電機的銘牌包含了大量的信息和知識。你真的了解“電機銘牌”嗎？本期我們就來討論這些問題，帶“機友”重新認識電機銘牌。

什么是伺服電機？

首先，伺服電機也必須是電機。它是一個由伺服系統(tǒng)控制的電機，是一個幫助控制機械元件和電機的變速裝置。伺服電機可以使控制速度和位置精度非常精確。

伺服電機相比傳統(tǒng)電機有哪些優(yōu)勢？

1.伺服電機控制速度和位置精度非常精確，響應速度快。在自動控制系統(tǒng)中，它作為執(zhí)行元件，具有機電時間常數(shù)小、線性度高、啟動電壓高等特點。它可以將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度輸出。

2.伺服電機比步進電機性能更好。隨著現(xiàn)代電機控制理論的發(fā)展，伺服電機控制技術(shù)已成為機床數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，并朝著交流化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。

3.近年來，伺服電機控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化和智能化三個方向發(fā)展。伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，集電力電子器件、控制、驅(qū)動和保護于一體。隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從步進到DC再到交流的發(fā)展過程。本文簡要論述了其技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

1.開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢測反饋裝置，不構(gòu)成運動反饋控制回路。電機根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程。使用步進電機作為驅(qū)動裝置，機床的位置精度完全取決于步進電機的步距角精度和機械部分的傳動精度，難以滿足相對較高的精度要求。步進電機的速度不能很高，運動部件的速度是有限的。但步進電機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低，控制電路簡單。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)多用于精度和速度要求較低的經(jīng)濟型數(shù)控機床。

2.全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動放大器、進給伺服電機、機械傳動裝置和直線位移測量裝置組成。它具有檢測和反饋校正機床運動部件運動的功能，采用DC伺服電機或交流伺服電機作為驅(qū)動部件。直接安裝在工作臺上的光柵或感應同步器可以作為位置檢測裝置，形成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的直線位移檢測器安裝在運動部件上，其精度主要取決于位移檢測裝置的精度和靈敏度，其加工精度相對較高。然而，機械傳動的剛度、摩擦阻尼特性、齒隙等各種非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，使得閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的安裝調(diào)試更加復雜。因此，它僅用于高精度和大型數(shù)控機床。

3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理與全閉環(huán)伺服系統(tǒng)相同。同樣，伺服電機作為驅(qū)動部件，可以使用電機內(nèi)置的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機作為位置/速度檢測裝置，形成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的反饋信號取自電機軸或螺桿，進給系統(tǒng)中的機械傳動裝置在反饋回路之外。其剛度等非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，安裝調(diào)試方便。機床的定位精度與機械傳動裝置的精度有關(guān)，而數(shù)控裝置具有螺距誤差補償和間隙補償?shù)墓δ堋Ｈ绻麄鬏斣O備的精度不是太高，則可以使用補償功能來改善這種情況

機不會出現(xiàn)此現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

　　2.控制精度高。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。例如松下全數(shù)字式交流伺服電機，對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

　　3.過載能力強。步進電機不具有過載能力，為了克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩，選型時需要選取額定轉(zhuǎn)矩比負載轉(zhuǎn)矩大很多的電機，造成了力矩浪費的現(xiàn)象。而交流伺服電機具有較強的過載能力，例如松下交流伺服系統(tǒng)中的伺服電機的最大轉(zhuǎn)矩達到額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服啟動瞬間的慣性力矩。

　　4.速度響應快。步進電機從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的速度響應較快，例如松下MSMA 400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒。

　　5.矩頻特性佳。步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。

三、伺服電機控制展望

　　1.伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展推動加工技術(shù)的高速高精化。80年代以來，數(shù)控系統(tǒng)逐漸應用伺服電機作為驅(qū)動器件。交流伺服電機內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服系統(tǒng)。在當代數(shù)控系統(tǒng)中，交流伺服取代直流伺服、軟件控制取代硬件控制成為了伺服技術(shù)的發(fā)展趨勢。由此產(chǎn)生了應用在數(shù)控機床的伺服進給和主軸裝置上的交流數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)。隨著微處理器和全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂坪螅蟠蟮靥岣吡怂欧到y(tǒng)的性能。例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡式數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網(wǎng)，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡連接，進一步發(fā)揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術(shù)的發(fā)展，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。

　　 另外，先進傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應性能和定位精度。交流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1μs的響應時間。伺服電動機本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實現(xiàn)了 60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。為保證高速時電動機旋轉(zhuǎn)更加平滑，改進了電動機的磁路設計，并配合高速數(shù)字伺服軟件，可保證電動機即使在小于1μm轉(zhuǎn)動時也顯得平滑而無爬行。

　　2.交流直線伺服電機直接驅(qū)動進給技術(shù)已趨成熟。數(shù)控機床的進給驅(qū)動有“旋轉(zhuǎn)伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅(qū)動” 兩種類型。傳統(tǒng)的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實現(xiàn)高速化的成本相對較低，所以目前應用廣泛。使用滾，珠絲杠驅(qū)動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度 1.5g。但滾珠絲杠是機械傳動，機械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應會造成運動滯后和非線性誤差，所以再進一步提高滾珠絲杠副移動速度和加速度比較難了。90年代以來，高速高精的大型加工機床中，應用直線電機直接驅(qū)動進給驅(qū)動方式。它比滾珠絲杠驅(qū)動具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運動慣量更小、動態(tài)響應性能更佳，運行更平穩(wěn)、位置精度更高等優(yōu)點。且直線電機直接驅(qū)動，不需中間機械傳動，減小了機械磨損與傳動誤差，減少了維護工作。直線電機直接驅(qū)動與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應頻率達100Hz，還有較大的發(fā)展余地。當前，在高速高精加工機床領域中，兩種驅(qū)動方式還會并存相當長一段時間，但從發(fā)展趨勢來看，直線電機驅(qū)動所占的比重會愈來愈大。種種跡象表明，直線電機驅(qū)動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。