直流伺服電機(交流伺服電機及其調速系統)

DC伺服電機廣泛用于CNC進給伺服系統中，其速度控制和轉矩特性良好，但結構復雜，制造成本高，體積大，電動機的電刷容易磨損，換向器具有直流伺服電機的容量和使用機會會產生極限火花。交流伺服電機沒有電刷和換向器等結構缺陷，新型電源開關設備，專用集成電路，計算機技術和控制算法的發展促進了交流驅動電路的發展，使其成為交流伺服系統。更有效的驅動調速功能可以更好地滿足CNC機床進給伺服系統的要求。現代的數控機床傾向于使用交流伺服驅動器，交流伺服驅動器有可能取代直流伺服驅動器。

1.交流伺服電機的結構

交流電動機分為交流感應電動機和交流同步電動機。交流感應電動機具有結構簡單，容量大，價格低廉等優點，通常用作主運動的驅動電動機。

永磁同步交流伺服電動機用作進給運動的驅動電動機，其結構如圖1所示。電動機由定子，轉子和傳感元件組成。定子由多孔板組成，其形狀為無底的多邊形，有利于散熱。定子槽中內置有一定數量的極對的三相繞組。轉子上還堆疊有沖孔板，安裝了永磁體，并且極對的數量與定子的數量相同。永磁體包括Al-Ni-Co合金，鐵號合金和釹鐵硼合金，即稀土永磁體合金。稀土永磁合金具有最佳性能。傳感元件通常使用脈沖編碼器，旋轉變壓器和taco發生器也可以用于檢測電動機的角位置，位移和轉速，以提供永久的位置信息，位置反饋和速度反饋。磁鐵交流同步電動機轉子的數量。

圖1永磁同步交流伺服電機的結構示意圖

2.交流伺服電機的變頻調速

交流電動機的速度n與交流電源的頻率f，電動機的極對數p和速度滑移速度s之間的關系如下。

（1）

對于異步電動機，s≠0，對于同步電動機，s=0在公式（1）中，如果更改電源頻率f，則可以看到電動機的轉速n與f成正比變化。電動機定子繞組的反電動勢如下。

E=4.44fWkwΦ

如果省略了定子阻抗電壓降，則定子相電壓

U≈E=4.44fWkwΦ

可以看出，當Φ的值減小時，電動機轉子的感應電流I2也減小，這不可避免地減小了電動機的容許輸出轉矩M。同樣，如果相電壓U不變，則隨著f的減小，氣隙磁通Φ增大，磁路飽和，勵磁電流增大，鐵損急劇增大和減小。功率因數。因此，在改變頻率f進行調速時，需要同時改變定子的相電壓U，以使Φ的值接近相同，從而使M也接近。可以看出，交流伺服電機變頻調速的關鍵問題是要獲得用于調頻和調壓的交流電源。

FM和電壓電源有幾種類型。通常將其實現為AC-DC-AC轉換電路，并且該電路的主要組件是三相電流逆變器。圖2顯示了使用最廣泛的電壓型功率晶體管（GTR）三相逆變器的主電路原理圖。通過AC-DC轉換二極管整流器電路獲得恒定的DC電壓Ud。功率晶體管開關元件T1，T4，T3，T6，T5，T2構成三相脈寬調制逆變器，電容器C將逆變器的輸入保持為直流電壓Ud為恒定值，因此將該電路稱為電壓型逆變器。

圖2（a）電壓型功率晶體管（GTR）三相逆變器主電路電路圖

圖2（b）電壓型功率晶體管三相逆變器主電路波形圖

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逆變器開關元件T1，T2，T3由三角波1和正弦波2控制，并根據速度控制的要求產生特定的頻率和電壓幅度。等于恒定幅度的幅度產生如下：比較波形1和2。等距離和等距寬度的矩形脈沖3用作控制信號的開和關。因此，在逆變器的輸出端，得到與控制波形3相同的一組三個方波脈沖，該波形與驅動電動機時的三相正弦電壓4相同。

在上面的討論中，調節逆變器變頻電壓的關鍵是逆變器控制端子獲得所需的控制波形3。作為控制波形的實現方法（即電動機速度調節的控制方法），廣泛使用的方法是矢量轉換控制。

圖3是交流伺服速度控制系統的示意圖的示例，該系統由兩部分組成：功率轉換器和控制平臺。電源轉換器由整流器和逆變器組成，整流器的功能是將輸入的三相交流電轉換為直流電，如圖3的左上角所示。逆變器根據控制信號的要求將直流電轉換為直流電。所需的三相交流電，現在的高性能逆變器通常使用具有更高開關頻率的新型IPM電源模塊，如圖3右上方所示。

圖3“交流伺服速度控制系統示例

控制器平臺的硬件采用DSP + FPGA方法，如圖3底部所示。其中，FPGA（現場可編程門陣列）設備和DSP（數字信號處理器）的主要功能是使用軟件對所有控制任務進行調度，輸入和輸出信號處理，逆變器控制信號生成以及其他控制功能等。單片機AT89C52實現了顯示屏數碼管，鍵盤（用于調試和參數設置）和串口的管理。由于篇幅所限，此處不詳細介紹每個模塊的詳細角色。