题目：交流伺服马达在轻工业中的应用技术研究
学科（专业）：电气工程及其自动化
申请人：XXX
指导教师：XXX
摘 要
随着工业的进程，伺服电机在工业中的应用呈指数级数发展，工业市场竞争日益激烈，对于高科技，高精度的产品靠人力做工完成时代已一去不返。加工行业靠全靠人力完成的利润非常微薄。在开发一台能够代替人力的工业设备系统时，既要考虑运行效率、使用的便利性和安全性，又要兼顾生产成本。本文研究了用一台时光伺服电机在吹膜机系统改造时的设计方法，以达到节约成本提高生产效益的目的。
论文详细叙述了伺服电机的发展、工作原理和控制控制器系统的主要部件的功能和工作原理，确定了用一台时光伺服电机在吹膜机系统改造时方案。
论文简介了伺服控制系统的原理及基本功能，并根据这些功能成功的改造一台吹膜机系统。论文讨论了对吹膜机运行的要求，研究了改造可行方案，并依据该改造方案对该吹膜机进行改造，达到高效、节能的目的。
关键词：伺服电机 吹膜机
目 录
附录
第1 章 概述
1.1伺服电机分类及发展历程
1.2国内伺服电机的发展情况
第2章 伺服控制器
2.1伺服控制器简介
2.2通用变频器和伺服控制器的主要区别
第3章 伺服电机原理（举例说明）
3.1全电动注塑机电控原理
3.2伺服电机结构以及工作原理
第4章 伺服电机和步进电机的区别
4.1控制精度方面的差异
4.2低频特性的不同
4.3矩阵特性以及过载能力的高低
4.4运行性能以及速度响应性能的区别
第5章 伺服电机的应用
5.1伺服控制在吹膜机改造上的应用
5.1.1项目介绍
5.1.2项目解决方案
5.1.3项目改造效果
5.1.4项目总结
致 谢
参考文献
第1章 概述
1.1伺服电机分类及发展历程
伺服电机可分为直流和交流伺服电机两大类，交流伺服电机要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服式梯形波。但直流伺服电机比较简单，便宜。直流伺服电机
分有刷和无刷电机。有刷电机成本低结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求；因此它可用于成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积下，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中常用的就是同步伺服电机，它的功率很大可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳的运动控制。伺服电机内部是永久磁铁，驱动器控制的U V W三相电形成为磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值和目标值进行比较，调整转子转动的角度，伺服电机的精度取决于编码器的精度。
1.2 国内伺服电机的发展情况
近年来，中国从制造工业大国正向制造业强国发展，伺服电机之中国由于国家队制造设备及其技术工作的重视，随着全数字交流永磁伺服系统的性能价格比逐步提高，交流伺服电机作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增长，近5年内其应用前景将十分可观。交流永磁有刷电机和逐渐成为自1990年以前由于技术成本等原因，国内伺服电机以直流永磁有刷电机和步进电机为主，而且主要集中在机床和国防军工业。中国在1990年后进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国，此期间得益于稀土永磁材料的发展，电力电子及微电子技术的进步，交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过度到全数字式。由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，产品生成的一致性可靠性增加，同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如自动增益调整，网络通讯功能等，大大拓展了交流伺服电机的应用领域；另外随着各行
业，如机床，印刷设备，包装设备，纺织设备等，对工艺精度，加工效率和工作可靠性等要求不断提高，这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长，交流伺服将逐步替代原有直流有刷电机和步进电机。
中国近年来，华中数控，广州数控，航天数控，兰州电机等的伺服驱动器及电机产品已相继进入产业化阶段，但还主要是集中在数控行业，功率规格在400w以上。没有针对整个自动化控制行业形成全系列规格标准产品。由于中国为制造大国，除数控机床行业外，其他行业对各种伺服电机需求量逐年增长，为此，国外伺服端机生产商陆续计划已经在国内设置独资工厂，利用本地资源和廉价劳动力，批量趁此各种规格的通用型伺服电机产品。
中国在国内伺服电机的设计生成技术已趋于完善，目前主要是朝标准化，系列化，规模化方向发展，只有一点规模才能有高可靠性的价格低廉而富有竞争力的产品。但国内伺服电机的全数字驱动技术还比较落后，主要局限于欠缺实用电机数字控制算法和高可靠的功率。
第2章 伺服控制器
2.1伺服控制器简介
