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| 微特電機論文：選擇執(zhí)行電動機時的禁忌 |
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1．選擇執(zhí)行電動機時必須熟悉掌握其性能特點，注重揚長避短，禁忌張冠李戴作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，可選用電動機、液壓泵和液壓馬達、氣動設備、電磁離合器等，但用得最多的是電動機。對執(zhí)行電動機的要求是：能滿足負載運動的要求，即提供足夠的力矩和功率使負載達到要求的運動性能；能快速起停和正反轉，保證系統(tǒng)的快速運動；有較寬的調(diào)速范圍；電動機本身的功率消耗小、體積小、重量輕、控制簡單、操作維護方便。
控制對象的要求是選擇執(zhí)行電動機的依據(jù)。要正確選用執(zhí)行電動機，必須對負載的固有特性及運動性能加以分析。電動機的主要指標是功率，若電動機功率不足，滿足不了負載的要求，將降低系統(tǒng)的使用壽命和可靠性，并可能導致事故；若選用電動機功率過大，又將使系統(tǒng)的體積和重量增加，并增加功率損耗，增加成本。除了功率外，執(zhí)行電動機輸出的轉矩、轉速也是選擇的重要指標。故選擇執(zhí)行電動機應包含確定電動機類型、額定輸入輸出參數(shù)(如額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉速等)、控制方式；確定電動機到負載之間傳動裝置的類型、速比、傳動級數(shù)和速比分配，以及估算傳動裝置的轉動慣量和傳動效率等。可作為伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件的電動機種類很多，常用的有直流伺服電動機、低速大扭矩寬調(diào)速電動機、兩相異步電動機、三相異步電動機、滑差電動機(亦稱轉差離合器)、力矩電動機、步進電動機、直線電動機等。
(1)直流伺服電動機直流伺服電動機按勵磁方式分有：他勵、串勵和并勵三種基本形式。直流他勵電動機按控制方式分電樞控制和磁場控制兩大類。其中前者易獲得較平直的機械特性和較寬的調(diào)速范圍，其功率從幾百瓦至幾十千瓦的各類系統(tǒng)中，均可找到其應用實例。直流他勵電動機的磁場控制，又分電樞電壓保持不變和電樞電流保持不變兩種。電樞電壓為常值時，磁場控制還有不同情況。功率在幾百瓦以上的電動機，具有弱磁升速特性。這種調(diào)速只能上調(diào)，調(diào)速范圍一般小于2(專門生產(chǎn)的調(diào)勵磁的電動機除外)，勵磁電流近似與轉速成正比，可用于可逆連續(xù)調(diào)速場合，它的控制功率小(與同功率電動機電樞控制相比)，但調(diào)速范圍和調(diào)節(jié)特性的線性度均遠不如電樞控制。電樞電流保持不變的磁場控制，只能用于幾瓦至十幾瓦的小功率電動機，只有加較深的速度負反饋系統(tǒng)才可獲得穩(wěn)定的轉速，這在只有輸出力矩(轉速可以為零)的場合比較適用。事實上，直流他勵伺服電動機的應用歷史最長，眾所周知，這種電動機的轉矩一慣量比是很小的，已不能適應現(xiàn)代伺服控制技術的要求。永磁式直流伺服電動機，具有尺寸小、重量輕、效率高、出力大、結構簡單、無需勵磁等一系列優(yōu)點，因而越來越受到重視。然而，普通伺服電動機在低速性能和動態(tài)指標上還不能令人滿意，成為進一步提高伺服系統(tǒng)精度和快速性的主要障礙。因此，出現(xiàn)了兩種高性能的小慣量高速直流伺服電動。
1)小慣量無槽電樞直流伺服電動機，又稱表面繞組電樞直流伺服電動機。這種電動機與普通電動機在結構上的不同之處在于電樞的鐵心表面無槽，電樞繞組直接用環(huán)氧樹脂粘接在光滑的鐵心表面上，并用玻璃絲帶加固，使電樞繞組與鐵心成為一個堅實的整體。由于轉子采用無槽結構，電樞繞組均勻分布在鐵心表面上，大大縮小了電樞直徑，減小了轉子的轉動慣量，也改善了低速下因齒槽效應面產(chǎn)生的轉速脈動。又由于轉子與換向器直徑減小，摩擦轉矩也大為減小，這些都為改善低速平穩(wěn)性，擴大調(diào)速范圍創(chuàng)造了有利條件；還由于定子與轉子鐵心之間填滿了電樞繞組，使氣隙主磁通和漏磁通的磁阻均增大，漏磁通減弱，從而使換向電動勢減小，換向性能改善，過載能力大大加強。因此，小慣量無槽電樞直流電動機具有以下優(yōu)點：轉子轉動慣量小，是普通電動機的1／10，電磁時間常數(shù)小，反應快；轉矩一慣量比大，且過載能力強，****轉矩可比額定轉矩大10倍；低速性能好，轉矩波動小，線性度好，摩擦小，調(diào)整范圍可達數(shù)千比一。