Słowo serwo pochodzi od greckiego słowa oznaczającego niewolnika. „Serwosilnik” można rozumieć jako silnik, który bezwzględnie wykonuje polecenie sygnału sterującego: przed wysłaniem sygnału sterującego wirnik jest nieruchomy; Po wysłaniu sygnału sterującego wirnik natychmiast się obraca; W przypadku utraty sygnału sterującego wirnik może się natychmiast zatrzymać.
Serwosilnik to mikrosilnik stosowany jako siłownik w automatycznym urządzeniu sterującym, którego funkcją jest zamiana sygnałów elektrycznych na przemieszczenie kątowe lub prędkość kątową obracającego się wału. Serwomotor, zwany także silnikiem wykonawczym, jest elementem wykonawczym w układzie automatyki do przetwarzania odbieranego sygnału elektrycznego na przemieszczenie kątowe lub prędkość kątową wyprowadzaną na wał silnika.
Klasyfikacja serwomotorów
Silnik serwo jest podzielony na dwie kategorie serwomechanizmów prądu przemiennego i serwa prądu stałego.
Podstawowa struktura serwosilnika prądu przemiennego jest podobna do konstrukcji silnika indukcyjnego prądu przemiennego (silnik asynchroniczny). Dwa uzwojenia wzbudzające Wf i sterujące WcoWf z przesunięciem fazowym o 90 stopni na stojanie są połączone stałym napięciem przemiennym. Cel sterowania pracą silnika realizowany jest poprzez zmianę napięcia przemiennego lub fazy przyłożonej do Wc. Silnik serwo AC charakteryzuje się stabilną pracą, dobrą sterowalnością, szybką reakcją, wysoką czułością i ścisłym wskaźnikiem nieliniowości właściwości mechanicznych i charakterystyk regulacyjnych (odpowiednio mniej niż 10% ~ 15% i mniej niż 15% ~ 25%).
Zalety i wady silnika serwo prądu stałego
Zalety: precyzyjna kontrola prędkości, charakterystyka prędkości momentu obrotowego jest bardzo trudna, prosta zasada sterowania, łatwa w użyciu, niska cena.
Wady: odwrócenie szczotek, ograniczenie prędkości, dodatkowy opór, cząsteczki zużywające się (nie nadaje się do bezpyłowego środowiska wybuchowego).
Podstawowa struktura serwomotoru prądu stałego jest podobna do ogólnego silnika prądu stałego. Prędkość silnika n=E/K1j=(Ua-iara)/K1j, gdzie E to wsteczna siła elektromotoryczna twornika, K to stała, j to strumień magnetyczny na biegun, Ua i Ia to napięcie twornika i prąd twornika, Ra to rezystancja twornika, zmiana Ua lub zmiana φ, może kontrolować prędkość serwomotoru prądu stałego, ale generalnie stosuje metodę kontrolowania napięcia twornika. W serwomotorze prądu stałego z magnesami trwałymi uzwojenie pola jest zastąpione magnesem trwałym, a strumień magnetyczny φ jest stały. Silnik serwo prądu stałego ma dobrą charakterystykę regulacji liniowej i szybką reakcję czasową.
Zalety i wady silnika serwo AC
Zalety: Dobra charakterystyka regulacji prędkości, płynna regulacja możliwa w całym zakresie prędkości, prawie brak oscylacji, ponad 90% wysoka sprawność, mniej ciepła, wysoka kontrola prędkości, wysoka precyzja sterowania położeniem (w zależności od dokładności enkodera), znamionowa praca obszar, może osiągnąć stały moment obrotowy, niską bezwładność, niski poziom hałasu, brak zużycia szczotek, bezobsługowość (nadaje się do środowiska bezpyłowego, wybuchowego).
Wady: Sterowanie jest bardziej złożone, a parametry sterownika muszą być dostosowane na miejscu w celu określenia parametrów PID, co wymaga więcej okablowania.
Silniki serwo prądu stałego dzielą się na silniki bezszczotkowe i bezszczotkowe.
Silnik szczotkowy ma zalety niskiego kosztu, prostej konstrukcji, dużego momentu rozruchowego, szerokiego zakresu regulacji prędkości, łatwego sterowania, potrzeby konserwacji, ale wygodnej konserwacji (szczotka węglowa), zakłóceń elektromagnetycznych, wymagań dotyczących korzystania ze środowiska, zwykle używane na wrażliwe na koszty wspólne okazje przemysłowe i cywilne.
