CN104811101A - 基于位置反馈结构的交流伺服电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于位置反馈结构的交流伺服电机，其机轴与机床工作台的丝杠直接连接，带动机床工作台的丝杠运动；速度和位置检测装置与交流伺服电机同轴连接，速度和位置检测装置包括速度检测器和位置检测器，其中位置检测器直接测出交流伺服电机的机轴旋转的角位移；速度检测器的检测信号通过速度反馈装置反馈给速度伺服机构；位置检测器的检测信号通过位置反馈装置反馈给位置调节机构；还包括误差检测装置，用于检测机床工作台的实际位移量并将检测信号送入与存储器和数控机床连接的误差补偿装置；存储器内预先存储误差补偿值，数控机床根据实际位移量与误差补偿值对控制指令进行修正以减小实际位置误差。

Description

基于位置反馈结构的交流伺服电机

技术领域

本发明涉及到基于位置反馈结构的交流伺服电机，属于控制调节系统领域。

背景技术

位置伺服系统作为一种具有足够的位置控制精度、位置跟踪精度和足够快的跟踪速度的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造，办公自动化设备、雷达和各种军用武器隧洞系统以及柔性制造系统等等。位置伺服系统包括机械执行机构和电器自动控制两大组成部分。例如一个数控机床的进给驱动位置伺服系统的机械执行机构常包括工作台或刀架、滚珠丝杠、导轨和减速齿轮等等，电气自动控制部分则包括交流或直流伺服电机、驱动功率放大器、反馈检测传感器和控制调节器等等。

长久以来直流伺服电机由于转矩大、转子的转动惯量小，能够获得大的加速度，得到了广泛的应用。但是直流伺服电机的维护要求相当高，由于电机转子绕组产生的热量相当大，会使线圈本身和绝缘的温度升高，线圈温度升高会使端子间的电阻增大，由此造成电机的机械时间常数降低，性能变坏；而且温度升高会使绝缘材料的绝缘性能降低。另外，直流电机利用电刷和换向器进行电流的换向，电刷和换向器之间是滑动接触，两者之间产生火花并有磨损，因此换向器表面和电刷都需要维护保养。实际应用中一台机器往往包含许多个电机，使用很多机械结构，如果每台电机都需要保养维护，故障率大大增加。另外对于组装以后很难拆卸的机械设备来说，从机械上取下发生故障或需要维修的电机往往非常困难。

交流伺服电机相对于直流伺服电机来说最大的优点是无刷化。与直流伺服电机相比，交流伺服电机中的转子和定子的电气作用是相反的，直流伺服电机中产生力矩的磁场磁通是静止的，而交流伺服电机中磁场和转子一起旋转。另外，电枢即为了产生力矩流过电流的绕组在直流伺服电机中是旋转的，在交流伺服电机中则是定子不动。

传统的交流伺服电机属于现有技术，例如在文献CN202004556U中公开了一种新型三相交流伺服电机，包括波形弹簧垫、前轴承、前端盖、机座、有绕组定子铁心、转子轭、轴、接线盒、后轴承、旋转变压器(定转子)、旋转变压器压板、后端盖、旋转变压器紧固套、旋转变压器盖、轴流风机组成；有绕组定子铁心安装在机座内成为定子，转子轭安装在电机轴上成为转子，前端盖、后端盖与定子连接固定成电机壳体，转子由前后轴承组件支撑安装在电机壳体内，旋转变压器(转子)固定在转子的非轴伸端上，旋转变压器(定子)固定在后端盖上，用旋转变压器盖防护固定在后端盖上，轴流风机固定在后端盖上，前轴承组件与前端盖间设置波形弹簧垫，定子上面通过螺栓连接接线盒，电机轴伸端伸出前端盖，在轴伸端键槽中安装键。所述定子绕组采用正弦绕组，具有基波分布系数高和谐波含量低的特点，有助于降低损耗，提高电机效率，降低噪声。所述转子为转子冲片叠压而成，转子冲片为硅钢片制成，在冲片上设有大小相同且均匀分布的若干通孔，用以通风冷却，减少转子的发热量，转子表面粘贴有瓦片形高性能钕铁硼永磁磁钢，抗去磁能力强，并用无纬带均匀绑扎，防止磁性材料脱落。该三相交流伺服电机的定子绕组采用正弦绕组，转子冲片为硅钢片制成，冲片上设有大小相同且均匀分布的若干通孔，转子表面粘有高性能的永磁体，定子、转子损耗小，电机噪声低、效率高，功率密度大，在相同的电机体积下，可输出更大转矩；与同功率的普通电机相比，具有体积小，重量轻，具有较高的过载能力，功率因数高；与伺服控制系统配套使用，调速方便正确，达到高效节能、降低噪声的目的。

