西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0规格齐全

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直流伺服系统

直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。

然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。

（三）交流伺服系统

针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。

目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统
。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。

交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

（四）直线伺服系统

直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive），与传统的旋转传动方式相比，*大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。

直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床，快移速度达100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德国DMG公司与日本MAZAK公司*具代表性。2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多台，约占总产量的1/3。而MAZAK公司*近也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴*高转0000r/min，快移速度500m/min，加速度6g。所有这些，都标志着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床，并在使用中逐步占据主导地位。

四、主轴伺服系统的现状及展望

主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加 工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的 位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段 及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服 一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。

（一）交流异步伺服系统

交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。

交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。

（二）交流同步伺服系统

近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行*优切削创造了条件。

（三）电主轴

电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主 轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。

从理论上讲，电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器，来实现厢位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。在应用中必须妥善解决，才能确保电主轴高速运转和精密加工。

五、结论

作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向

雷电是一种常见的自然现象，它会对人体及电气、电子设备等造成巨大的破坏作用。雷电灾害涉及面广，电力、建筑及交通等行业都存在如何抵御雷电灾害的问题。
目前，我国高速公路正处于飞速发展阶段，交通工程领域涉及较多，但对防雷保护的设计考虑不足或不完善，致使不少机电设备被雷电损坏，造成不小的经济损失。本文以监控系统为例，介绍有关高速公路机电设备如何进行防雷保护的设计。
一、 监控设施防雷的必要性

现代防雷工程主要是对建筑物、人身及设备、设施的保护，使其免于雷电灾害的影响。

雷害途径有很多种，有直接雷（包括反击雷），还有间接雷，它包括供电线路感应雷电流或雷电流通过线路侵入，这几种方式都会造成设备不同程度的被损坏。

对每条高速公路来讲，监控系统设备主要分布在监控中心及道路沿线外场区域。监控设施多为信息电子设备，以计算机为核心、微电子芯片为基础，极易受到雷电电磁脉冲的影响及破坏，对防雷要求较高。

高速公路监控中心大楼多按照智能信息楼宇规模建设，本身的防雷保护能力较强，其内的信息电子设备处于较好的防雷保护区域内。按照防雷保护区的划分，监控中心设备处于LPZ3区，没有直接雷的威胁，并且脉冲电流残压较小，使用一般的措施就可以达到防雷保护的作用。

但监控外场设备，布设于道路沿线，暴露于恶劣的自然环境之中，处于LPZ0A/0B或LPZ1区，其中有的设备如遥控摄像机、大型可变情报板等还有被直接雷打到的危险，使用一般的措施达不到防雷保护的目的。此时就需要采取功能更加齐全的措施来保护外场设备，避免出现设备被雷电损坏的现象。

二、 监控设施防雷保护设计

防雷保护的措施也有很多种，如使用接闪器、引下线、接地装置，并使用共地、等电位连接、屏蔽及电涌保护器（SPD）等，但防雷保护不能仅靠某一个设备来完成，而是需要对系统整体进行考虑和设计，限制雷电引起的各种过电压对设备的影响，使其达到一定的防雷保护能力。

上面已经谈到高速公路监控系统进行防雷设计所要保护的对象为监控中心及道路外场监控设备，不同设备所采用的防雷保护措施根据设备的重要性、所处雷击环境有很大的不同。

监控设施供电多位一级负荷，需要一周7天、一天24小时的连续工作，每个设备对系统的重要性都不能轻视。但监控中心大楼设备和道路沿线设备所处雷击环境差异很大，所以两部分设备的防雷保护措施应分别考虑。

监控中心大楼具有良好的防雷保护能力。首先，大楼顶部均设有避雷针、避雷带等直接接闪器，可以防止直接雷对大楼本身及内部设备的破坏。其次，监控大楼均有良好的接地系统和等电位连接的设置，使侵入或感应的雷电流能够*大限度的被泄放或分流，每个终端信息设备所直接面对的脉冲电流残压较小。所以在监控中心大楼内监控设备只需考虑对这种感应或侵入雷电流的防护即可。由此可见，设备外部防雷是系统防雷保护的基础，它可以使信息电子设备处于一个良好的防雷保护区域内。