Silnik bezszczotkowy mała objętość, niewielka waga, duża odpowiedź wyjściowa, duża prędkość, mała bezwładność, stabilny moment obrotowy płynny, złożone sterowanie, inteligentny, elektroniczny tryb komutacji elastyczny, komutacja fali prostokątnej lub sinusoidalnej, bezobsługowy silnik, wysoka wydajność i oszczędność energii, Promieniowanie elektromagnetyczne, niski wzrost temperatury, długa żywotność, odpowiednie dla wszystkich rodzajów środowiska.
Silnik serwo AC jest również silnikiem bezszczotkowym, podzielonym na silnik synchroniczny i asynchroniczny, silnik synchroniczny jest obecnie powszechnie stosowany w sterowaniu ruchem, jego zakres mocy jest duży, moc może być bardzo duża, duża bezwładność, najwyższa prędkość jest niska, prędkość zmniejsza się równomiernie wraz ze wzrostem mocy, nadaje się do niskich prędkości i płynnej pracy
Wirnik wewnątrz serwosilnika jest magnesem trwałym, a sterownik kontroluje trójfazową energię elektryczną U/V/W w celu wytworzenia pola elektromagnetycznego. Wirnik obraca się pod działaniem tego pola magnetycznego. W tym samym czasie enkoder silnika wysyła sygnały zwrotne do sterownika i porównuje wartość sprzężenia zwrotnego z wartością docelową, aby dostosować kąt obrotu wirnika.
Q
Jaka jest różnica w wydajności między serwosilnikiem prądu przemiennego a bezszczotkowym serwosilnikiem prądu stałego?
A
Wydajność silnika serwo AC jest lepsza, ponieważ serwo AC jest sterowane sinusoidalnie, tętnienie momentu obrotowego jest małe; A bezszczotkowe serwo DC to kontrola fali trapezowej. Ale bezszczotkowe sterowanie serwomechanizmem DC jest prostsze i tańsze.
Szybki rozwój technologii serwonapędów prądu przemiennego z magnesami trwałymi sprawia, że system serwo prądu stałego staje w obliczu kryzysu wyeliminowania [/p][p= 30,2, lewo] Od lat 80. XX wieku, wraz z rozwojem układów scalonych, energoelektronika technologia i technologia napędu o zmiennej prędkości prądu przemiennego, technologia serwonapędów prądu przemiennego z magnesami trwałymi dokonała wyjątkowego rozwoju. Znani producenci urządzeń elektrycznych wprowadzili nowe produkty z serii serwonapędów prądu przemiennego i serwonapędów. System serwo AC stał się głównym kierunkiem rozwoju współczesnych wysokowydajnych systemów serwo, co sprawia, że system serwo prądu stałego staje w obliczu kryzysu eliminacji.
W porównaniu z serwosilnikiem prądu stałego, serwosilnik prądu przemiennego z magnesami trwałymi ma następujące zalety:
(1) Brak szczotki i komutatora, bardziej niezawodne działanie, bezobsługowe.
(2) Nagrzewanie uzwojenia stojana jest znacznie zmniejszone.
(3) Bezwładność jest niewielka, a system ma dobrą szybką reakcję.
(4) Warunki pracy przy dużej prędkości i dużym momencie obrotowym są dobre.
(5) Mała objętość i niewielka waga przy tej samej mocy.
Zasada serwomotoru
Struktura stojana serwomotoru prądu przemiennego jest zasadniczo podobna do struktury asynchronicznego silnika z dzieloną fazą kondensatora. Stojan wyposażony jest w dwa uzwojenia przesunięte względem siebie o 90 stopni, jedno jest uzwojeniem wzbudzenia Rf, które jest zawsze podłączone do napięcia przemiennego Uf; Drugie to uzwojenie sterujące L, podłączone do napięcia sygnału sterującego Uc. Tak więc silnik serwo AC jest również nazywany dwoma serwosilnikami.
Wirnik serwosilnika prądu przemiennego jest zwykle wykonany z klatkowego typu wiewiórki, ale aby serwosilnik miał szeroki zakres prędkości, liniowe właściwości mechaniczne, brak zjawiska „obrotu” i szybką reakcję w porównaniu ze zwykłym silnikiem, powinien mieć duży opór wirnika i mały moment bezwładności tych dwóch charakterystyk. Obecnie szeroko stosowane są dwa typy konstrukcji wirników: jeden to wirnik klatkowy z prowadnicą o wysokiej rezystywności wykonaną z materiału przewodzącego o wysokiej rezystywności. W celu zmniejszenia momentu bezwładności wirnika, wirnik jest smukły; Drugi jest wykonany z wydrążonego wirnika ze stopu aluminium, ścianka kubka to tylko 0.2-0.3mm, wirnik z wydrążonym kubkiem ma mały moment bezwładności, szybką reakcję i płynną pracę, więc jest szeroko używany.