但是，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，高速小慣量電動機還存在一些缺點。首先，由于其轉速高，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動機仍需減速器，故齒輪間隙給系統(tǒng)帶來的種種不利因素依然存在。特別對于艦載、機載、車載、陀螺穩(wěn)定伺服系統(tǒng)，過大的減速比使電動機的有效出力降低(轉子自身加速的消耗功率加大)。其次，由于氣隙大，安匝數(shù)多，其效率低。另外由于慣量小，熱容量也較小，過載時間不能太長；為了解決散熱，多用強迫風冷，因而體積、重量、噪聲都較大。再者，由于電動機本身轉動慣量小，負載轉動慣量要占系統(tǒng)總慣量中較大成分，當所驅動負載的尺寸與重量改變時，負載轉動慣量要發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，這個問題稱為慣量匹配問題。無槽電樞直流伺服電動機是一種大功率直流伺服電動機，主要用于需要快速動作、功率較大的伺服系統(tǒng)中，如雷達天線的驅動、自行火炮、導彈發(fā)射架驅動、計算機外圍設備以及數(shù)控機床等方面都有應用實例。
2)空心杯電樞直流伺服電動機。無槽電樞直流伺服電動機由于存在電樞鐵心，故在實現(xiàn)快速動作的電子設備中，還嫌它的轉動慣量太大。空心杯電樞直流伺服電動機則是一種轉動慣量更小的直流伺服電動機，人們稱它為“超低慣量伺服電動機”。其特點為：轉動慣量低，由于轉子無鐵心，且壁薄而細長，其轉動慣量特小，起動時間常數(shù)極小，可達1。。以下；轉矩一轉動慣量比很大，角加速度可達10‘rad／s。；靈敏度高，快速性能好、速度調(diào)節(jié)方便，其起動電壓在lOOmV以下，可完成每秒鐘250個起停循環(huán)；損耗小、效率高，因轉子中無磁滯和渦流造成的鐵耗，故其效率可達80％或更高；由于繞組在氣隙中均勻分布，不存在齒槽效應，轉矩波動小，低速運轉平穩(wěn)，噪聲很小；繞組的散熱條件好，其電流密度可取到30A／mm。；轉子無鐵心，電樞電感很小，因此換向性能很好，JL-T-~產(chǎn)生火花，大大提高了使用壽命。空心杯形電樞直流伺服電動機在國外已系列化生產(chǎn)，輸出功率從零點幾瓦到幾千瓦，多用于高精度的伺服系統(tǒng)及檢測裝置等設備中，如電視攝像機、各種錄像機、x-Y函數(shù)記錄儀、數(shù)控機床等機電一體化設備中。目前，國產(chǎn)空心杯電樞直流伺服電機可為儀表伺服系統(tǒng)配套。
(2)低速大轉矩寬NN_~g動機低速大轉矩寬調(diào)速電動機是在過去軍用低速力矩電動機的基礎上發(fā)展起來的新型電動機。相對于小慣量電動機而言，大轉矩寬調(diào)速電動機具有下列特點：高的轉矩一轉動慣量比，從而提供了極高的加速度和快速響應；高的熱容量，使電動機在自然冷卻全封閉的條件下，仍能長時間過載；電動機所具有的高轉矩和低速特性使得它與機床絲杠很容易直接耦合，這樣不僅解決了齒輪減速器的間隙給系統(tǒng)帶來的種種不利影響，而且從負載端看，電動機慣量折算到負載端的系數(shù)為l，而不是像高速電動機傳動比為i時折算關系為i×2倍，所以總系統(tǒng)的轉矩一慣量比值不一定降低，系統(tǒng)仍有較高的動態(tài)性能；由于精心選擇電刷的材料，且電刷的接觸面積大，使得電動機在大的加速度和過載情況下，仍能有良好的換向；電動機采用耐高溫的H級絕緣材料，且具有足夠的機械強度，以保證有長壽命和高可靠性；采用能承受重載荷的軸和軸承，使得電動機在加、減速和低速大轉矩時能承受****峰值轉矩；電動機內(nèi)安裝有高精度和高可靠性的反饋元件一脈沖編碼器或多極旋轉變壓器或低紋波測速發(fā)電機，便于測控。總之，大轉矩寬調(diào)速電動機具有許多優(yōu)點，近年來在高精度數(shù)控機床和工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)中獲得了愈來愈廣泛的應用。
(3)兩相異步電動機兩相異步電動機在幾十瓦以內(nèi)的小功率伺服系統(tǒng)中被廣泛應用。
控制方式分為幅值控制和相位控制。前者易于實現(xiàn)因而應用廣泛，后者控制線路復雜故比較少見。兩相異步電動機具有較寬的調(diào)速范圍，本身摩擦力~Ii／1,，比較靈敏。具有杯型轉子的兩相異步電動機轉動慣量小，因而快速響應特性好，常用于儀表隨動系統(tǒng)中。