文献CN102403948A公开了一种电动汽车用永磁交流伺服电机及其控制器，包括电机和控制器两个相对独立的机械部件，电机和控制器通过电缆线进行电气连接。电机采用永磁交流伺服电机，电机的部件有轴承、动力输出轴、密封圈、前端盖、电机转子、不锈钢转子套、外壳、定子、后端盖、电缆接口、增量型光电编码器、编码器室盖。动力输出轴与电机转子固定在一起，并用轴承分别支撑在前后端盖上，前后端盖与外壳、定子、编码器室盖固定在一起，前端盖上安装有密封圈，后端盖上安装有电缆线接口。永磁交流伺服电机转子磁钢外圈装有不锈钢套，在电机的后端部安装有与电机同轴的转子位置传感器。该传感器为增量型编码器，有U、V、W和A、B、Z六路差动信号电路，其将转子位置传送给控制器。控制器由机壳、散热器、动力输入输出接口、编码器信号及操作输入信号和输出信号接口、控制板、驱动板、三个大功率IGBT对管模块、三个霍尔电流传感器组成。散热器固定在机壳上，控制板、驱动板、IGBT对管模块和电流传感器固定在散热器上，控制板和驱动板通过排针排座上下电连接。控制器的电路部分由控制板、驱动板、三个大功率IGBT对管模块、三个霍尔电流传感器组成并顺序进行电连接。控制板上的电路包括低压电源电路、操作输入信号电路、电流检测电路、异常检测电路、电机编码器检测电路、CAN通信电路、单片机和存储电路、输出电路、驱动输出电路，它们按照工作原理顺序电连接。其中，操作输入信号电路、电流检测电路、异常检测电路、电机编码器检测电路的输出与单片机的输入口线电连接，单片机的输出口线与输出电路、驱动输出电路电连接，驱动输出电路的输出与驱动板上的驱动电路电连接，低压电源电路给控制板上的各电路提供电源。驱动板15上的电路包括高压电源电路、功率电路的前级驱动电路、异常处理和保护电路，它们按照工作原理顺序电连接。其中，驱动电路的输出与IGBT对管模块电连接，异常处理和保护电路检测电机温度、驱动板温度和电压、霍尔电流传感器，其输出与功率电路的前级驱动电路和控制板上的异常检测电路电连接，高压电源电路给控制板和驱动板提供电源。控制板的单片机中固化有工作程序，通过程序和硬件电路，形成数字PMSM正弦波正交矢量控制信号，最终由驱动板驱动三个大功率IGBT对管模块，使永磁交流伺服电机根据操作输入信号的要求运转。

传统的交流伺服电机存在着转速不平稳的问题，容易影响加工精度，还会造成加快传动装置的磨损，并且位置定位不够准确，不能满足定位精度。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出一种基于位置反馈结构的交流伺服电机控制系统。

根据本发明的第一方面，本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，该交流伺服电机的机轴与机床工作台的丝杠直接连接，交流伺服电机的机轴旋转带动机床工作台的丝杠运动并由此形成机床工作台的运动；速度和位置检测装置与交流伺服电机同轴连接，速度和位置检测装置包括速度检测器和位置检测器，其中位置检测器直接测出交流伺服电机的机轴旋转的角位移；速度检测器采用测速发电机或脉冲编码器或高分辨率光电编码器；速度检测器的检测信号通过速度反馈装置反馈给速度伺服机构；位置检测器的检测信号通过位置反馈装置反馈给位置调节机构；还包括与机床工作台连接的误差检测装置，该误差检测装置用于检测机床工作台的实际位移量；误差检测装置检测到的机床工作台的实际位移量信号送入误差补偿装置；该误差补偿装置与存储器连接，同时该误差补偿装置与数控机床的控制系统连接；该存储器内预先存储误差补偿值，数控机床的控制系统根据误差补偿装置内的实际位移量与存储器内预先存储的误差补偿值对控制指令进行修正以减小实际位置误差；位置调节机构基于数控机床发出的已经经过误差修正的指令信号以及位置反馈装置的反馈信号输出位移脉冲信号；速度伺服机构基于数控机床发出的指令信号以及速度反馈装置的反馈信号直接驱动该交流伺服电机。

