伺服電機(jī)的應(yīng)用范圍介紹及應(yīng)用前景分析
一、行業(yè)相關(guān)定義及其分類(lèi)
伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī),是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可以控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確,可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。
根據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀調(diào)研與投資戰(zhàn)略評(píng)估報(bào)告(2023-2030年)》顯示,伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)。其中、交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī),分為同步和異步電機(jī),運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī),它的功率范圍大,可以做到很大的功率;直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī),其成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,控制容易,需要維護(hù),但維護(hù)不方便(換碳刷),產(chǎn)生電磁干擾,對(duì)環(huán)境有要求。
二、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
雖然我國(guó)伺服產(chǎn)品起步較晚,但近年來(lái)隨著下游工業(yè)機(jī)器人、電子制造設(shè)備等等產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)張,伺服電機(jī)在新型產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用規(guī)模增長(zhǎng)迅速,整體市場(chǎng)規(guī)模也不斷增長(zhǎng)。目前我國(guó)伺服電機(jī)正處于成長(zhǎng)階段。數(shù)據(jù)顯示,2021年我國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)169億元,同比增長(zhǎng)13.42%。預(yù)計(jì)2022年我國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到181億元。
伺服電機(jī)是一種在機(jī)械行業(yè)中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備。它的應(yīng)用場(chǎng)合無(wú)處不在,發(fā)揮著重要的作用。
伺服電機(jī)通過(guò)接收控制信號(hào),能夠精確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速。這使得它成為許多機(jī)械設(shè)備的理想選擇。在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上,伺服電機(jī)被廣泛應(yīng)用于各種工藝中,如裝配、包裝和搬運(yùn)。它們能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位和運(yùn)動(dòng)控制,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
在機(jī)械制造過(guò)程中,伺服電機(jī)也扮演著重要的角色。它們被應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、切割設(shè)備和注塑機(jī)等設(shè)備中,為工件加工提供精準(zhǔn)的動(dòng)力輸出。伺服電機(jī)的高速響應(yīng)和穩(wěn)定性使得機(jī)械加工過(guò)程更加可靠和高效。
此外,伺服電機(jī)還廣泛應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)器人需要準(zhǔn)確地感知和控制其運(yùn)動(dòng),以完成各種任務(wù)。伺服電機(jī)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置,能夠提供高精度的運(yùn)動(dòng)控制,使機(jī)器人能夠靈活地執(zhí)行各種復(fù)雜動(dòng)作。
除了機(jī)械行業(yè),伺服電機(jī)在其他領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。例如,它們被廣泛用于醫(yī)療設(shè)備、航空航天和電子設(shè)備中。在醫(yī)療設(shè)備中,伺服電機(jī)用于控制手術(shù)機(jī)器人和影像設(shè)備,為醫(yī)生提供精確的操作和診斷結(jié)果。在航空航天領(lǐng)域,伺服電機(jī)被用于控制飛行器的各種運(yùn)動(dòng),確保飛行安全和穩(wěn)定性。在電子設(shè)備中,伺服電機(jī)則用于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)等領(lǐng)域。
總而言之,伺服電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛,涵蓋了機(jī)械行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。其高精度、高效率的特點(diǎn),使得它成為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的設(shè)備。隨著科技的不斷發(fā)展,相信伺服電機(jī)的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大,為各行各業(yè)帶來(lái)更多便利和創(chuàng)新。
機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型繁多,就從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)進(jìn)行分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)等五部分。
1、控制器
控制器通常是PID控制電路或計(jì)算機(jī), 控制器主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理,用來(lái)控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。
2、被控對(duì)象
被控對(duì)象多指一些機(jī)械參數(shù)量,例如:位移、加速度、力、速度和力矩等。
3、執(zhí)行環(huán)節(jié)
執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的規(guī)則,將輸入的各形式能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。
4、檢測(cè)環(huán)節(jié)
檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要量綱的裝置,一般包括傳感器(編碼器)和轉(zhuǎn)換電路。
5、比較環(huán)節(jié)
比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較,以獲得輸出與輸入之間的偏差信號(hào)。這個(gè)環(huán)節(jié)通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀
1、伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品
1.1伺服電機(jī)
按容量將其分為大容量、中容量、小容量、超小容量(MINI型)四種類(lèi)型。其中,功率在22―55KW之間為大容量型,功率在300W―15KW之間為中容量型,功率在30―750W之間為小容量型,功率在10―20W之間為超小容量型。
1.2編碼器
現(xiàn)在以信號(hào)線(xiàn)數(shù)量是5根的新型的位置編碼器居多,分為絕對(duì)值型和增量型兩種,具有62.5μs的通信周期,12位的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,4 M/s的通信速率,高達(dá)20 bit/rev編碼器分辨率,也就是說(shuō)每轉(zhuǎn)生成100萬(wàn)個(gè)脈沖,有高達(dá)6000 r/min的轉(zhuǎn)速,且僅用16μA電流。
除了光電編碼器之外,磁編碼器值得關(guān)注。磁編碼器的重量和體積都比光電編碼器小幾十倍,溫度范圍更寬,幾乎不怕沖擊和振動(dòng)。其工作原理非常簡(jiǎn)單,磁編碼器的定子是一顆內(nèi)嵌霍爾磁敏元件和DSP的芯片,體積可以小到MSOP-24封裝,它的轉(zhuǎn)子是一顆兩極磁鋼。它的分辨率是16位,精度是12位。
1.3伺服控制單元
伺服控制單元也叫伺服控制器或是伺服驅(qū)動(dòng)器。雖有較低成本、較快的相應(yīng)速度、連續(xù)性較好的特點(diǎn),但傳統(tǒng)模擬控制會(huì)因?yàn)闇囟壬甙l(fā)生漂移,調(diào)試系統(tǒng)不易掌握,柔性化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難,無(wú)法完成復(fù)雜的計(jì)算,對(duì)現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)等。
1.4上位控制
從上面的CNC控制器、運(yùn)動(dòng)控制器及可編程控制器(PLC),能連接到底端的CNC控制器、通用輸入/輸出(I/O)控制單元。可控制單軸,在高達(dá)44軸的模式下也可控制,從模擬到網(wǎng)絡(luò)不同類(lèi)型的信號(hào)可通過(guò)控制器進(jìn)行連接。
2、比較直流與交流伺服系統(tǒng)
液壓的伺服系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為電氣伺服系統(tǒng),存在直流(DC)和交流(AC)兩種類(lèi)型之分。
直流伺服電機(jī)流行于20世紀(jì)70年代,但在70年代末至80年代初,其逐漸被交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代,且當(dāng)時(shí)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)就包括交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
由于電機(jī)本身有一定缺陷,所以直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展受到了影響。因直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中溫度逐漸升高,使其無(wú)法精準(zhǔn)確地連接其他機(jī)械設(shè)備,而且在大容量和高速的情況很難派上用場(chǎng)。因此,直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)機(jī)械轉(zhuǎn)向器的發(fā)展瓶頸就產(chǎn)生了。
負(fù)荷特性和低慣性是交流伺服電機(jī)兩大特點(diǎn)。這個(gè)就體現(xiàn)了交流伺服電機(jī)的比較優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)換向器、電刷等部件所造成的各種問(wèn)題在交流伺服電機(jī)中都被避免了,因此,包括工廠(chǎng)自動(dòng)化(FA)在內(nèi)的許多領(lǐng)域都廣泛使用交流伺服系統(tǒng)。
. 優(yōu)點(diǎn)
1.1 高精度伺服電機(jī)通過(guò)反饋控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的位置控制,適用于需要高精度控制的場(chǎng)合。
1.2 高效率伺服電機(jī)在運(yùn)行時(shí)能夠保持高效率,能夠節(jié)省能源,適用于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的場(chǎng)合。
1.3 快速響應(yīng)伺服電機(jī)能夠快速響應(yīng)控制信號(hào),能夠適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。
1.4 廣泛應(yīng)用伺服電機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域,具有很大的市場(chǎng)潛力。
2. 缺點(diǎn)
2.1 價(jià)格高伺服電機(jī)的價(jià)格相對(duì)較高,適用于對(duì)價(jià)格要求不高的場(chǎng)合。
2.2 控制系統(tǒng)復(fù)雜伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜,需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。
2.3 需要專(zhuān)用設(shè)備伺服電機(jī)需要配合專(zhuān)用設(shè)備才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),適用于需要高精度、高效率的場(chǎng)合。
3. 應(yīng)用場(chǎng)合
3.1 機(jī)器人伺服電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的高精度運(yùn)動(dòng)控制。
3.2 自動(dòng)化設(shè)備伺服電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備的高精度控制,適用于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的場(chǎng)合。
3.3 數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的工件加工。
伺服電機(jī)作為一種高精度、高效率的電機(jī),具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。雖然伺服電機(jī)存在一些缺點(diǎn),如價(jià)格高、控制系統(tǒng)復(fù)雜等,但在需要高精度、高效率的場(chǎng)合,伺服電機(jī)仍然是一種不可替代的選擇。