伺服電機在高精度控制設備中的應用分析

引言

以智能制造為引領,推動工業(yè)轉型升級的今天,自動化生產成為大勢所趨。伺服電機在自動化控制系統(tǒng)中處于核心地位,正朝著數字化和智能化的方向不斷發(fā)展。伺服電機在技術層面上的創(chuàng)新性,就在于它本身的整合一體化性質,將驅動裝置、電子元件和控制設備進行充分整合并集中于一體,極大地提升了自動化運行過程中的處理效率。并且近幾年來,我國在新型材料的研發(fā)工作中取得了突破性的進展,結合了特種材料技術的伺服電機在性能方面有著極大的提升空間。筆者在實際應用和系統(tǒng)化的調查研究中發(fā)現,交流伺服電機未來有著強大的發(fā)展?jié)摿?特別是在精度控制要求較高的數控機床、工業(yè)機器人等自動化控制設備的應用領域。下文筆者將對此進行詳細論述。

1交流伺服電機概述

從性質上來看,交流伺服電機屬于兩相交流電動機,組成結構是定子和轉子。轉子的類型主要有兩種,一是鼠籠型轉子,二是非磁性杯型轉子。非磁性杯型轉子是近年來對鼠籠型轉子的改進,它能夠有效緩解轉子在運行過程中出現抖動的情況,加強電機運轉的穩(wěn)定性。但是非磁性杯型轉子在實際應用過程中依然存在一定的局限性,首先其內部和外部定子之間的氣隙較大,這樣就會產生非常多的勵磁電流,從而對伺服電機的輸出功率和啟動轉矩造成不良影響:另外,非磁性杯型轉子的制造成本較高,制作工藝十分復雜,在無形中增加了工廠的生產成本。因此,鼠籠型轉子依然有著較廣泛的應用空間。工廠在兩種轉子的選擇上會綜合生產的實際情況來進行選取。

鼠籠型轉子和非磁性杯型轉子的運作原理是通過空間中的旋轉磁場來對轉子導條進行切割,進而產生一定量的感應電流,通過電流與旋轉磁場間的反應來產生轉矩合力。在旋轉磁場中,轉向和轉矩位于同一個方向,這就說明轉子和旋轉磁場也會按照同一個方向來轉動。

2交流伺服電機在自動化系統(tǒng)中的應用狀況

交流伺服電機主要可以分為兩類,一是同步電機,二是異步電機。異步電機的響應速度較快,并且本身的慣量較小,力矩的穩(wěn)定性也非常高,但是其在控制層面顯得較為繁瑣,在未來的發(fā)展中呈現出智能化的趨向,在不同的復雜環(huán)境中都有著非常出色的性能表現。同步電機是基礎性的電機,在日常的生產活動中應用較為廣泛,其本身具有非常大的功率范圍,慣量相對來說較大,并且在低速運行狀態(tài)下有著非常良好的表現。從目前的應用狀況來看,大多數生產企業(yè)都使用同步電機進行生產活動,異步電機在未來依然有著較大的上升空間。

從整體上來看,永磁交流伺服電機的出現進一步推動了交流伺服電機應用層次的提升,與傳統(tǒng)的步進電機相比,永磁交流伺服電機的技術優(yōu)勢更為明顯,其中最為突出的技術優(yōu)勢就是其準確的控制精度。一般來說,生產活動中比較常用的兩相步進電機的步距角大約為3.5o和1.7o,而永磁交流伺服電機可以通過在電機軸后方的旋轉編碼器來進行精度上的整體控制,這樣就使得控制精度得到了大幅度的提升。此外,永磁交流伺服電機具有非常強大的低速性能,這是以往的步進電機所無法比擬的特性,步進電機在運作的過程中,時常會發(fā)生低頻震動的狀況,震動頻率可以達到電機空載起跳頻率的1/2,這樣就會給電機的整體運轉帶來很大的負荷,從而產生很大的負面影響。永磁交流伺服電機在系統(tǒng)的設計上采用了共振抑制的原理,這種設計可以對整個機械構造的共振要點進行統(tǒng)籌管理,極大地提升運轉的穩(wěn)定性,因此交流永磁伺服電機在穩(wěn)定性要求較高的機械自動化系統(tǒng)中非常受歡迎。

