плавное управление может быть достигнуто во всей зоне скорости, почти полное отсутствие колебаний, более чем 90-процентный высокий КПД, меньше тепла, управление высокой скоростью, высокоточное управление положением (в зависимости от точности энкодера), номинальная работа области, может достигать постоянного крутящего момента, низкой инерции, низкого уровня шума, отсутствия износа щеток, не требует технического обслуживания (подходит для беспыльной, взрывоопасной среды).
Недостатки: управление более сложное, и параметры драйвера необходимо настраивать на месте для определения параметров ПИД-регулятора, что требует дополнительных проводов.
Серводвигатели постоянного тока делятся на бесщеточные и бесщеточные.
Щеточный двигатель имеет преимущества низкой стоимости, простой конструкции, большого пускового момента, широкого диапазона регулирования скорости, простоты управления, необходимости обслуживания, но удобного обслуживания (угольная щетка), электромагнитных помех, требований к использованию окружающей среды, обычно используется для чувствительных к стоимости общих промышленных и гражданских случаев.
Бесщеточный двигатель небольшого объема, легкий вес, большая выходная характеристика, высокая скорость, малая инерция, стабильный крутящий момент, плавное вращение, сложное управление, интеллектуальный, гибкий режим электронной коммутации, коммутация прямоугольной или синусоидальной волны, двигатель не требует обслуживания, высокая эффективность и энергосбережение, электромагнитное излучение, длительный срок службы при низком повышении температуры, подходит для всех видов окружающей среды.
Серводвигатель переменного тока также является бесщеточным двигателем, разделенным на синхронный и асинхронный двигатель, синхронный двигатель обычно используется в управлении движением в настоящее время, его диапазон мощности велик, мощность может быть очень большой, большая инерция, самая высокая скорость низкая, скорость уменьшается равномерно с увеличением мощности, подходит для низкой скорости и плавной работы
Ротор внутри серводвигателя представляет собой постоянный магнит, а драйвер управляет трехфазным электричеством U/V/W для формирования электромагнитного поля. Ротор вращается под действием этого магнитного поля. В то же время энкодер двигателя посылает сигналы обратной связи драйверу и сравнивает значение обратной связи с целевым значением, чтобы отрегулировать угол вращения ротора.
Q
В чем разница в производительности серводвигателя переменного тока и бесщеточного серводвигателя постоянного тока?
A
Производительность серводвигателя переменного тока лучше, поскольку сервопривод переменного тока имеет синусоидальное управление, пульсация крутящего момента мала; Бесколлекторный сервопривод постоянного тока имеет трапециевидное управление. Но бесколлекторный сервопривод постоянного тока проще и дешевле.
Быстрое развитие технологии сервоприводов переменного тока с постоянными магнитами приводит к тому, что сервосистема постоянного тока сталкивается с кризисом ликвидации [/p][p= 30,2, слева]. С 1980-х годов, с развитием интегральных схем, силовой электроники технология и технология привода переменного тока с переменной скоростью, технология сервопривода переменного тока с постоянным магнитом сделала выдающееся развитие. Известные производители электротехники представили новые серии серводвигателей переменного тока и сервоприводов. Сервосистема переменного тока стала основным направлением развития современной высокопроизводительной сервосистемы, из-за чего сервосистема постоянного тока сталкивается с кризисом ликвидации.
По сравнению с серводвигателем постоянного тока, серводвигатель переменного тока с постоянными магнитами имеет следующие преимущества:
(1) Без щетки и коллектора, более надежная работа, не требующая обслуживания.
(2) Нагрев обмотки статора значительно снижается.
(3) Инерция мала, и система имеет хороший быстрый отклик.
(4) Высокая скорость и большой крутящий момент в хорошем состоянии.
(5) Малый объем и малый вес при той же мощности.
Принцип серводвигателя
Структура статора серводвигателя переменного тока в основном аналогична конструкции асинхронного двигателя с расщепленной фазой конденсатора. Статор снабжен двумя обмотками с разницей положений 90 градусов, одна из которых является обмоткой возбуждения Rf, которая всегда подключена к переменному напряжению Uf; Другая - обмотка управления L, подключенная к напряжению управляющего сигнала Uc. Поэтому серводвигатель переменного тока также называют двумя серводвигателями.