(4)三相異步電動機 三相異步電動機控制方式有多種，如變頻調(diào)速、變電壓調(diào)速、串級調(diào)速、脈沖調(diào)速等。變頻調(diào)速可獲得比較平直的機械特性，調(diào)速范圍比較寬但控制線路復雜；該調(diào)速方法目前已得到廣泛應用。工業(yè)中傳統(tǒng)使用的多是利用晶閘管實現(xiàn)變壓調(diào)速和串級調(diào)速，僅適用于繞線轉子異步電動機，且均在單向調(diào)速時使用，低速性能差、調(diào)速范圍也不寬。與同功率的直流電動機相比較，三相異步電動機體積小、重量輕、價格便宜、維護簡單。在有市電的地方直接用三相交流電源，比用直流電源方便。
(5)滑差電動機(又稱轉差離合器) 滑差電動機的主動部分用原動機帶動作單向等逮運轉，用直流控制它的勵磁電流大小來調(diào)節(jié)其從動部分的轉速，從動部分帶動負載追隨主動部分，故只能單方向調(diào)速。其機械特性較軟，調(diào)速范圍不大，低速性能較差，但控制線路簡單。
(6)步進電動機按勵磁方式分永磁式、感應式和反應式。其中反應式結構簡單，使用較為普遍，目前工業(yè)多用于小功率場合。步進電動機特別適合于增量控制；由于其誤差不積累也是****能進行開環(huán)控制的電動機：在機床進給系統(tǒng)和簡易經(jīng)濟型機床中廣為應用。步進電動機具有較好的動、靜態(tài)特性，其轉矩和轉速既不受控制電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件變化的影響。配上脈沖分配器和功率放大器，可以做到一個脈沖走一步：也可以按脈沖控制的要求，立即起動、停止、反轉或改變轉速。步進電動機具有較高的精度，可以實現(xiàn)高精度的開環(huán)定位控制。但步進電動機振動比較大，在要求振動小的場合不宜采用；因此必須采取隔振措施，才能應用。由于步進電動機頻率提高會使起動轉矩下降，如果一旦電動機轉矩小于折合到軸上的負載總轉矩，則電動機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，這在開環(huán)控制系統(tǒng)中是無法彌補的。因此，電動機的起動頻率不能小于系統(tǒng)工作時的****頻率。
(7)力矩電動機力矩電動機分直流和交流兩種，它在原理上與他勵直流電動機和兩相異步電動機一樣，只是在結構和性能上有所不同；力矩電動機具有轉速低、力矩大、力矩波動小、機械特性硬度大、線性度好等優(yōu)點；可以在很低轉速(可做到4天半轉l轉)，甚至堵轉下也能長期工作；可以直接與控制對象相連而不需減速裝置；因而它適用于力平衡系統(tǒng)，例如陀螺平臺控制系統(tǒng)中。力矩電動機的性能參數(shù)有連續(xù)堵轉轉矩、堵轉電流、控制電壓、空載轉速等項，不同于普通的直流電動機。連續(xù)堵轉轉矩表示電動機長時間堵轉，穩(wěn)定溫升不超過允許值時的電動機****輸出轉矩；這時的電樞電流對應為連續(xù)堵轉電流，對應的電樞電壓為控制電壓；連續(xù)堵轉轉矩主要受發(fā)熱條件限制，短時超過連續(xù)堵轉電流還不至于燒壞電動機，所以電動機短時輸出轉矩可以稍稍超出連續(xù)堵轉轉矩，但不允許超出峰值堵轉轉矩，否則將會使電動機****磁鐵退磁。
(8)直流無刷電動機直流電動機的優(yōu)點是機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，堵轉轉矩大(力矩電動機)，控制方法簡單，其缺點是有換向器和電刷；兩相伺服電動機的優(yōu)點是沒有換向器和電刷，缺點是機械特性和調(diào)節(jié)特性具有嚴重的非線性，轉矩小，效率低；無刷直流電動機主要由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關線路三部分組成。電動機本體在結構上與永磁同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。其定子繞組一般制成多相，轉子由****磁鋼按一定的極對數(shù)組成。這種電動機用電子換向開關電路和位置傳感器代替電刷和換向器，這就使直流無刷電動機既具有直流電動機的機械特性，調(diào)節(jié)特性好，又具有交流電動機的維護方便，運行可靠、沒有電磁干擾等優(yōu)點。缺點是：結構比較復雜，包括電子換向器在內(nèi)的體積較大，轉矩波動大，低速時轉速的均勻性差。控制用無刷直流電動機包括無刷直流伺服電動機和無刷直流力矩電動機。無刷直流電動枧的機械特性、調(diào)節(jié)特性和傳遞函數(shù)均與直流電動機是相同的。