根据本发明的第二方面，本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机的速度伺服机构的频率响应为100Hz以上，速度控制范围为1:1000以上，转动不均匀度小于6%。

根据本发明的第三方面，本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，其存储器内预先存储的误差补偿值包括节距误差补偿值和反转误差补偿值。

根据本发明的第四方面，本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，其节距误差补偿值是指按照丝杠的每一个节距，预先把测量的实际位移量与位置检测器的检测信号所代表的位移量之间的误差值测出来，根据控制要求均匀取出上述误差值作为误差补偿值存入存储器，在交流伺服电机驱动机床工作台运动的过程中取出相应的节距误差补偿值对数控机床发出的控制指令进行修正以减小或消除实际位置误差。

根据本发明的第五方面，本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，其反转误差补偿值是指当机床工作台运动的方向改变时，由于丝杠与丝杠螺母之间的传动间隙，为了使工作台反向运动，电机必须在反转时首先带动丝杠空转一个角度，才能使丝杠与螺母贴合驱动工作台，从而使得工作台反向运动时的实际位移量小于指令值，产生反转误差；这种由传动间隙引起的反转误差在整个行程范围内是一定的，在工作台运动方向发生改变时，在指令值中附加上相当于间隙量的补偿指令，能够有效的消除反转误差。

根据本发明的第六方面，本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机的位置控制精度达到微米数量级。

根据本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，由于该交流伺服电机的机轴与机床工作台的丝杠直接连接，不需要为了保证低速性能和增大力矩而添置减速齿轮，从而使传动链误差和非线性误差（例如齿轮间隙）大大减小，在机床导轨几何精度和润滑良好的情况下，可以达到微米量级的位置控制精度。由于非线性因素少，容易整定，可以方便地通过补偿来提高位置控制精度，执行机构与电气控制部分相对独立，使得系统响应快，跟踪误差小，误差补偿部分只用于稳态误差补偿，位置增益可以选得比较低从而保证系统的稳定性。

附图说明

图1为本申请所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机的整体示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机SM的机轴与机床工作台1的丝杠直接连接，交流伺服电机SM的机轴旋转带动机床工作台1的丝杠运动并由此形成机床工作台1的运动；速度和位置检测装置A与交流伺服电机SM同轴连接，速度和位置检测装置A包括速度检测器和位置检测器，其中位置检测器直接测出交流伺服电机SM的机轴旋转的角位移；速度检测器采用测速发电机或脉冲编码器或高分辨率光电编码器；速度检测器的检测信号通过速度反馈装置3反馈给速度伺服机构2；位置检测器的检测信号通过位置反馈装置4反馈给位置调节机构5；还包括与机床工作台连接的误差检测装置B，该误差检测装置B用于检测机床工作台1的实际位移量；误差检测装置B检测到的机床工作台的实际位移量信号送入误差补偿装置6；该误差补偿装置6与存储器7连接，同时该误差补偿装置6与数控机床8的控制系统连接；该存储器7内预先存储误差补偿值，数控机床8的控制系统根据误差补偿装置内的实际位移量与存储器内预先存储的误差补偿值对控制指令进行修正以减小实际位置误差；位置调节机构5基于数控机床8发出的已经经过误差修正的指令信号以及位置反馈装置4的反馈信号输出位移脉冲信号；速度伺服机构2基于数控机床8发出的指令信号以及速度反馈装置3的反馈信号直接驱动该交流伺服电机SM。

速度伺服机构2的频率响应为100Hz以上，速度控制范围为1:1000以上，转动不均匀度小于6%。

前面所述的存储器7内预先存储的误差补偿值包括节距误差补偿值和反转误差补偿值。节距误差补偿值是指按照丝杠的每一个节距，预先把误差检测装置B测量的实际位移量（该实际位移量指的是机床工作台1的实际位移量）与位置检测器的检测信号所代表的位移量（该位移量指的是根据交流伺服电机SM的机轴的角位移计算得出的位移量）之间的误差值测出来，根据控制要求均匀取出上述误差值作为误差补偿值存入存储器，在交流伺服电机驱动机床工作台运动的过程中取出相应的节距误差补偿值对数控机床发出的控制指令进行修正以减小或消除实际位置误差。