伺服控制器是用来控制伺服马达的一种器件，一般是通过位置，速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位。从结构上看，伺服控制器和变频器差不多，但对于元器件的要求精度和可靠性更高。目前主流的伺服控制器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化，网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过压，过电流，过热，欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软
启动电路，以减小启动过程中对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相或者市电进行整流。得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单说是AC-DC-AC的过程。整流单元AC-DC主要的拓扑电路时三相全桥不控流电路。
伺服控制器也就是伺服系统的核心，它的精度决定了伺服控制系统的整体精度。
2.2通用变频器和伺服控制器的主要区别
通用变频器和伺服控制器主要区别一下几点：
2.2.1伺服控制器通过自动化接口可很方便地进行操作模块和现场总线模块的转换，同时使用不同的现场总线模块实现不同的控制模式（RS232.RS485光纤，interbus）。而通过变频器的控制方式比较单一。
2.2.2伺服控制器直接连接旋转变压器或编码器，结构速度，位移控制闭环。而通过变频器只能组成开环控制系统。
2.2.3伺服控制器的各项控制指标（如稳态精度和动态性能等）优于通用变频器。
第3章 伺服电机原理（举例说明）
3.1全电动注塑机电控原理(附图片1)
伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把伺服机构当个得心应手的驯服工具，
服从控制信号的要求动作。在讯号来到之前，转子静止不动，讯号来到之后转子立刻转到：当讯号消失，转子能即时自行停转。由于伺服性能，因此得名。
伺服系统：是使物体位置，方位，状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务就是按照控制命令要求对功率进行放大，变换与调整等处理，使驱动装置输出力矩，速度和位置控制的非常灵活方便。
图1：全电动注塑机电控原理图
伺服电机：伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把手收集到的电信号转换成电动机轴上的角位移或者交速度输出。其主要特点是当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而急剧下降。
伺服电机的优点： 大扭力，控制简单，装配灵活。
3.伺服电机结构：一个伺服电机内部包括一个直流电机，一组变速齿轮组：一个反馈可调电位器;及一块电子控制板。其中，高速转动的电机提供了原始动力，带动变速齿轮组，使之产生高扭力输出，齿轮组的变速比越大伺服电机的输出扭力也就越大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也越低。
伺服电机的工作原理：伺服电机是一个典型的闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端带动一个线性比例电位器作为主检测，该电位器吧转角坐标转换成一比例电压反馈给控制电路板，控制线路板将其与输入的脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或者反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0。从而达到使伺服电机精确定位的目的。
第4章 伺服电机与步进电机的区别
4.1控制精度方面的差异
两相混合式步进电机步距角一般为3.6度，1.8度，五相混合式步进电机步距角一般稳0.72度，0.36度。也有一些高性能的步进电机步进角更小，如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其中步距角为0.09度；德国百格拉公司生产的三相混合式步进电机其中歩距可通过拨码开关来设置为1.8度，0.9度，0,72度，0.36度。0.18度，0.09度，0.072度。0.036度，兼容了两相和五相混合式步进电机的步进角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服马达为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍技术，其中脉冲当量为360度\\10000=0.036，对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转动一周，即其脉冲当量为360度\\131072=9.89秒。是步进角为1.8度的步进电机的脉冲当量的1/655
4.2矩阵特性以及过载能力的高低
步进电机的输出力矩随着转速升高而降低，且在较高速运转时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300-600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速(一般为2000-3000rpm)以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