Gdy serwosilnik prądu przemiennego nie ma napięcia sterującego, stojan ma tylko pulsujące pole magnetyczne generowane przez uzwojenie wzbudzenia, a wirnik jest nieruchomy. Gdy występuje napięcie sterujące, stojan wygeneruje wirujące pole magnetyczne, wirnik wzdłuż kierunku wirującego pola magnetycznego, w przypadku stałego obciążenia prędkość silnika wraz z wielkością zmiany napięcia sterującego, gdy faza napięcia sterującego jest przeciwne, serwosilnik odwróci się.
Chociaż zasada działania serwomotoru prądu przemiennego jest podobna do zasady działania jednofazowego silnika asynchronicznego z kondensatorem, rezystancja wirnika tego pierwszego jest znacznie większa niż drugiego. Dlatego w porównaniu z silnikiem asynchronicznym z kondensatorem, serwosilnik ma dwie istotne cechy:
1. Duży moment rozruchowy: ponieważ rezystancja wirnika jest duża, charakterystyka momentu obrotowego (charakterystyka mechaniczna) jest bliższa liniowej i ma duży moment rozruchowy. Dlatego, gdy stojan ma napięcie sterujące, wirnik obraca się natychmiast, to znaczy ma cechy szybkiego rozruchu i wysokiej czułości.
2. Szeroki zakres działania: płynna praca, niski poziom hałasu. [/p][p=30, 2, lewy]3, brak zjawiska rotacji: serwosilnik pracuje, dopóki napięcie sterujące zostanie utracone, silnik natychmiast się zatrzyma.
Specjalny mikrosilnik z precyzyjnym napędem
„Specjalny mikrosilnik precyzyjnego napędu” może szybko i poprawnie wykonywać często zmieniające się instrukcje w systemie, napędzać serwomechanizm w celu wykonania oczekiwanej pracy instrukcji, z których większość może spełniać następujące wymagania:
1. Może często uruchamiać, zatrzymywać, hamować, cofać i pracować z niską prędkością oraz wysoką wytrzymałość mechaniczną, wysoką odporność na ciepło, wysoki stopień izolacji.
2. Dobra zdolność szybkiego reagowania, duży moment obrotowy, mały moment bezwładności, mała stała czasowa.
3. Z napędem i kontrolerem (takim jak serwosilnik, silnik krokowy), dobra wydajność sterowania.
4. Wysoka niezawodność i precyzja.
Kategorie precyzyjnych mikrosilników napędowych oraz ich struktura i wydajność są porównywane w następujący sposób:
Silnik prądu przemiennego
(1) Dwufazowy serwomotor klatkowy (smukły wirnik klatkowy, w przybliżeniu liniowa charakterystyka mechaniczna, mała objętość i prąd wzbudzenia, serwo małej mocy, praca przy niskiej prędkości nie jest płynna).
(2) dwufazowy serwosilnik prądu przemiennego z niemagnetycznym wirnikiem kubkowym (wirnik z wydrążonym kubkiem, w przybliżeniu liniowa charakterystyka mechaniczna, duża objętość i prąd wzbudzenia, serwo małej mocy, płynna praca przy niskiej prędkości).
(3) Dwufazowy serwosilnik ferromagnetyczny z wirnikiem kubkowym (wirnik ferromagnetyczny o w przybliżeniu liniowych właściwościach mechanicznych, duży moment bezwładności wirnika, efekt małego rowka zęba i stabilna praca).
(4) synchroniczny serwosilnik prądu przemiennego z magnesami trwałymi (składający się z silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, maszyny do pomiaru prędkości i jednostki współosiowej elementu wykrywającego położenie, stojan jest 3-fazowy lub 2-fazowy, wirnik z materiału magnetycznego musi być wyposażony w sterownik; Szeroki zakres prędkości, charakterystyka mechaniczna dzięki strefie stałego momentu obrotowego i strefie stałej mocy, ciągłe zatykanie, szybka odpowiednia wydajność jest dobra, duża moc wyjściowa, małe wahania momentu obrotowego; Napęd prostokątny i sinusoidalny na dwa sposoby, dobra wydajność sterowania, dla produktów integracji elektromechanicznej).