Ротор серводвигателя переменного тока обычно изготавливается с короткозамкнутым ротором, но для того, чтобы серводвигатель имел широкий диапазон скоростей, линейные механические характеристики, отсутствие явления «вращения» и быстродействие по сравнению с обычным двигателем, он должен иметь большое сопротивление ротора и малый момент инерции этих двух характеристик. В настоящее время широко используются два типа конструкции ротора: один из них представляет собой ротор с короткозамкнутым ротором с высокоомным направляющим стержнем, изготовленным из проводящего материала с высоким удельным сопротивлением. Для уменьшения момента инерции ротора ротор выполнен тонким; Другой изготовлен из полого чашечного ротора из алюминиевого сплава, стенка чашки составляет всего 0.2-0.3 мм, полый чашечный ротор имеет небольшой момент инерции, быструю реакцию и плавную работу, поэтому он широко использовал.
Когда серводвигатель переменного тока не имеет управляющего напряжения, статор имеет только пульсирующее магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, а ротор неподвижен. Когда есть управляющее напряжение, статор будет генерировать вращающееся магнитное поле, ротор вдоль направления вращения вращающегося магнитного поля, в случае постоянной нагрузки скорость двигателя изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения, когда фаза управляющего напряжения противоположно, серводвигатель будет реверсировать.
Хотя принцип работы серводвигателя переменного тока аналогичен принципу работы однофазного асинхронного двигателя с конденсатором, сопротивление ротора первого намного больше, чем у последнего. Таким образом, по сравнению с асинхронным двигателем с конденсатором, серводвигатель имеет две важные характеристики:
1. Большой пусковой момент: поскольку сопротивление ротора велико, характеристики крутящего момента (механические характеристики) ближе к линейным, и он имеет большой пусковой момент. Поэтому при наличии на статоре управляющего напряжения ротор вращается сразу, то есть имеет характеристики быстрого пуска и высокой чувствительности.
2. Широкий рабочий диапазон: плавная работа, низкий уровень шума. [/p][p=30, 2, слева]3, явление вращения отсутствует: работающий серводвигатель, если отсутствует управляющее напряжение, двигатель немедленно остановится.
Специальный прецизионный микродвигатель
«Точный приводной микродвигатель» может быстро и правильно выполнять часто меняющиеся инструкции в системе, управлять сервомеханизмом для выполнения ожидаемой работы инструкций, большинство из которых могут соответствовать следующим требованиям:
1. Может часто запускать, останавливать, тормозить, реверсировать и работать на низкой скорости, а также обладает высокой механической прочностью, высокой степенью термостойкости, высокой степенью изоляции.
2. Хорошая быстрая реакция, большой крутящий момент, малый момент инерции, малая постоянная времени.
3. С приводом и контроллером (таким как серводвигатель, шаговый двигатель) хорошая производительность управления.
4. Высокая надежность и точность.
Категории прецизионных приводных микродвигателей, их структура и производительность сравниваются следующим образом:
Серводвигатель переменного тока
(1) Двухфазный серводвигатель переменного тока клеточного типа (тонкий клеточный ротор, почти линейные механические характеристики, малый объем и ток возбуждения, маломощный сервопривод, работа на низкой скорости не плавная).
(2) Двухфазный серводвигатель переменного тока с немагнитным чашечным ротором (полый чашечный ротор, почти линейные механические характеристики, большой объем и ток возбуждения, маломощный сервопривод, плавный ход на низкой скорости).
(3) Двухфазный серводвигатель переменного тока с ферромагнитным чашечным ротором (ферромагнитный чашечный ротор с почти линейными механическими характеристиками, большим моментом инерции ротора, небольшим эффектом зубчатой канавки и стабильной работой).
(4) синхронный серводвигатель переменного тока с постоянными магнитами (состоит из синхронного двигателя с постоянными магнитами, устройства измерения скорости и коаксиального блока с элементом определения положения, статор 3-фазный или 2-фазный, ротор из магнитного материала, должен быть оснащен драйвером; широкий диапазон скоростей, механические характеристики в зоне постоянного крутящего момента и зоне постоянной мощности, непрерывное запирание, быстрая соответствующая производительность хорошая, большая выходная мощность, небольшие колебания крутящего момента; прямоугольный и синусоидальный привод в двух направлениях, хорошие характеристики управления, для продуктов электромеханической интеграции).
