引言

以智能制造為引領(lǐng),推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的今天,自動(dòng)化生產(chǎn)成為大勢所趨。伺服電機(jī)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中處于核心地位,正朝著數(shù)字化和智能化的方向不斷發(fā)展。伺服電機(jī)在技術(shù)層面上的創(chuàng)新性,就在于它本身的整合一體化性質(zhì),將驅(qū)動(dòng)裝置、電子元件和控制設(shè)備進(jìn)行充分整合并集中于一體,極大地提升了自動(dòng)化運(yùn)行過程中的處理效率。并且近幾年來,我國在新型材料的研發(fā)工作中取得了突破性的進(jìn)展,結(jié)合了特種材料技術(shù)的伺服電機(jī)在性能方面有著極大的提升空間。筆者在實(shí)際應(yīng)用和系統(tǒng)化的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn),交流伺服電機(jī)未來有著強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?特別是在精度控制要求較高的數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等自動(dòng)化控制設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。下文筆者將對此進(jìn)行詳細(xì)論述。

1交流伺服電機(jī)概述

從性質(zhì)上來看,交流伺服電機(jī)屬于兩相交流電動(dòng)機(jī),組成結(jié)構(gòu)是定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的類型主要有兩種,一是鼠籠型轉(zhuǎn)子,二是非磁性杯型轉(zhuǎn)子。非磁性杯型轉(zhuǎn)子是近年來對鼠籠型轉(zhuǎn)子的改進(jìn),它能夠有效緩解轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中出現(xiàn)抖動(dòng)的情況,加強(qiáng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。但是非磁性杯型轉(zhuǎn)子在實(shí)際應(yīng)用過程中依然存在一定的局限性,首先其內(nèi)部和外部定子之間的氣隙較大,這樣就會(huì)產(chǎn)生非常多的勵(lì)磁電流,從而對伺服電機(jī)的輸出功率和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩造成不良影響:另外,非磁性杯型轉(zhuǎn)子的制造成本較高,制作工藝十分復(fù)雜,在無形中增加了工廠的生產(chǎn)成本。因此,鼠籠型轉(zhuǎn)子依然有著較廣泛的應(yīng)用空間。工廠在兩種轉(zhuǎn)子的選擇上會(huì)綜合生產(chǎn)的實(shí)際情況來進(jìn)行選取。

鼠籠型轉(zhuǎn)子和非磁性杯型轉(zhuǎn)子的運(yùn)作原理是通過空間中的旋轉(zhuǎn)磁場來對轉(zhuǎn)子導(dǎo)條進(jìn)行切割,進(jìn)而產(chǎn)生一定量的感應(yīng)電流,通過電流與旋轉(zhuǎn)磁場間的反應(yīng)來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩合力。在旋轉(zhuǎn)磁場中,轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩位于同一個(gè)方向,這就說明轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場也會(huì)按照同一個(gè)方向來轉(zhuǎn)動(dòng)。

2交流伺服電機(jī)在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用狀況

交流伺服電機(jī)主要可以分為兩類,一是同步電機(jī),二是異步電機(jī)。異步電機(jī)的響應(yīng)速度較快,并且本身的慣量較小,力矩的穩(wěn)定性也非常高,但是其在控制層面顯得較為繁瑣,在未來的發(fā)展中呈現(xiàn)出智能化的趨向,在不同的復(fù)雜環(huán)境中都有著非常出色的性能表現(xiàn)。同步電機(jī)是基礎(chǔ)性的電機(jī),在日常的生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用較為廣泛,其本身具有非常大的功率范圍,慣量相對來說較大,并且在低速運(yùn)行狀態(tài)下有著非常良好的表現(xiàn)。從目前的應(yīng)用狀況來看,大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)都使用同步電機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng),異步電機(jī)在未來依然有著較大的上升空間。

從整體上來看,永磁交流伺服電機(jī)的出現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了交流伺服電機(jī)應(yīng)用層次的提升,與傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)相比,永磁交流伺服電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢更為明顯,其中最為突出的技術(shù)優(yōu)勢就是其準(zhǔn)確的控制精度。一般來說,生產(chǎn)活動(dòng)中比較常用的兩相步進(jìn)電機(jī)的步距角大約為3.5o和1.7o,而永磁交流伺服電機(jī)可以通過在電機(jī)軸后方的旋轉(zhuǎn)編碼器來進(jìn)行精度上的整體控制,這樣就使得控制精度得到了大幅度的提升。此外,永磁交流伺服電機(jī)具有非常強(qiáng)大的低速性能,這是以往的步進(jìn)電機(jī)所無法比擬的特性,步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)作的過程中,時(shí)常會(huì)發(fā)生低頻震動(dòng)的狀況,震動(dòng)頻率可以達(dá)到電機(jī)空載起跳頻率的1/2,這樣就會(huì)給電機(jī)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)帶來很大的負(fù)荷,從而產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。永磁交流伺服電機(jī)在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用了共振抑制的原理,這種設(shè)計(jì)可以對整個(gè)機(jī)械構(gòu)造的共振要點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌管理,極大地提升運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性,因此交流永磁伺服電機(jī)在穩(wěn)定性要求較高的機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中非常受歡迎。

