直流伺服電機有哪些應(yīng)用領(lǐng)域,？數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)分析！

無刷直流伺服電機克服了有刷直流電機的先天性缺陷,，以電子換向器取代了機械換向器,，所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調(diào)速性能等特點，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單,、無換向火花,、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。無刷直流電機的實質(zhì)是直流電源輸入,，采用電子逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電,，有轉(zhuǎn)子位置反饋的三相交流永磁同步電機,。性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機有很大優(yōu)勢,，是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機。

無刷直流伺服電機簡介

BLDC電機中的“BL”意為“無刷”，就是DC電機(有刷電機)中的“電刷”沒有了,。

無刷直流電機(BLDC)以電子換向器取代了機械換向器,，所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調(diào)速性能等特點，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單,、無換向火花,、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。

無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子,、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成,。可見,，它和直流電機有著很多共同點,，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多(原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ?,，繞組的連線也基本相同,。但是,，結(jié)構(gòu)上它們有一個明顯的區(qū)別：無刷直流電機沒有直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器,。這樣,，電機結(jié)構(gòu)就相對簡單，降低了電機的制造和維護成本,，但無刷直流電機不能自動換向(相),，犧牲的代價是電機控制器成本的提高(如同樣是三相直流電機，有刷直流電機的驅(qū)動橋需要 4 只功率管,，而無刷直流電機的驅(qū)動橋則需要 6 只功率管),。

無刷直流伺服電機應(yīng)用領(lǐng)域

應(yīng)用領(lǐng)域一，辦公計算機外圍設(shè)備,、電子數(shù)碼消費品領(lǐng)域,。

這是無刷直流電機普及最廣、數(shù)量最大的領(lǐng)域,。比如在生活中常見的打印機,、傳真機、復(fù)印機,、硬盤驅(qū)動器,、軟盤驅(qū)動器、電影攝影機,、磁帶記錄儀等,，在它們的主軸和附屬運動的帶動控制中，都有無刷直流電機的身影,。

應(yīng)用領(lǐng)域二,，工業(yè)控制領(lǐng)域。

近些年,，由于無刷直流電機大規(guī)模的研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟,，其驅(qū)動系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的分布范圍也隨之?dāng)U大，已逐步成為工業(yè)用電動機的發(fā)展主流,。圍繞降低生產(chǎn)成本和提高運行效率而展開的研究與嘗試已取得顯著的效益,，各大廠商也提供不同型號的電機以滿足不同驅(qū)動系統(tǒng)的需求。現(xiàn)階段在紡織,、冶金,、印刷、自動化生產(chǎn)流水線,、數(shù)控機床等工業(yè)生產(chǎn)方面,，無刷直流電機都有涉獵。

應(yīng)用領(lǐng)域三,，醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域,。

在國外,，對無刷直流電機的使用已經(jīng)較為普遍，可以用來驅(qū)動人工心臟中的小型血泵;在國內(nèi),，手術(shù)用高速器具的高速離心機,、熱像儀和測溫儀的紅外激光調(diào)制器都使用了無刷直流電機。

應(yīng)用領(lǐng)域四,，汽車領(lǐng)域,。

據(jù)分析在市面上，一般的家用轎車需要永磁電機 20-30 個,，而每輛豪華轎車則需要59個之多,，除了核心發(fā)動機外，在雨刷器,、電動車門,、汽車空調(diào)、電動車窗等部位都有電機的身影,。隨著汽車工業(yè)向著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展,，所使用的電機也必須滿足高效率、低能耗的標(biāo)準(zhǔn),。而無刷直流電機的低噪聲,、壽命長、無火花干擾,、方便集中控制等優(yōu)點完全符合,，隨著其調(diào)速技術(shù)的日益成熟，性價比會越來越高,，它在汽車電機驅(qū)動的各個環(huán)節(jié)中的應(yīng)用會更加廣泛,。

應(yīng)用領(lǐng)域五,，家用電器領(lǐng)域,。

“變頻”技術(shù)已非常普遍，作為中國家電的標(biāo)志逐漸占據(jù)了大部分的消費市場,，“直流變頻”受到生產(chǎn)廠商的青睞,，已有逐漸替換掉“交流變頻”的轉(zhuǎn)變趨勢。這種轉(zhuǎn)變實質(zhì)上就是家電所用的電動機由感應(yīng)電動機向無刷直流電機及其控制器的過渡,，以達到節(jié)能環(huán)保,、低噪智能、舒適性高的要求,。無刷直流電機的發(fā)展方向與電力電子,、傳感器、控制理論等技術(shù)的發(fā)展方向相同,，它是多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,，它的發(fā)展取決于與之相關(guān)的每一種技術(shù)的革新與進步,。