然而，布设于外场的监控设备，没有任何建筑物的保护，直接在雷击的威胁之下，其防雷保护措施就需要特别对待。

外场设备按照不同雷击条件还可以进一步分成两种：一种是容易受到直接雷影响的设备，如遥控摄像机等；另一种是很少受到直接雷影响的设备，如车辆检测器等，其雷电灾害多为感应雷和电磁脉冲的侵入。

前者因受到直接雷害的威胁，需要设置避雷针等直接接闪设备，雷电流通过引下线泄入大地中，并且外场设备由于有防护罩或机箱的屏蔽，基本处于LPZ1防雷区内，此区域内设备虽然被雷电直接击中的几率较小，但仍然无法避免反击雷、感应雷对其的破坏作用，需要使用等级较高、可以泄放直接雷的电涌保护器及良好的接地系统。

通过第一级的泄放，雷电流能量被大部分消弱，但存在与线路中的残压对设备仍有破坏作用，需要设置另一级电涌保护器件来彻底泄放残余的雷电流。

另一种外场设备因没有直接雷的威胁，多为感应雷和电磁脉冲的侵入，并且感应雷与直接雷相比，对设备的破坏作用较小，只需设置一级电涌保护器就可以达到设备防雷保护的效果。但有一点需要注意，所谓的很少受到直接雷影响的设备，并不是的不会受到直接雷击，只是考虑到设备高度、结构，并结合工程实际，得出的经验性结论。所以，在进行工程设计时，应根据道路所处地区环境、雷击条件及其他实际情况，区分对待。有可能同一种设备，在这条路上可以不考虑直接雷对其的影响，但在其他路或同一条路的不同区段就必须考虑直接雷对它的影响。

监控设备都存在电磁脉冲侵入的威胁，不管是处于监控中心或是外场，雷电流通过电力电缆或通信电缆侵入设备系统中，会对设备造成损坏。所以，监控设备供配电电缆及通信线路也要采取相应的防雷保护措施。

对线路的防雷保护主要从三个方面去考虑。

1. 为了防止雷电在线路上感应出过电压电磁脉冲，需要对电力及通信线路采取屏蔽保护措施，采用带屏蔽层的电缆，并在线路两段做屏蔽接地处理。

2. 在电缆进出物时，应在分界处采取屏蔽层接地等措施。

3. 为了防止雷电流通过通信线路侵入设备，需要在关键设备通信端口前加信号浪涌保护器。

三、 监控设施接地制式选择及应注意的问题

接地系统是防雷保护的基础，没有良好的接地系统，采用再好的浪涌保护装置也无法将雷电流泄掉。

高速公路监控中心及外场设备接地多采用TN-S系统。

从监控中心大楼低压配电柜处引一条回路到监控配电箱，在从配电箱引出多条回路到用电设备，并且用电设备需要在监控机房内进行重复接地。

从变电所低压开关柜引出一条回路进入同在变电所的监控总配电箱，然后再传到各个外场设备处。这里需要注意的就是外场设备重复接地的问题。如果设置重复接地，需要在设备本地做一个接地极，作为保护地，与电源的PE线连接，并且当设备设置避雷针时，保护地应与避雷针的防雷地分开设置，彼此离开20米的距离。

四、 电源浪涌保护器的选择及设置

电源浪涌保护器是综合防雷体系的有效环节，是内部防雷保护的重要组成部分。它可以泄放雷电流，限制过电压，对电气、电子设备起到保护作用。电涌保护器分为电压限制型、电压开关型和复合型，其具体功能如下：

1. 限制沿进线侵入的雷电过电压

2. 限制地电位升高引起的反击雷

3. 限制雷电电磁场感应出的过电压

电源浪涌保护器的主要参数有电压保护水平Up、通流容量Imax及*大持续运行电压Uc。

电压保护水平Up应小于被保护设备的冲击耐受电压或抗干扰度，并且应该大于电网*高运行电压值。电压保护水平与设备冲击耐受水平应彼此配合，并留有足够的裕度。电涌保护器应设置在任何两个防雷区的交界处，特别是户内与户外的交界处。电涌保护器还应再不同位置采用不同保护等级的设备。

