寬調(diào)速直流伺服電機(jī)

《電氣工程名詞》第一版。 2100433B

1998年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

普通的調(diào)速系統(tǒng)在高速段工作時(shí)穩(wěn)速精度較高，低速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)速精度指標(biāo)嚴(yán)重惡化，而寬調(diào)速控制能使低速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)速精度達(dá)到要求。寬調(diào)速控制主要應(yīng)用于機(jī)床特別是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，以及天線伺服系統(tǒng)、儀表隨動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)等需要在寬轉(zhuǎn)速范圍下工作的控制系統(tǒng)中，如機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，其調(diào)速范圍為3000~30000。寬調(diào)速控制的實(shí)現(xiàn)主要是依靠適應(yīng)寬調(diào)速運(yùn)行要求的寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

第二次世界大戰(zhàn)期間，機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)主要采用液壓伺服機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)元件組成液壓伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代初，日本安川公司制成了小慣量電機(jī)代替液壓伺服機(jī)構(gòu)，發(fā)展為電伺服系統(tǒng)。從70年代初開(kāi)始，英國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)等國(guó)家，都先后研制和生產(chǎn)了寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)，并廣泛應(yīng)用于機(jī)床。日本富士通公司于1973年引進(jìn)了美國(guó)蓋梯斯公司專利，并發(fā)展了自己的寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)。

中國(guó)從1975年開(kāi)始也研制成多種規(guī)格的寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)，并開(kāi)發(fā)了新一代的寬調(diào)速直流伺服系統(tǒng)。寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)寬調(diào)速系統(tǒng)的重要設(shè)備是電動(dòng)機(jī)，應(yīng)選用高性能寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)。這類電動(dòng)機(jī)具有下列特點(diǎn):轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)小，低速時(shí)可輸出大轉(zhuǎn)矩，電氣時(shí)間常數(shù)小。(見(jiàn)伺服電動(dòng)機(jī))

(1)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)小。調(diào)速系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響穩(wěn)速精度。產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因有兩個(gè)：一是電動(dòng)機(jī)齒槽引起的氣隙磁導(dǎo)隨轉(zhuǎn)子位置不同而發(fā)生變化，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)不為恒值，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生周期性波動(dòng)；二是在換向?qū)挾葍?nèi)換向繞組中電流與氣隙磁場(chǎng)作用產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩。普通直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)值與額定轉(zhuǎn)矩的比值為。.2~。.3，而寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞槽數(shù)和換向片數(shù)都多，上述比值小于0.03，有利于低速運(yùn)行平穩(wěn)。

(2)低速時(shí)可輸出大轉(zhuǎn)矩。對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，低速工作需承擔(dān)切削時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大;而高速工作為空程運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩小。為減小電動(dòng)機(jī)額定功率，在低速時(shí)使電動(dòng)機(jī)過(guò)載運(yùn)行，滿足短時(shí)重切削的要求，其峰值轉(zhuǎn)矩可為額定轉(zhuǎn)矩6~10倍，具有較大的過(guò)載能力。寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)選用矯頑力高、磁性能穩(wěn)定的鐵氧體，鋁鎳鉆等永磁材料作磁極，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇怕吩O(shè)計(jì)，使得在出現(xiàn)峰值電流時(shí)，不易去磁，且電樞的直徑大、電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣t大、熱容t大；選用耐高溫的絕緣材料，電熱時(shí)間常數(shù)大，而具有較大的過(guò)載能力。因此，該電動(dòng)機(jī)低速時(shí)能翰出大轉(zhuǎn)動(dòng)，又有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比，不會(huì)損失最大理論加速度值，保證了系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。該電動(dòng)機(jī)由于低速時(shí)翰出轉(zhuǎn)矩大，可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載軸，省去了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠;消除了齒輪噪聲和振動(dòng)，提高了傳動(dòng)效率，降低了成本，消除了齒晾誤差，避免了齒隙振蕩，提高了系統(tǒng)放大倍數(shù);由于沒(méi)有齒輪軸彈性變形的影響，提高了輛合剛度，使系統(tǒng)的毯速精度得到提高;電動(dòng)機(jī)的電樞直徑大，電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣t大，可以與負(fù)載慣量較好地匹配，伺服系統(tǒng)容易調(diào)整，運(yùn)行德定。

(3)電氣時(shí)間常數(shù)小。電氣時(shí)間常數(shù)T.~L./R.。式中R.為電樞電阻；L.為電樞電感。由于L，與極對(duì)數(shù)的平方成反比，電氣時(shí)間常數(shù)T.也與極對(duì)數(shù)的平方成反比。小功率寬調(diào)速電機(jī)通常設(shè)計(jì)為6極或8極，大功率寬調(diào)速電機(jī)可設(shè)計(jì)為10~14極，因而電氣時(shí)間常數(shù)很小，有利于系統(tǒng)快速響應(yīng)。技術(shù)措施為適應(yīng)寬調(diào)速的要求，寬調(diào)速控制系統(tǒng)采取的措施主要有速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，采用電流限流型速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，動(dòng)力潤(rùn)滑，增加位里外環(huán)。

(4)速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)器.低速運(yùn)行時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)體質(zhì)t不均勻、機(jī)械振動(dòng)、電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)及負(fù)載擾動(dòng)，會(huì)引起轉(zhuǎn)速降落，使在某一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速為零，產(chǎn)生姍動(dòng).對(duì)于具有電流環(huán)和速度環(huán)的三階系統(tǒng)，可采用速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，使速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)增大，積分時(shí)間減小，減小由上述擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)、動(dòng)態(tài)速降以及出現(xiàn)停轉(zhuǎn)后的恢復(fù)時(shí)間。

(5)電流限流型速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在系統(tǒng)的起動(dòng)、制動(dòng)期間內(nèi)電樞電流超過(guò)限流值，電流環(huán)起作用，相當(dāng)于雙環(huán)系統(tǒng)；在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電流在限流值之內(nèi)，電流環(huán)不起作用，為速度單環(huán)系統(tǒng)，其抗擾性能好、響應(yīng)快，有利于寬調(diào)速控制。

(6)動(dòng)力潤(rùn)滑.低速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載軸的摩擦轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速為非線性函數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)速為零時(shí)的靜摩擦轉(zhuǎn)矩大于轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)康擦轉(zhuǎn)矩，由靜摩擦轉(zhuǎn)矩過(guò)渡到正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，正是低轉(zhuǎn)速區(qū)域所對(duì)應(yīng)的奉攘轉(zhuǎn)矩非線性變化區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸人量低于某一較小值時(shí)，由于摩裸轉(zhuǎn)矩的變化，使系統(tǒng)運(yùn)行不平穩(wěn)。動(dòng)力潤(rùn)滑是變靜摩擦為動(dòng)摩擦，克服低速運(yùn)行不平穩(wěn)的有效方法。如采用晶體管脈寬調(diào)制放大器對(duì)電動(dòng)機(jī)供電，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于某一較低轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞電流為交變電流，電動(dòng)機(jī)處于高頗徽振狀態(tài)，使負(fù)載軸總是處于動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下運(yùn)行，改善了低速運(yùn)行特性。

(7)位置外環(huán)。在速度環(huán)具有良好性能的基礎(chǔ)上，增加位!外環(huán)可進(jìn)一步提高調(diào)速范圍。理論上最低轉(zhuǎn)速值可接近于零。位工外環(huán)有數(shù)字式及鑒相式兩種，指令脈沖的頻率決定于轉(zhuǎn)速值，而且脈沖當(dāng)t越小，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行越平穩(wěn)。