交流伺服電機的分類、特點及其閉環(huán)驅動

　　伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

　　交流伺服電動機的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。 交流伺服電動機使用時，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。

　　交流伺服電機的分類及其特點

　　長期以來，在要求調速性能較高的場合，一直占據(jù)主導地位的是應用直流電動機的調速系統(tǒng)。但直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經常維護。換向器換向時會產生火花，使電動機的最高速度受到限制，也使應用環(huán)境受到限制，而且直流電動機結構復雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機，特別是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點，且轉子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應更好。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高10﹪～70﹪，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速。現(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流伺服驅動，交流伺服驅動已有取代直流伺服驅動之勢。

　　異步型

　　異步型交流伺服電動機指的是交流感應電動機。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應電動機。其結構簡單，與同容量的直流電動機相比，質量輕1/2，價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能經濟地實現(xiàn)范圍很廣的平滑調速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。

　　這種鼠籠轉子的異步型交流伺服電動機簡稱為異步型交流伺服電動機，用IM表示。

　　同步型

　　同步型交流伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉子卻不同，按不同的轉子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點是結構簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機采用高剩磁感應，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小1/2，質量減輕60﹪，轉子慣量減到直流電動機的1/5。它與異步電動機相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關的雜散損耗，所以效率高。又因為沒有電磁式同步電動機所需的集電環(huán)和電刷等，其機械可靠性與感應（異步）電動機相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。這是因為在低速時，感應（異步）電動機由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。

　　數(shù)控機床上應用的交流電機一般都為三相。分為：異步型和同步型交流伺服電機。

　　從建立所需氣隙磁場的磁勢源來說，同步型交流電機分：電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式有磁滯式、永磁式和反應式多種。磁滯式和反應式同步電機存在效率低、功率因數(shù)差、制造容量不大等缺點。

　　永磁式同步電機：

　　故數(shù)控機床進給驅動系統(tǒng)多采用永磁式同步電機。

　　異步型交流伺服電機：

　　與同容量的直流電機相比

　　故異步型交流伺服電機用在主軸驅動系統(tǒng)中。

　　同步和異步的區(qū)別：

　　（1）交流同步電機：轉子由永磁材料制成，轉動后，隨著定子旋轉磁場的變化，轉子也做相應頻率的速度變化，而且轉子速度等于定子速度，所以稱“同步”。

　　（2）交流異步電機：轉子由感應線圈和鐵心材料構成。轉動后，定子產生旋轉磁場，磁場切割轉子的感應線圈，轉子線圈產生感應電流，進而轉子產生感應磁場，感應磁場追隨定子旋轉磁場的變化，但轉子的磁場變化永遠小于定子磁場的變化。在交流異步電機的關鍵參數(shù)轉差率表示轉子與定子的速度差的比率。

　　1、永磁式交流同步電機

　　結構：電機由定子、轉子和檢測元件組成。

　　兩點啟示：

　　第一、有一個旋轉的磁場；

　　第二、轉子跟著磁場轉動。

　　三相對稱電流

　　三相電流產生的旋轉磁場（p=1）

　　永磁式交流同步電機工作原理和性能

　　其中，nr為轉子旋轉轉速；ns為同步轉速；θ為轉子磁極的軸線與定子磁極的軸線夾角；f1為交流電源頻率（定子供電頻率）；p為定子和轉子的極對數(shù)。

　　2、交流主軸電機

　　定子三相繞組通三相交流電，產生旋轉磁場，磁場切割轉子中的導體，導體感應電流與定子磁場相作用產生電磁轉矩，推動轉子轉動，轉速nr為

　　其中，ns為同步轉速；f1為交流電源頻率（定子供電頻率）；s為轉差率，s=（ns-nr）/ns；

　　p為極對數(shù)。

　　交流伺服電機的閉環(huán)驅動

　　閉環(huán)控制系統(tǒng)是采用直線型位置檢測裝置（直線感應同步器、長光柵等）對數(shù)控機床工作臺位移進行直接測量并進行反饋控制的位置伺服系統(tǒng)，其控制原理見圖1所示。這種系統(tǒng)有位置檢測反饋電路，有時還加上速度反饋電路。

　　1. 交流同步伺服電機的種類

　　勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式

　　2. 永磁交流同步伺服電機的結構

　　電機由定子、轉子和檢測元件組成。見圖2所示。其內部結構見圖3所示。

　　3．永磁交流同步伺服電機工作原理和性能

　　當三相定子繞組通入三相交流電后，在定子、轉子之間產生一個同步的旋轉磁場，設轉子為永久磁鐵，在磁力作用下，使轉子跟隨旋轉磁場同步轉動。

　　只要負載不超過一定限度，就不會出現(xiàn)交流同步電動機失步現(xiàn)象，這個負載最大極限稱為最大同步扭矩。

　　用減少轉子慣量，或讓電動機先低速再提高到所要求的速度等方法，解決同步電機啟動困難的問題。

　　主要參數(shù)：額定功率、額定扭矩、額定轉速等。

　　交流伺服電機的優(yōu)點：

　　◆ 動態(tài)響應好；

　　◆ 輸出功率大、電壓和轉速提高。

　　4. 永磁交流同步伺服電機的調速方法

　　進給系統(tǒng)常使用交流同步電機，該電機沒有轉差率，電機轉速為

　　調速方法：變頻調速

　　5. 交流進給伺服電機的速度控制系統(tǒng)

　　系統(tǒng)組成：速度環(huán)、電流環(huán) 、SPWN電路、功放電路、檢測反饋電路。見圖4所示。