步进电机一般不具备过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大的转矩为额定转矩的三倍，可用于客服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型的时候为了
客服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费现象。
4.3运行性能以及速度响应性能的区别
步进电机的控制为开环控制，启动频率过高负载过大易出现丢步或者堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象，所以为例保证其控制精度，应处理好升降问题，交流伺服电机驱动系统为闭环控制，驱动器壳直接对电机编码器反馈的信号进行采样，内部构成的位置环合速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲现象，控制性能更可靠。
步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200-400毫秒。交流伺服电机的加速性能较好，以松下MSMA400w交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000rpm仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
第5章 伺服电机的应用
5.1时光伺服电机在吹膜机螺旋挤出电机系统中应用
5.1.1项目介绍 由于塑料加工行业生产的规模化和生产工艺日益的提高，原有的塑料加工机械已经无法满足客户的需求，因此有我公司和国内某塑料机械生产企业合作，针对他们原有的塑料吹膜机械进行了改造，提高该机械的技术含量和产品的竞争力，以此来满足客户日益提高的要求。螺旋挤出机械对电机系统的要求是低转速、大扭矩输出。然而，目前螺旋挤出机械普遍采用的电机系统是由电机、变频器及减速机构组成，存在效率低、调速范围小、耗电大、在负载变化是响应不够快导致吹出的膜厚度不均、减速机构的定期维护工作繁琐以及在生产过程中减速机构润滑油泄漏造成工作环境较脏等缺点。时光
科技有限公司采用交流异步电机的伺服控制技术，对塑料吹膜机的螺旋挤出电机系统进行了改造，弥补了以上的不足，为此类机械的产品升级换代提供了一种创新的思路和解决方案
5.1.2解决方案 时光伺服电机系统采用低速、大扭矩电机和时光伺服控制器取代原有的电机和变频器，取消了原有传动机构中的减速机，使系统机械结构得到简化，并且弥补了上述的不足，使得新型的机械无论在技术含量和加工工艺都有了长足的进步，不仅满足了客户的要求，而且在节能、机械维护的简化、工作环境的改善等方面也有了很大的提高，提高了产品的竞争力。
5.1.3 项目改造效果 塑料螺旋挤出机械的主轴转速较低，一般在0～160rpm左右。使用普通电机，需要1:10以上的减速机构。时光公司特别研发的低速大扭矩电机采用增加电机极数、降低电机基频的方法，使电机的额定转速降到200rpm以下，而电机的输出转矩大幅度提高，因而可以减小或取消减速机。为防止故障堵转损坏电机，保留了一级皮带或链条传动。 变频器调速在电机的基频点是效率和输出转矩的最高点，根据其特征曲线，在基频以下输出转矩和效率都在下降，因此为在低速时保证足够的输出转矩，必须加大电机功率。而时光伺服控制器在电机基频以下保持恒转矩输出，具有三倍额定以上转矩的过载能力。因而时光的伺服控制系统可以以较低的额定转速到零转速之间都保证输出转矩不小于额定转矩。根据变频器控制低速时电机的转矩下降曲线，伺服控制器可以将电机功率减小到变频控制的1/2～2/5。 如果使用变频器驱动低速大扭矩电机，由于其调速范围小，低速转矩足，在低频时工作状态不良。在低于8Hz的情况下，力矩明显不足。时光伺服控制器具有0～400Hz的调速范围，且低频力矩特性良好，可在低速时平稳精确的控制电机。对于吹膜机等对薄膜厚度有严格要求的设备，可以精确控制电机，与变频器相比具有很大的技术优势。
5.1.4项目总结：经济及社会效益分析 通过广泛比较，时光伺服控制系统的成本与所取代的系统成本基本持平或略高。 由于取消了减速机，节约了钢铁材料、减少了铸造和机加工工序、减化了安装调试过程、降低了机械的维护成本。 节约能源，节电率达30-40%，节电的费用对于产品的最终用户有较大的吸引力。按上述改造案例进行成本分析，电机功率减小7.5kw，按耗电量减5kw计算，每小时5度（kwh）电，一天节电120度（此类机械需要预加热过程，故连续生产最为经济）。按工业用电0.75元/度计算，一天节电费用90元；一个月按25天计算，每月节电费用2250元。一个月的节电费用已完全可以收回因采用伺服控制的电机系统所增加的成本，以后的节电费用便可以大大降低用户的生产成本。
参考文献
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[5]《伺服与运动控制系统设计》，田宇，2010.5
[6]《现代永磁电动机交流伺服系统》，郭庆鼎，2006-08
[7]《步进电动机伺服控制技术》，史敬灼 ， 2006-7-1
[8]《交流伺服电机及其控制》，机械工业，寇宝泉，程树康，2010-02-18
[9]《伺服电机应用技术》，颜嘉男，2010-4-1
[10]《伺服系统》，敖荣庆;袁坤，2006-9-29
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