3交流伺服電機的具體應用案例

筆者在這里以精度要求較高的某重型機械加工設備一大型數控銑管床為例,對交流伺服電機的實際應用狀況做詳細論述。該數控銑管床采用五坐標聯動的原理,在運作過程中采用多軸控制,能夠很好地完成大型元器件中復雜型曲面的鍛造工作。這種大型銑管床對速度調節(jié)有著非常高的要求,轉速比需要達到1:3200左右,另外在負載調速時對于轉矩輸出的穩(wěn)定性也有著非常高的要求,通過優(yōu)質的低速輸出能力和大扭矩保證其運轉效率。現階段,國內對此設備的生產能力較弱,無法實現大規(guī)模批量化生產,更多地依賴從國外進口。如果能夠在這種大型設備的生產研發(fā)上實現突破,使其能夠批量化進行生產,那么對我國工業(yè)生產效率的提升會有極大的幫助。通過交流伺服電機的結合應用能夠有效地解決生產制造過程中的難題。

某種落地式銑管床采用的是某公司新研發(fā)生產的一種新型交流伺服電機,這種電機的最大特點就是在運轉過程中的全數字化,并且本身具有非常強大的過載能力和速度調節(jié)能力,對于轉速和轉矩能夠做到很好的解耦獨立控制。從具體數據來看,這種交流伺服電機能夠將速度控制在0~550Hz范圍之內,精度控制標準可以達到0.02Hz左右。同時針對數控銑管床在運作過程中起落現象頻生的問題,其對于速度波形的控制精度做了很大程度的優(yōu)化,即使在加工工作中頻繁起落,也不會引起速度波形的大規(guī)模波動。在額定轉速下,其超額輸出額定轉矩能力可以達到200%左右,與一般變頻器所產生的工作曲線有很大程度上的不同,這樣就保證了其在超負荷運轉的狀態(tài)下也能夠維持機器運作的平穩(wěn)。其具體的參數說明如表1所示。

從表1中的具體參數要求中我們可以看出,通過這種全數字化交流伺服電機的應用,能夠全面滿足數控銑管床的相關要求,同時還能夠使設備的整體工作效率、工作穩(wěn)定性和控制精度得到全面提升。交流伺服電機在重型設備中的應用,可以使重型設備在啟用時減少震蕩,使設備超負載能力得到最大限度的提高,在重型機械設備中具有非常高的應用價值。

4交流伺服電機的未來發(fā)展展望

現階段,交流伺服電機技術在我國的發(fā)展仍未到十分成熟的階段,隨著技術的不斷突破,交流伺服電機依然有著非常廣闊的發(fā)展前景,特別是目前我國提出了"中國制造2025",智能制造工程引人矚目,而伺服電機是數控機床、工業(yè)機器人等智能制造設備的重要器件。從分析研究來看,交流伺服電機在未來的發(fā)展方向主要有兩個方面。一是性能的持續(xù)優(yōu)化。從現在來看,交流伺服電機在性能方面依然有著非常大的提升空間,通過百萬級脈沖的高精度編碼器能夠全面提升交流伺服電機的性能,這也是未來相關人員研究的重點方向之一。二是模塊化發(fā)展趨向。模塊構造的理念將在交流伺服電機的制造方面成為主導性理念,整個交流伺服電機的模塊組成主要有驅動模塊、電源模塊以及通信模塊等,通過軟件和硬件的模塊化處理,能夠使整個電機的運轉能力得到全面的優(yōu)化提升。目前,相關研究人員正加緊對此進行研發(fā),旨在于未來實現交流伺服電機的全數字化模塊建設。