伺服电机在高精度控制设备中的应用分析

引言

以智能制造为引领,推动工业转型升级的今天,自动化生产成为大势所趋。伺服电机在自动化控制系统中处于核心地位,正朝着数字化和智能化的方向不断发展。伺服电机在技术层面上的创新性,就在于它本身的整合一体化性质,将驱动装置、电子元件和控制设备进行充分整合并集中于一体,极大地提升了自动化运行过程中的处理效率。并且近几年来,我国在新型材料的研发工作中取得了突破性的进展,结合了特种材料技术的伺服电机在性能方面有着极大的提升空间。笔者在实际应用和系统化的调查研究中发现,交流伺服电机未来有着强大的发展潜力,特别是在精度控制要求较高的数控机床、工业机器人等自动化控制设备的应用领域。下文笔者将对此进行详细论述。

1交流伺服电机概述

从性质上来看,交流伺服电机属于两相交流电动机,组成结构是定子和转子。转子的类型主要有两种,一是鼠笼型转子,二是非磁性杯型转子。非磁性杯型转子是近年来对鼠笼型转子的改进,它能够有效缓解转子在运行过程中出现抖动的情况,加强电机运转的稳定性。但是非磁性杯型转子在实际应用过程中依然存在一定的局限性,首先其内部和外部定子之间的气隙较大,这样就会产生非常多的励磁电流,从而对伺服电机的输出功率和启动转矩造成不良影响:另外,非磁性杯型转子的制造成本较高,制作工艺十分复杂,在无形中增加了工厂的生产成本。因此,鼠笼型转子依然有着较广泛的应用空间。工厂在两种转子的选择上会综合生产的实际情况来进行选取。

鼠笼型转子和非磁性杯型转子的运作原理是通过空间中的旋转磁场来对转子导条进行切割,进而产生一定量的感应电流,通过电流与旋转磁场间的反应来产生转矩合力。在旋转磁场中,转向和转矩位于同一个方向,这就说明转子和旋转磁场也会按照同一个方向来转动。

2交流伺服电机在自动化系统中的应用状况

交流伺服电机主要可以分为两类,一是同步电机,二是异步电机。异步电机的响应速度较快,并且本身的惯量较小,力矩的稳定性也非常高,但是其在控制层面显得较为繁琐,在未来的发展中呈现出智能化的趋向,在不同的复杂环境中都有着非常出色的性能表现。同步电机是基础性的电机,在日常的生产活动中应用较为广泛,其本身具有非常大的功率范围,惯量相对来说较大,并且在低速运行状态下有着非常良好的表现。从目前的应用状况来看,大多数生产企业都使用同步电机进行生产活动,异步电机在未来依然有着较大的上升空间。

从整体上来看,永磁交流伺服电机的出现进一步推动了交流伺服电机应用层次的提升,与传统的步进电机相比,永磁交流伺服电机的技术优势更为明显,其中最为突出的技术优势就是其准确的控制精度。一般来说,生产活动中比较常用的两相步进电机的步距角大约为3.5o和1.7o,而永磁交流伺服电机可以通过在电机轴后方的旋转编码器来进行精度上的整体控制,这样就使得控制精度得到了大幅度的提升。此外,永磁交流伺服电机具有非常强大的低速性能,这是以往的步进电机所无法比拟的特性,步进电机在运作的过程中,时常会发生低频震动的状况,震动频率可以达到电机空载起跳频率的1/2,这样就会给电机的整体运转带来很大的负荷,从而产生很大的负面影响。永磁交流伺服电机在系统的设计上采用了共振抑制的原理,这种设计可以对整个机械构造的共振要点进行统筹管理,极大地提升运转的稳定性,因此交流永磁伺服电机在稳定性要求较高的机械自动化系统中非常受欢迎。

3交流伺服电机的具体应用案例

笔者在这里以精度要求较高的某重型机械加工设备一大型数控铣管床为例,对交流伺服电机的实际应用状况做详细论述。该数控铣管床采用五坐标联动的原理,在运作过程中采用多轴控制,能够很好地完成大型元器件中复杂型曲面的锻造工作。这种大型铣管床对速度调节有着非常高的要求,转速比需要达到1:3200左右,另外在负载调速时对于转矩输出的稳定性也有着非常高的要求,通过优质的低速输出能力和大扭矩保证其运转效率。现阶段,国内对此设备的生产能力较弱,无法实现大规模批量化生产,更多地依赖从国外进口。如果能够在这种大型设备的生产研发上实现突破,使其能够批量化进行生产,那么对我国工业生产效率的提升会有极大的帮助。通过交流伺服电机的结合应用能够有效地解决生产制造过程中的难题。

某种落地式铣管床采用的是某公司新研发生产的一种新型交流伺服电机,这种电机的最大特点就是在运转过程中的全数字化,并且本身具有非常强大的过载能力和速度调节能力,对于转速和转矩能够做到很好的解耦独立控制。从具体数据来看,这种交流伺服电机能够将速度控制在0~550Hz范围之内,精度控制标准可以达到0.02Hz左右。同时针对数控铣管床在运作过程中起落现象频生的问题,其对于速度波形的控制精度做了很大程度的优化,即使在加工工作中频繁起落,也不会引起速度波形的大规模波动。在额定转速下,其超额输出额定转矩能力可以达到200%左右,与一般变频器所产生的工作曲线有很大程度上的不同,这样就保证了其在超负荷运转的状态下也能够维持机器运作的平稳。其具体的参数说明如表1所示。

从表1中的具体参数要求中我们可以看出,通过这种全数字化交流伺服电机的应用,能够全面满足数控铣管床的相关要求,同时还能够使设备的整体工作效率、工作稳定性和控制精度得到全面提升。交流伺服电机在重型设备中的应用,可以使重型设备在启用时减少震荡,使设备超负载能力得到最大限度的提高,在重型机械设备中具有非常高的应用价值。

4交流伺服电机的未来发展展望

现阶段,交流伺服电机技术在我国的发展仍未到十分成熟的阶段,随着技术的不断突破,交流伺服电机依然有着非常广阔的发展前景,特别是目前我国提出了"中国制造2025",智能制造工程引人瞩目,而伺服电机是数控机床、工业机器人等智能制造设备的重要器件。从分析研究来看,交流伺服电机在未来的发展方向主要有两个方面。一是性能的持续优化。从现在来看,交流伺服电机在性能方面依然有着非常大的提升空间,通过百万级脉冲的高精度编码器能够全面提升交流伺服电机的性能,这也是未来相关人员研究的重点方向之一。二是模块化发展趋向。模块构造的理念将在交流伺服电机的制造方面成为主导性理念,整个交流伺服电机的模块组成主要有驱动模块、电源模块以及通信模块等,通过软件和硬件的模块化处理,能够使整个电机的运转能力得到全面的优化提升。目前,相关研究人员正加紧对此进行研发,旨在于未来实现交流伺服电机的全数字化模块建设。