無刷直流伺服電機有以下特點

無刷直流電機的外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩,，使得它可以提供大的起動轉(zhuǎn)矩;

無刷直流電機的速度范圍寬,，任何速度下都可以全功率運行;

無刷直流電機的效率高、過載能力強,，使得它在拖動系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn);

無刷直流電機的再生制動效果好,，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動時電機可以進入發(fā)電機狀態(tài);

無刷直流電機的體積小,，功率密度高;

無刷直流電機無機械換向器,，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進入電機內(nèi)部,，可靠性高;

無刷直流電機比異步電機的驅(qū)動控制簡單,。

無刷直流伺服電機工作原理

無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體,。如果只給電機通以固定的直流電流,，則電機只能產(chǎn)生不變的磁場，電機不能轉(zhuǎn)動起來,，只有實時檢測電機轉(zhuǎn)子的位置,，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機的不同相通以對應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場,，電機才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來,。

為了方便描述，電機定子的線圈中心抽頭接電機電源 POWER,，各相的端點接功率管,，位置傳感器導(dǎo)通時使功率管的 G極接 12V，功率管導(dǎo)通,，對應(yīng)的相線圈被通電,。由于三個位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，會依次導(dǎo)通,，使得對應(yīng)的相線圈也依次通電,，從而定子產(chǎn)生的磁場方向也不斷地變化，電機轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動起來,，這就是無刷直流電機的基本轉(zhuǎn)動原理——檢測轉(zhuǎn)子的位置,，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場的方向連續(xù)均勻地變化,。

無刷直流伺服電機的驅(qū)動方法

無刷直機電機的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式,，它們各有特點。

1.按驅(qū)動波形：方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)方便,，易于實現(xiàn)電機無位置傳感器控制;

2.正弦驅(qū)動：這種驅(qū)動方式可以改善電機運行效果,，使輸出力矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復(fù)雜,。同時,，這種方法又有 SPWM 和 SVPWM(空間矢量 PWM)兩種方式，SVPWM的效果好于 SPWM,。

數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)分析

一,、概述

作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件,、控制,、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(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)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，經(jīng)歷了從步進到直流,，進而到交流的發(fā)展歷程,。數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結(jié)構(gòu)及簡單歸分,，對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討,。

伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備，電動機為控制對象,，以控制器為核心,，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng),。

二,、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類

根據(jù)驅(qū)動電動機的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服;根據(jù)控制器實現(xiàn)方法的不同,，可將其分為模擬伺服和數(shù)字伺服;根據(jù)控制器中閉環(huán)的多少,，可將其分為開環(huán)控制系統(tǒng)、單環(huán)控制系統(tǒng),、雙環(huán)控制系統(tǒng)和多環(huán)控制系統(tǒng),。考慮伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床中的應(yīng)用,，本文首先按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服，然后再根據(jù)其他要素來探討不同伺服系統(tǒng)的技術(shù)特性,。

從基本結(jié)構(gòu)來看,，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動裝置,、反饋裝置和電動機(圖1),?？刂破靼凑諗?shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路,，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動機之上,，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機所需的交流電或直流電;電動機則按供電大小拖動機械運轉(zhuǎn),。 

三,、進給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望

進給伺服以數(shù)控機床的各坐標(biāo)為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進給運動,。為此,，要求進給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運動速度，并能精確地進行位置控制,。具體要求其調(diào)速范圍寬,、位移精度高、穩(wěn)定性好,、動態(tài)響應(yīng)快,。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機，進給伺服可細(xì)分為步進伺服,、直流伺服,、交流伺服和直線伺服。

(一)步進伺服系統(tǒng)

步進伺服結(jié)構(gòu)簡單,，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要,，但精度差、能耗高,、速度低,，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于失步,，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設(shè)備改造,。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動,、微步驅(qū)動,、超微步驅(qū)動和混合伺服技術(shù)，使得步進電動機的高,、低頻特性得到了很大的提高,，特別是隨著智能超微步驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平,。

步進伺服是一種用脈沖信號進行控制,，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比,，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速,。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力,。步進電動機每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù),，如500步、1000步,、50 000步等等,，從理論上講其步距誤差不會累計。