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正弦波交流伺服电动机综述

时间: 2011-07-22 20:27 来源: 作者: 点击:
正弦波交流伺服系统综合了伺服、角速度和角位移传感器的最新成就,与采用新型电力电子器件、专用集成电路和专用控制算法的交流伺服驱动器相匹配,组成新型高性能机电一体化产品。使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机,成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。正弦波交流伺服广泛使用于航空、航天、兵器、船舶、电子及核工业等领域,如自行火炮、卫星姿态控制、雷达驱动、机载吊舱定位系统、战车火控及火力系统、水下灭雷机器人等。

正弦波交流伺服电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。有刷直流电动机自十九世纪四十年代出现以来,以其优良的转矩控制特性,在相当长的一段时间里,一直在运动控制领域占据主导地位。但是,机械接触的电刷——换向器的制造工艺复杂和成本较高,一直是直流伺服电动机的致使弱点。电刷——换向器的结构也降低了直流伺服电动机的可靠性,限制了其在很多场合中的应用。为了取代有刷直流电动机的电刷——换向器结构,人们作出了长期的探索。上世纪20年代,Boliger提出用整流管代替有刷直流电动机的机械式电刷,从此产生了无刷直流电动机的基本思想。

与传统的有刷直流电动机相比较,无刷直流电动机的最大特点是以半导体开关元件代替了由换向器和电刷组成的机械换向机构。由于没有滑动电接触,也就消除了换向器的机械磨损、换向火花和电磁干扰。其转子采用永磁体励磁,不仅没有励磁损耗,而且保持了有刷直流电动机优良的调速特性,提高了的整体效率。

20世纪七十年代以来,随着电力半导体工作的飞速发展,许多新型的全控制半导体功率器件如GTR、MOSFET、IGBT等相继问世,加之新型高磁能积永磁材料如SmCo、NdFeB等的陆续出现均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

随着电机本体及其相关技术的迅速发展,新型电机不断涌现。“无刷直流电动机”的概念已由最初“特指”具有特定电子换向的直流电动机发展到“泛指”一切具备有刷直流电动机外部特性且没有电刷的永磁直流电动机。无刷直流电动机系统按其绕阻反电势BEMF的波形和电流的波形可分为两大类:方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机或正弦波交流伺服电动机。

两种永磁无刷电动机比较而言,方波无刷直流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单、系统实现起来相对容易等优点。但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷,因电枢中电流和电枢磁势移动的不连续性而存在电磁脉动,而这种脉动在高速运转时产生噪声,在中低速又是平稳的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电机速度控制特性恶化,从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用(尤其是在低速直接驱动场合)。因此,对于一般性能的电伺服驱动控制系统,选用方波无刷直流电动机及相应的控制方式,而对于高精度、高性能电伺服驱动系统则多采用正弦波交流伺服电动机及其控制系统。

在以计算机为核心的数字运动控制系统中,正弦波交流伺服电机作为执行电动机,能够接受计算机发出的转矩、转速和位置等一系列数字控制量。

正弦波交流伺服电机具有较高的控制精度。正弦波交流伺服电机的控制精度则是由于电机同安装轴的位置传感器及解码电路来决定的。对于带标准2500线编码器的电机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/10000=0.036°对于带无刷旋转变压器的正弦波交流伺服电机的控制精度,由于位置信号是连接的正弦量,原则上位置分辨率由解码芯片的位数决定。例如解码芯片为14位R/D,驱动器每接收214=16384个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/16384=0.02197秒。

正弦波交流伺服电机低速运转平稳。正弦波交流伺服电机定子三相绕阻中通过,由矢量控制技术产生的三相正弦波交流电流。三相正弦波交流电流与三相绕阻中的三相正弦波反电势产生光滑平稳的电磁转矩。在交流伺服控制系统中具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,调整系统抑制共振。总之,正弦波交流伺服电机具有宽广的调速范围,在30分钟转一周到每分钟3000转的范围内都不会出现振动现象。

正弦波交流伺服电机在其额定转速以内,都能实现恒转矩输出。可按主控计算机要求独立地输出额定转矩以内的任何转矩。在额定转速以上为恒功率输出。

正弦波交流伺服电机具有较强的过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍,可用于克服惯性负载在启、制动瞬间的惯性力矩。有效地减少启、制动时间。以松下MSMA400W交流伺服电机为例,从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。

正弦波交流伺服系统为数字闭环控制。系统内部的反馈量:电流、转速和位置由模拟量离散成数字量参与调节控制。系统的集成度较高,具有较好的柔性,可实现软件伺服。温度变化对系统的性能影响较小,系统的重复性好。易于应用现代控制理论,实现较复杂的控制策略。易于实现智能化的故障诊断和保护,系统具有较高的可靠性。易于与采用计算机控制的系统接口实现通讯。

系列正弦波交流伺服电动机及驱动控制器的大规模推广,可有效打破发达国家在军用高精度伺服电机领域对我国的封锁和禁运,可大大降低民用伺服电机的对国外进口产品的依赖,带动国内机床和轻纺机械类产品的更新换代,具有广阔的市场前景。(end)

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