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数控液压机的伺服电动机
发布时间: 2019-1-18 18:10:07
  数控液压机的伺服电动机又称执行电动机,没有信号时电动机转子静止不动,信号来到时,转子立即转动,信号消失,转子及时停止转动。在自动控制系统中,它把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出,以驱动控制对象。按照所使用的电流种类,常用的数控液压机伺服电动机分为两大类,一种是直流伺服电动机;另一种是交流伺服电动机。

  一、数控液压机用直流伺服电动机
  数控液压机用直流伺服电动机与普通的永磁式电动机在结构上基本相同,工作原理也相似。不同的是,直流伺服电动机的功率不大,其磁极通常做成永磁的,省去了励磁绕组。励磁方式均采用他励式。
  直流伺服电动机工作时,只要励磁绕组中有电流通过并且产生磁通,当电枢绕组有电流通过时,电枢电流就与磁通相互作用进而产生转矩,伺服电动机便开始执行动作。如果这两个绕组中的一个断电,电动机就立即停止转动。
  改变电枢绕组电压和改变励磁电流是数控液压机用直流电动机的两种调速方式,所以直流伺服电动机的控制方式为电枢控制和磁场控制。电枢控制方式下,数控液压机用直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的,并且与电枢电阻无关。磁场控制方式下,直流伺服电动机的机械特性是线性的,但是调节特性是非线性的,而且在一定范围内每个转速对应多个信号系数。因此,直流伺服电动机多采用电枢控制方式。
  1.数控液压机用置流伺服电动机的结构特点
  小惯量直流伺服电动机通过减小电枢的转动惯量来提高力矩惯量比,其转子为细长形,光滑无槽的铁芯,用绝缘的黏合剂直接将线圈固定在铁芯表面,惯量较小。这种电动机的时间常数较小、低速运转稳定并且均匀、响应快、能频繁启动制动。但是过载能力低,惯量小于机床相关运动部件的惯量,所以需要配置减速机构才可以和机床运动部件的惯量相匹配,也是因此增加了加工误差。在早期的数控机床上,直流伺服电动机有较为广泛的应用。
  宽调速直流伺服电动机是大惯量的直流伺服电动机,它通过提高输出力矩来提高力矩惯量比。具体提高输出力矩的方法有两种,一种是采用高性能的磁性材料来产生强磁场,并且增加定子的磁极对数;另一种是在相同的电枢电流和转子外径的前提下,增多转子上的槽数和加大槽的面积。这样,直流伺服电动机的电气时间常数和机械时间常数有所减小,由此提高电动机的快速响应性。这种电动机的性能特点如下:
  (1)有较大的力矩惯量比,快速性好。宽调速直流伺服电动机自身的惯量较大,外部负载的惯量相对而言较小,这就提高了抗干扰能力。这种伺服系统的调速与负载关系很小,灸大方便了对机床的安装调试。
  (2)调速范围宽。宽调速直流伺服电动机可以与高性能的伺服驱动器组成速度控制系统,调速范围可以超过1:10000
  (3)过载能力强,转子热容量好。电动机可以过载运行几十分钟。
  (4)电动机低速运转时输出力矩大。宽调速直流伺服电动机可以与丝杠直接连接,不煮要齿轮等传动机构,大大提高了机床的进给传动精度。
  2.数控液压机用直流伺服电动机的主要工作特性
  数控液压机用直流伺服电动机的性能不能用简单的电压、电流等参数来描述,而需要用特定的曲线和参数来进行全面描述。这里以大惯量伺服直流电动机为例,来对直流伺服电动机的特性进行介绍。
  如下图所示,液压机用直流伺服电动机的工作特性有三个区间。在瞬时工作区间,电动机只能在加减速时工作于该区间,也就是说只能在瞬时工作区间工作很短一段时间;在间断工作区间内,电动机根据其负载周期特性所决定的断电时间和允许工作时间间歇性工作;在连续工作区问内,电动机任意转矩转速下都可以长期连续工作。
  