(9)直線電動機直線電動機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應用，近幾年來已在世界機床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起“直線電動機熱”。在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電動機傳動的****區(qū)別是取消了從電動機到工作臺(拖板)之間的一切機械中間傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種傳動方式被稱為“零傳動”。正由于這種“零傳動”方式，帶來了原旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和一定優(yōu)點。
1)高速響應。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應時間常數(shù)較大的如絲杠等機械傳動件，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。
2)精度高。直線驅動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構引起的傳動誤差減少了插補時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。
3)動剛度高。由于“直接驅動”，避免了起動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時提高了其傳動剛度。
4)速度快、加減速過程短。由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車(時速可達500km／h)，所以用在機床進給驅動中，要滿足其超高速切削的****進給速度(要求達60～100m／min或更高)當然是沒有問題的。也由于上述零傳動的高速響應性，使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。可獲得較高的加速度，一般可達2～10g(g=9．8m／s?)，而滾珠絲杠傳動的****加速度只有O．1～O．5g。
5)行程長度不受限制。在導軌上通過串聯(lián)直線電動機，就可以無限延長其行程長度。
6)安靜、噪聲低。由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌(無機械接觸)，其運動時噪聲將大大降低。
7)效率高。由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦時的能量損耗。科爾摩根PT_ATIN—NM DDI．系列直線電動機和sERvOsTAR cD系列數(shù)字伺服放大器構成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動態(tài)響應速度和加速度、極高的剛度、高的定位精度和平滑的無差運動。
選擇執(zhí)行電動機時必須熟悉掌握這些伺服電動機的性能特長，注重揚長避短，禁忌張冠李戴，才能充分發(fā)揮出執(zhí)行電動機的實效。同時選擇執(zhí)行電動機還必須注意使用環(huán)境，在要求防爆、防水、防塵的場合下，必須選用防爆、防水、防塵的電動機，禁忌選用普通電動機。
2．伺服(隨動)系統(tǒng)禁忌選用普通型交、直流電動機在伺服隨動系統(tǒng)中，一般要求機械轉動的角度能跟隨控制信號的變化，靈敏度要高，精度要高，隨動性要好。這就要求旋轉體機械慣性要小，而普通型交、直流電動機，飛輪轉矩較機械慣性較大、電磁時間常數(shù)大、靈敏度低，故伺服(隨動)系統(tǒng)禁忌選用普通型交、直流電動機，而選用轉子細長的伺服電動機和步進電動機。而對于Pn>108kw的伺服(隨動)系統(tǒng)禁忌選用直流電動機。因為大功率高轉速機械，如要求起動、停止、正反轉控制靈敏，則傳動系統(tǒng)的機械慣性——飛輪轉矩越小越好。而大容量直流電動機，由于結構上的原因，與同功率的交流電動機相比，轉子直徑大，重量重，再加上直流電動機電樞上有銅制換向器，其飛輪轉矩大，機械慣性大，故高速大容量伺服(隨動)系統(tǒng)，不宜選用直流電動機，而選用交流電動機為好。
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