(5) асинхронный трехфазный серводвигатель переменного тока (ротор и асинхронный двигатель с клеткой аналогичны, должны быть оснащены драйвером, векторным управлением, расширять диапазон регулирования скорости постоянной мощности, в основном используется для системы управления скоростью шпинделя станка).
Серводвигатель постоянного тока
(1) Серводвигатель постоянного тока с печатной обмоткой (ротор в форме диска, статор в форме диска, аксиально соединенный цилиндрической магнитной сталью, малый момент инерции ротора, отсутствие эффекта щели, отсутствие эффекта насыщения, большой выходной крутящий момент).
(2) серводвигатель постоянного тока с проволочной обмоткой (дисковый ротор и статор соединены в осевом направлении с цилиндрической магнитной сталью, момент инерции ротора мал, характеристики управления лучше, чем у других серводвигателей постоянного тока, высокая эффективность, большой выходной крутящий момент).
(3) двигатель постоянного тока с постоянным магнитом и якорем чашечного типа (полый чашечный ротор, малая инерция ротора, подходящий для сервосистемы пошагового движения).
(4) бесщеточный серводвигатель постоянного тока (статор с многофазной обмоткой, ротор с постоянным магнитом, датчик положения ротора, отсутствие искровых помех, длительный срок службы, низкий уровень шума).
Моментный двигатель
(1) Моментный двигатель постоянного тока (плоская конструкция, количество полюсов, количество пазов, количество реверсивных пластин, количество последовательных проводников; большой выходной крутящий момент, непрерывная работа на низкой скорости или заблокированном вращении, хорошие механические и регулирующие характеристики, малое электромеханическое время) постоянный).
(2) бесщеточный моментный двигатель постоянного тока (аналогичен структуре бесщеточного серводвигателя постоянного тока, но плоский, количество полюсов и количество пазов последовательных проводников; большой выходной крутящий момент, хорошие механические и регулировочные характеристики, длительный срок службы, отсутствие искры, низкий уровень шума).
(3) Моментный двигатель переменного тока клеточного типа (ротор клеточного типа, плоская конструкция, больше пазов для полюсов, большой пусковой крутящий момент, небольшая электромеханическая постоянная времени, может работать в течение длительного времени, мягкие механические характеристики).
(4) Моментный двигатель переменного тока со сплошным ротором (сплошной ротор из ферромагнитного материала, плоская структура, количество полюсов и пазов, может быть заблокирован в течение длительного времени, плавная работа, мягкие механические характеристики).
Шаговый двигатель
(1) Реактивный шаговый двигатель (ротор статора изготовлен из листа кремнистой стали, сердечник ротора не имеет обмотки, статор имеет управляющую обмотку; малый угол шага, высокая пусковая и рабочая частота, низкая точность угла шага, отсутствие самоблокирующегося крутящего момента).
(2) шаговый двигатель с постоянными магнитами (ротор с постоянными магнитами, радиальная полярность намагничивания; угол шага большой, начальная и рабочая частота низкие, крутящий момент сохраняется, потребляемая мощность меньше, чем формула реакции, но положительная и отрицательная должен быть обеспечен импульсный ток.
(3) гибридный шаговый двигатель (ротор с постоянными магнитами, осевая полярность намагничивания; высокая точность угла шага, сохранение крутящего момента, небольшой входной ток, преимущества как типа реакции, так и типа постоянного магнита).
Импульсный реактивный двигатель (неподвижный ротор изготовлен из листа кремнистой стали, выпуклый тип полюса и число полюсов, близкое к шаговому расстоянию, структура шагового двигателя аналогична, с датчиком положения ротора, направление крутящего момента не зависит от направления тока, диапазон скоростей небольшой, громкий шум, механические характеристики в области постоянного крутящего момента, области постоянной мощности, области последовательной характеристики из трех частей).
Линейный двигатель (простая конструкция, направляющая может использоваться в качестве вторичного проводника, подходит для линейного возвратно-поступательного движения; высокая скорость сервопривода, высокий коэффициент мощности и эффективность, отличные характеристики постоянной скорости).