(5) asynchroniczny trójfazowy serwosilnik prądu przemiennego (podobny silnik asynchroniczny wirnika i klatki, musi być wyposażony w sterownik, sterowanie wektorowe, rozszerzyć zakres regulacji prędkości stałej mocy, najczęściej używany w systemie kontroli prędkości wrzeciona obrabiarki).
Silnik serwo prądu stałego
(1) Drukowany serwosilnik prądu stałego z uzwojeniem (rotor w kształcie dysku, cylindryczna stal magnetyczna w kształcie stojana w kształcie dysku, mały moment bezwładności wirnika, brak efektu szczeliny, brak efektu nasycenia, duży wyjściowy moment obrotowy).
(2) drutowy serwosilnik prądu stałego (wirnik i stojan w kształcie dysku są połączone osiowo z cylindryczną stalą magnetyczną, moment bezwładności wirnika jest mały, wydajność sterowania jest lepsza niż w przypadku innych serwosilników prądu stałego, wysoka wydajność, duży wyjściowy moment obrotowy).
(3) Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi z twornikiem typu kubkowego (wirnik z wydrążonym kubkiem, mała bezwładność wirnika, odpowiedni do układu serwo z ruchem przyrostowym).
(4) bezszczotkowy serwomotor prądu stałego (stojan jest uzwojeniem wielofazowym, wirnik jest magnesem trwałym, czujnik położenia wirnika, brak zakłóceń iskry, długa żywotność, niski poziom hałasu).
Silnik momentu obrotowego
(1) Silnik momentu obrotowego prądu stałego (płaska konstrukcja, liczba biegunów, liczba gniazd, liczba płyt cofania, liczba przewodów szeregowych; Duży wyjściowy moment obrotowy, ciągła praca przy niskiej prędkości lub zablokowanym obrocie, dobre właściwości mechaniczne i regulacyjne, mały czas elektromechaniczny stały).
(2) bezszczotkowy silnik momentu obrotowego prądu stałego (podobny do bezszczotkowego silnika serwo prądu stałego, ale płaski, liczba biegunów i gniazd liczba przewodów szeregowych; duży wyjściowy moment obrotowy, dobre właściwości mechaniczne i regulacyjne, długa żywotność, brak iskry, niski poziom hałasu).
(3) Silnik momentu obrotowego typu klatkowego (wirnik klatkowy, płaska konstrukcja, więcej gniazd biegunowych, duży moment rozruchowy, mała elektromechaniczna stała czasowa, może pracować przez długi czas, miękkie właściwości mechaniczne).
(4) Silnik prądu przemiennego z pełnym wirnikiem (wirnik stały z materiału ferromagnetycznego, płaska konstrukcja, liczba biegunów i gniazd, może być blokowany przez długi czas, płynna praca, miękkie właściwości mechaniczne).
Silnik krokowy
(1) Reakcja silnika krokowego (wirnik stojana jest wykonany z blachy ze stali krzemowej, rdzeń wirnika nie ma uzwojenia, stojan ma uzwojenie sterujące; mały kąt kroku, wysoka częstotliwość rozruchu i pracy, niska dokładność kąta kroku, brak samoblokującego momentu obrotowego).
(2) silnik krokowy z magnesami trwałymi (wirnik z magnesami trwałymi, polaryzacja magnesowania promieniowego; kąt kroku jest duży, częstotliwość początkowa i robocza jest niska, moment obrotowy jest utrzymywany, zużycie energii jest mniejsze niż wzór reakcji, ale dodatnie i ujemne musi być zapewniony prąd pulsacyjny.
(3) hybrydowy silnik krokowy (wirnik z magnesami trwałymi, polaryzacja magnesowania osiowego; wysoka precyzja kąta kroku, utrzymanie momentu obrotowego, mały prąd wejściowy, zalety zarówno typu reakcji, jak i typu magnesu stałego).
Przełączany silnik reluktancyjny (wirnik stały jest wykonany z blachy ze stali krzemowej, biegun wypukły, a liczba biegunów zbliżona do odległości krokowej, reakcja silnika krokowego jest podobna, z czujnikiem położenia wirnika, kierunek momentu obrotowego jest niezależny od kierunku prądu, zakres prędkości jest mały, głośny hałas, charakterystyka mechaniczna w obszarze stałego momentu obrotowego, obszar stałej mocy, szeregowy obszar charakterystyczny trzech części).
Silnik liniowy (prosta konstrukcja, szyna prowadząca może być używana jako przewodnik wtórny, odpowiednia do liniowego ruchu posuwisto-zwrotnego; Wysoka wydajność serwomechanizmu, wysoki współczynnik mocy i wydajność, stała prędkość jest doskonała).