引言

以智能制造為引領(lǐng),推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的今天,自動化生產(chǎn)成為大勢所趨。伺服電機在自動化控制系統(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)動裝置、電子元件和控制設(shè)備進行充分整合并集中于一體,極大地提升了自動化運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展,結(jié)合了特種材料技術(shù)的伺服電機在性能方面有著極大的提升空間。筆者在實際應(yīng)用和系統(tǒng)化的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn),交流伺服電機未來有著強大的發(fā)展?jié)摿?特別是在精度控制要求較高的數(shù)控機床、工業(yè)機器人等自動化控制設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。下文筆者將對此進行詳細論述。

1交流伺服電機概述

從性質(zhì)上來看,交流伺服電機屬于兩相交流電動機,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,它能夠有效緩解轉(zhuǎn)子在運行過程中出現(xiàn)抖動的情況,加強電機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。但是非磁性杯型轉(zhuǎn)子在實際應(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,這樣就會產(chǎn)生非常多的勵磁電流,從而對伺服電機的輸出功率和啟動轉(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)子的選擇上會綜合生產(chǎn)的實際情況來進行選取。

鼠籠型轉(zhuǎn)子和非磁性杯型轉(zhuǎn)子的運作原理是通過空間中的旋轉(zhuǎn)磁場來對轉(zhuǎn)子導條進行切割,進而產(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)矩位于同一個方向,這就說明轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場也會按照同一個方向來轉(zhuǎn)動。

2交流伺服電機在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用狀況

交流伺服電機主要可以分為兩類,一是同步電機,二是異步電機。異步電機的響應(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)。同步電機是基礎(chǔ)性的電機,在日常的生產(chǎn)活動中應(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)都使用同步電機進行生產(chǎn)活動,異步電機在未來依然有著較大的上升空間。

從整體上來看,永磁交流伺服電機的出現(xiàn)進一步推動了交流伺服電機應(yīng)用層次的提升,與傳統(tǒng)的步進電機相比,永磁交流伺服電機的技術(shù)優(yōu)勢更為明顯,其中最為突出的技術(shù)優(yōu)勢就是其準確的控制精度。一般來說,生產(chǎn)活動中比較常用的兩相步進電機的步距角大約為3.5o和1.7o,而永磁交流伺服電機可以通過在電機軸后方的旋轉(zhuǎn)編碼器來進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,永磁交流伺服電機具有非常強大的低速性能,這是以往的步進電機所無法比擬的特性,步進電機在運作的過程中,時常會發(fā)生低頻震動的狀況,震動頻率可以達到電機空載起跳頻率的1/2,這樣就會給電機的整體運轉(zhuǎn)帶來很大的負荷,從而產(chǎn)生很大的負面影響。永磁交流伺服電機在系統(tǒng)的設(shè)計上采用了共振抑制的原理,這種設(shè)計可以對整個機械構(gòu)造的共振要點進行統(tǒng)籌管理,極大地提升運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性,因此交流永磁伺服電機在穩(wěn)定性要求較高的機械自動化系統(tǒng)中非常受歡迎。

3交流伺服電機的具體應(yīng)用案例

筆者在這里以精度要求較高的某重型機械加工設(shè)備一大型數(shù)控銑管床為例,對交流伺服電機的實際應(yīng)用狀況做詳細論述。該數(shù)控銑管床采用五坐標聯(lián)動的原理,在運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)速比需要達到1:3200左右,另外在負載調(diào)速時對于轉(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轉(zhuǎn)效率。現(xiàn)階段,國內(nèi)對此設(shè)備的生產(chǎn)能力較弱,無法實現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn),更多地依賴從國外進口。如果能夠在這種大型設(shè)備的生產(chǎn)研發(fā)上實現(xiàn)突破,使其能夠批量化進行生產(chǎn),那么對我國工業(yè)生產(chǎn)效率的提升會有極大的幫助。通過交流伺服電機的結(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,這種電機的最大特點就是在運轉(zhuǎn)過程中的全數(shù)字化,并且本身具有非常強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立控制。從具體數(shù)據(jù)來看,這種交流伺服電機能夠?qū)⑺俣瓤刂圃?~550Hz范圍之內(nèi),精度控制標準可以達到0.02Hz左右。同時針對數(shù)控銑管床在運作過程中起落現(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,也不會引起速度波形的大規(guī)模波動。在額定轉(zhuǎn)速下,其超額輸出額定轉(zhuǎn)矩能力可以達到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荷運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下也能夠維持機器運作的平穩(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)字化交流伺服電機的應(yīng)用,能夠全面滿足數(shù)控銑管床的相關(guān)要求,同時還能夠使設(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。交流伺服電機在重型設(shè)備中的應(yīng)用,可以使重型設(shè)備在啟用時減少震蕩,使設(shè)備超負載能力得到最大限度的提高,在重型機械設(shè)備中具有非常高的應(yīng)用價值。

4交流伺服電機的未來發(fā)展展望

現(xiàn)階段,交流伺服電機技術(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,而伺服電機是數(shù)控機床、工業(yè)機器人等智能制造設(shè)備的重要器件。從分析研究來看,交流伺服電機在未來的發(fā)展方向主要有兩個方面。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的性能,這也是未來相關(guān)人員研究的重點方向之一。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的制造方面成為主導性理念,整個交流伺服電機的模塊組成主要有驅(qū)動模塊、電源模塊以及通信模塊等,通過軟件和硬件的模塊化處理,能夠使整個電機的運轉(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行研發(fā),旨在于未來實現(xiàn)交流伺服電機的全數(shù)字化模塊建設(shè)。