反转误差补偿值是指当机床工作台1运动的方向改变时，由于丝杠与丝杠螺母之间的传动间隙，为了使工作台1反向运动，电机SM必须在反转时首先带动丝杠空转一个角度，才能使丝杠与螺母贴合驱动工作台，从而使得工作台1反向运动时的实际位移量小于指令值，产生反转误差；这种由传动间隙引起的反转误差在整个行程范围内是一定的，在工作台运动方向发生改变时，在指令值中附加上相当于间隙量的补偿指令，能够有效的消除反转误差。

根据本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，由于该交流伺服电机的机轴与机床工作台的丝杠直接连接，不需要为了保证低速性能和增大力矩而添置减速齿轮，从而使传动链误差和非线性误差（例如齿轮间隙）大大减小，在机床导轨几何精度和润滑良好的情况下，可以达到微米量级的位置控制精度。由于非线性因素少，容易整定，可以方便地通过补偿来提高位置控制精度，执行机构与电气控制部分相对独立，使得系统响应快，跟踪误差小，误差补偿部分只用于稳态误差补偿，位置增益可以选得比较低从而保证系统的稳定性。本发明所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机的位置控制精度达到微米数量级。

本发明的结构和安装方法已经参考示意性工艺图进行了说明和解释。基于上面的描述，附加的变型和修改对本领域普通技术人员来说是显而易见的，均落入本申请的保护范围之内，并且本发明的保护范围是由所附的权利要求来确定的。

Claims (6)

1.一种基于位置反馈结构的交流伺服电机，其特征在于，该交流伺服电机的机轴与机床工作台的丝杠直接连接，交流伺服电机的机轴旋转带动机床工作台的丝杠运动并由此形成机床工作台的运动；速度和位置检测装置与交流伺服电机同轴连接，速度和位置检测装置包括速度检测器和位置检测器，其中位置检测器直接测出交流伺服电机的机轴旋转的角位移；速度检测器采用测速发电机或脉冲编码器或高分辨率光电编码器；速度检测器的检测信号通过速度反馈装置反馈给速度伺服机构；位置检测器的检测信号通过位置反馈装置反馈给位置调节机构；还包括与机床工作台连接的误差检测装置，该误差检测装置用于检测机床工作台的实际位移量；误差检测装置检测到的机床工作台的实际位移量信号送入误差补偿装置；该误差补偿装置与存储器连接，同时该误差补偿装置与数控机床的控制系统连接；该存储器内预先存储误差补偿值，数控机床的控制系统根据误差补偿装置内的实际位移量与存储器内预先存储的误差补偿值对控制指令进行修正以减小实际位置误差；位置调节机构基于数控机床发出的已经经过误差修正的指令信号以及位置反馈装置的反馈信号输出位移脉冲信号；速度伺服机构基于数控机床发出的指令信号以及速度反馈装置的反馈信号直接驱动该交流伺服电机。

2.如权利要求1所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，其特征在于，所述的速度伺服机构的频率响应为100Hz以上，速度控制范围为1:1000以上，转动不均匀度小于6%。

3.如权利要求2所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，其特征在于，所述的存储器内预先存储的误差补偿值包括节距误差补偿值和反转误差补偿值。

4.如权利要求3所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，其特征在于，所述的节距误差补偿值是指按照丝杠的每一个节距，预先把测量的实际位移量与位置检测器的检测信号所代表的位移量之间的误差值测出来，根据控制要求均匀取出上述误差值作为误差补偿值存入存储器，在交流伺服电机驱动机床工作台运动的过程中取出相应的节距误差补偿值对数控机床发出的控制指令进行修正以减小或消除实际位置误差。

5.如权利要求3所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，其特征在于，所述的反转误差补偿值是指当机床工作台运动的方向改变时，由于丝杠与丝杠螺母之间的传动间隙，为了使工作台反向运动，电机必须在反转时首先带动丝杠空转一个角度，才能使丝杠与螺母贴合驱动工作台，从而使得工作台反向运动时的实际位移量小于指令值，产生反转误差；这种由传动间隙引起的反转误差在整个行程范围内是一定的，在工作台运动方向发生改变时，在指令值中附加上相当于间隙量的补偿指令，能够有效的消除反转误差。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于位置反馈结构的交流伺服电机，其特征在于，该交流伺服电机的位置控制精度达到微米数量级。