通流容量Imax体现了电涌保护器的泄流能力，对有避雷针的设备，低压配电系统采用电缆进线时，进线处应安装*大放电电流Imax为100kA或65kA（8/20μs波形）的电涌保护器。并在离被保护设备尽量近的地方安装*大放电电流Imax为8kA（8/20μs波形）二级电涌保护器，且与进线电涌保护器级联布置。

对无避雷针的设备，应根据当地的雷暴日、地形及监控设施需连续供电的需求，选择用于进线保护及二级保护的电涌保护器。一般分别采用65kA（8/20μs波形）及8kA（8/20μs波形）的电涌保护器。

*大持续运行电压Uc是保电涌保护器可靠长期工作及防止设备老化、电压保护水平降低的重要性能指标。其受电网标称电压、电网接地制式影响很大。

为了提供*佳的选择，实际选用电涌保护器时采用分级配置。第一级保护应能承受绝大部分雷电流，第二级配置泄放残余雷电流，限制设备断的残电压，同时与第一级保护配合使用。

为了防止电网中电压波动及经常出现的脉冲电流的影响，在电涌保护器前加装小型断路器，使电涌保护器的寿命得到延长。
五、 信号浪涌保护器的选择及设置
为了防止雷电流从通信线路侵入设备中，对设备端口及传输数据造成影响，需要在通信线路端口出线端加装信号浪涌保护器。目前常用的信号浪涌保护器有保护视频的BNC接口信号浪涌保护器、保护以太网数据的RJ45接口信号浪涌保护器以及保护控制线路的串行口信号浪涌保护器。
信号浪涌保护器的选择相对比较简单，但值得注意的是信号浪涌保护器在保护线路不受电磁脉冲干扰的同时，不得影响通信线路本身的通信质量，其对线路信号的损耗应尽量低。
六、 高速公路监控系统典型防雷保护方案
（一） 监控中心设备：

1. 监控中心设备供电引自监控大楼总配电柜，从总配电柜到监控配电箱进线前加装Up=1.2kV、Imax=8kA（8/20μs波形）电涌保护器。
2. 监控以太网交换机至通信接入网接口前加装RJ45口信号浪涌保护器。

3. 监控机房设备采用TN-S接地制式，保护接地电阻不大于4Ω。并采用等电位连接，使雷电流能够在*短时间内泄流、分流。
（二） 外场设备

1. 监控外场设备供电引自就近变电所低压开关柜，监控总配电箱放置于变电所室内低压开关柜旁边，由于低压开关柜采取了防雷保护措施，并且与配电箱很近，监控总配电箱不设置防雷保护设备。

2. 遥控摄像机、大型可变情报板等较高设备加装避雷针，并采用Up=1.8kV、Imax=65kA（8/20μs波形）和Up=1.2kV、Imax=8A（8/20μs波形）的两级电涌保护器。
3. 车辆检测器、气象检测器及小型可变情报板只需加装Up=1.2kV、Imax=8A（8/20μs波形）的电涌保护器。
4. 外场设备采用TN-S接地制式，对关键设备进行重复接地，保护接地电阻不大于4Ω，防雷接地电阻不大于10Ω。
5. 在遥控摄像机视频输出端口加NC接口的视频信号浪涌保护器，在其余设备控制端口前加装串行口信号浪涌保护器。
防雷保护系统需要结合机电、供配电及房建设施进行设计，并对相关设施提出不同的要求，使整个系统达到防雷保护的能力。防雷保护技术处于不断的发展和完善之中，防雷保护产品也在不断的更新换代，大量的工程实际经验和防雷实验对防雷保护理论的发展都起到了促进作用。高速公路监控系统应该根据自身的特点进行防雷保护设计，使系统能够免受雷电灾害的影响。