交流伺服电机的分类、特点及其闭环驱动

　　伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

　　交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。

　　交流伺服电机的分类及其特点

　　长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。

　　异步型

　　异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。

　　这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。

　　同步型

　　同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。

　　数控机床上应用的交流电机一般都为三相。分为：异步型和同步型交流伺服电机。

　　从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步型交流电机分：电磁式及非电磁式两大类。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。磁滞式和反应式同步电机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点。

　　永磁式同步电机：

　　

　　故数控机床进给驱动系统多采用永磁式同步电机。

　　异步型交流伺服电机：

　　与同容量的直流电机相比

　　

　　故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。

　　同步和异步的区别：

　　（1）交流同步电机：转子由永磁材料制成，转动后，随着定子旋转磁场的变化，转子也做相应频率的速度变化，而且转子速度等于定子速度，所以称“同步”。

　　（2）交流异步电机：转子由感应线圈和铁心材料构成。转动后，定子产生旋转磁场，磁场切割转子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，进而转子产生感应磁场，感应磁场追随定子旋转磁场的变化，但转子的磁场变化永远小于定子磁场的变化。在交流异步电机的关键参数转差率表示转子与定子的速度差的比率。

　　1、永磁式交流同步电机

　　

　　结构：电机由定子、转子和检测元件组成。

　　

　　两点启示：

　　第一、有一个旋转的磁场；

　　第二、转子跟着磁场转动。

　　

　　三相对称电流

　　

　　三相电流产生的旋转磁场（p=1）

　　永磁式交流同步电机工作原理和性能

　　

　　其中，nr为转子旋转转速；ns为同步转速；θ为转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角；f1为交流电源频率（定子供电频率）；p为定子和转子的极对数。

　　2、交流主轴电机

　　定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，转速nr为

　　

　　其中，ns为同步转速；f1为交流电源频率（定子供电频率）；s为转差率，s=（ns-nr）/ns；

　　p为极对数。

　　交流伺服电机的闭环驱动

　　闭环控制系统是采用直线型位置检测装置（直线感应同步器、长光栅等）对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统，其控制原理见图1所示。这种系统有位置检测反馈电路，有时还加上速度反馈电路。

　　

　　

　　

　　1. 交流同步伺服电机的种类

　　励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式

　　2. 永磁交流同步伺服电机的结构

　　电机由定子、转子和检测元件组成。见图2所示。其内部结构见图3所示。

　　3．永磁交流同步伺服电机工作原理和性能

　　当三相定子绕组通入三相交流电后，在定子、转子之间产生一个同步的旋转磁场，设转子为永久磁铁，在磁力作用下，使转子跟随旋转磁场同步转动。

　　只要负载不超过一定限度，就不会出现交流同步电动机失步现象，这个负载最大极限称为最大同步扭矩。

　　用减少转子惯量，或让电动机先低速再提高到所要求的速度等方法，解决同步电机启动困难的问题。

　　主要参数：额定功率、额定扭矩、额定转速等。

　　交流伺服电机的优点：

　　◆ 动态响应好；

　　◆ 输出功率大、电压和转速提高。

　　4. 永磁交流同步伺服电机的调速方法

　　进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速为

　　

　　调速方法：变频调速

　　5. 交流进给伺服电机的速度控制系统

　　系统组成：速度环、电流环 、SPWN电路、功放电路、检测反馈电路。见图4所示。