  数控液压机用直流伺服电动机工作特性曲线图
  1.数控液压机用交流伺服电动机的结构和工作原理机
  交流伺服电动机的结构上类似于单相分相式异步电动机。其定子铁芯由冲有齿和槽的硅钢片叠压而成。定子槽中装有励磁绕组和控制绕组,它们的匝数可以相同,也可以不相同。伺服电动机的转子多为笼型绕组,与三相异步电动机的笼型转子完全一样。在对灵敏度要求较高的场合,也有铝制的转子呈杯子形状,称为杯形转子。这种电动机除了定子外,交流伺服电动机还有一个内定子,一般内定子上没有绕组,只是代替笼型转子铁芯作为磁路一部分,在内、外定子之间有一个装在转轴上的杯形转子。与直流伺服电动机相比,交流伺服电动机省去了机械换向器和电刷,因此,避免了机械磨损和换向火花的产生等问题。

  二、数控液压机用交流伺服电动机可以达到直流伺服电动机的调速性能。
数控液压机用交流伺服电动机的工作原理:f和C为定子上的两个绕组,它们相差90度电角度。绕组f由定值交流电压励磁,为励磁绕组;绕组C由伺服放大器供电进行控制,称为控制绕组。其工作原理类似于单相分相式异步电动机。
  数控液压机用交流伺服电动机在系统中运行时,励磁绕组接到交流电源上,因此,电机内部总存在一单相脉振磁场。在没有控制信号时,控制绕组上的控制电压为零,电动机无启动转矩,转子静止。在出现控制信号时,控制电压加在控制绕组上,就产生与励磁磁动势在空间垂直的脉振磁动势,气隙内形成一定大小,并按一定方向旋转的旋转磁场。因此,电动机有了启动转矩,转子就随着该旋转磁场旋转。这就是伺服电动机一有电信号,就随之动作的工作原理。
  在自动控制系统中,数控液压机用伺服电动机是执行元件,不仅要求它在静止状态下随着控制电压信号而转动,而且要求它在受控转动后,控制信号电压消失,电动机能够及时停止转动。交流伺服电动机失控现象,即控制信号消失而交流伺服电动机仍然旋转的现象,被称为“自转”。显然这是不允许的。下面来分析怎样避免自转现象。
  由数控液压机用异步电动机的机械特性可知,数控液压机用异步电动机最大转矩%对应的临界转差率。满足为消除自转就是要消除与原转速方向一致的电磁转矩,并同时产生与原方向相反的电磁转矩,使电动机在U,=0时停止转动。单相异步电动机的机械特性如图。
  由此可知,如果交流伺服电动机转子的电阻满足条件,使得‰=1,那么数控液压机用电动机运行时,当控制电压U。=0,便出现制动转矩。转子停转。所以消除电动机白转的方法就是将电动机的转子电阻满足‰≥1,则必须使:
  (1)幅值控制:保持电机控制电压u。的相位不变,仅改变其幅值来进行控制的方法为幅值控制。
  (2)相位控制:保持控制电压U。的幅值不变,仅改变其相位来控制的方法为相位控制。
  (3)幅值一相位控制:既改变控制电压U。的幅值,又改变其相位来进行控制的方法为幅值一相位控制。
  小结
  本文主要介绍了常见数控液压机用电动机的原理及运行特性,包括直流电动机的工作原理及机械特性,异步电动机的工作原理及机械特性,最后介绍了步进电动机的工作原理。在学习过程中要比较区分这三种常见电动机的工作原理及应用场合。
  重点掌握数控液压机用直流电动机和异步电动机的机械特性,以及由机械特性引出的包括启动、制动、正反转和调速控制。
  数控液压机用步进电动机由于转速不受负载、电压波动的影响,而只与控制电脉冲有关,因此,广泛用于对转速有较高要求的场合。
  常用的数控液压机用伺服电动机包括直流伺服电动机和交流伺服电动机,它们是数控机床的进给运动中不可或缺的执行部件。
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