3交流伺服電機(jī)的具體應(yīng)用案例

筆者在這里以精度要求較高的某重型機(jī)械加工設(shè)備一大型數(shù)控銑管床為例,對交流伺服電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用狀況做詳細(xì)論述。該數(shù)控銑管床采用五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的原理,在運(yùn)作過程中采用多軸控制,能夠很好地完成大型元器件中復(fù)雜型曲面的鍛造工作。這種大型銑管床對速度調(diào)節(jié)有著非常高的要求,轉(zhuǎn)速比需要達(dá)到1:3200左右,另外在負(fù)載調(diào)速時(shí)對于轉(zhuǎn)矩輸出的穩(wěn)定性也有著非常高的要求,通過優(yōu)質(zhì)的低速輸出能力和大扭矩保證其運(yùn)轉(zhuǎn)效率?，F(xiàn)階段,國內(nèi)對此設(shè)備的生產(chǎn)能力較弱,無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn),更多地依賴從國外進(jìn)口。如果能夠在這種大型設(shè)備的生產(chǎn)研發(fā)上實(shí)現(xiàn)突破,使其能夠批量化進(jìn)行生產(chǎn),那么對我國工業(yè)生產(chǎn)效率的提升會(huì)有極大的幫助。通過交流伺服電機(jī)的結(jié)合應(yīng)用能夠有效地解決生產(chǎn)制造過程中的難題。

某種落地式銑管床采用的是某公司新研發(fā)生產(chǎn)的一種新型交流伺服電機(jī),這種電機(jī)的最大特點(diǎn)就是在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的全數(shù)字化,并且本身具有非常強(qiáng)大的過載能力和速度調(diào)節(jié)能力,對于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能夠做到很好的解耦獨(dú)立控制。從具體數(shù)據(jù)來看,這種交流伺服電機(jī)能夠?qū)⑺俣瓤刂圃?~550Hz范圍之內(nèi),精度控制標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到0.02Hz左右。同時(shí)針對數(shù)控銑管床在運(yùn)作過程中起落現(xiàn)象頻生的問題,其對于速度波形的控制精度做了很大程度的優(yōu)化,即使在加工工作中頻繁起落,也不會(huì)引起速度波形的大規(guī)模波動(dòng)。在額定轉(zhuǎn)速下,其超額輸出額定轉(zhuǎn)矩能力可以達(dá)到200%左右,與一般變頻器所產(chǎn)生的工作曲線有很大程度上的不同,這樣就保證了其在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下也能夠維持機(jī)器運(yùn)作的平穩(wěn)。其具體的參數(shù)說明如表1所示。

從表1中的具體參數(shù)要求中我們可以看出,通過這種全數(shù)字化交流伺服電機(jī)的應(yīng)用,能夠全面滿足數(shù)控銑管床的相關(guān)要求,同時(shí)還能夠使設(shè)備的整體工作效率、工作穩(wěn)定性和控制精度得到全面提升。交流伺服電機(jī)在重型設(shè)備中的應(yīng)用,可以使重型設(shè)備在啟用時(shí)減少震蕩,使設(shè)備超負(fù)載能力得到最大限度的提高,在重型機(jī)械設(shè)備中具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。

4交流伺服電機(jī)的未來發(fā)展展望

現(xiàn)階段,交流伺服電機(jī)技術(shù)在我國的發(fā)展仍未到十分成熟的階段,隨著技術(shù)的不斷突破,交流伺服電機(jī)依然有著非常廣闊的發(fā)展前景,特別是目前我國提出了"中國制造2025",智能制造工程引人矚目,而伺服電機(jī)是數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等智能制造設(shè)備的重要器件。從分析研究來看,交流伺服電機(jī)在未來的發(fā)展方向主要有兩個(gè)方面。一是性能的持續(xù)優(yōu)化。從現(xiàn)在來看,交流伺服電機(jī)在性能方面依然有著非常大的提升空間,通過百萬級脈沖的高精度編碼器能夠全面提升交流伺服電機(jī)的性能,這也是未來相關(guān)人員研究的重點(diǎn)方向之一。二是模塊化發(fā)展趨向。模塊構(gòu)造的理念將在交流伺服電機(jī)的制造方面成為主導(dǎo)性理念,整個(gè)交流伺服電機(jī)的模塊組成主要有驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊以及通信模塊等,通過軟件和硬件的模塊化處理,能夠使整個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)能力得到全面的優(yōu)化提升。目前,相關(guān)研究人員正加緊對此進(jìn)行研發(fā),旨在于未來實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的全數(shù)字化模塊建設(shè)。