直流伺服电机(交流伺服电机及其调速系统)

DC伺服电机广泛用于CNC进给伺服系统中，其速度控制和转矩特性良好，但结构复杂，制造成本高，体积大，电动机的电刷容易磨损，换向器具有直流伺服电机的容量和使用机会会产生极限火花。交流伺服电机没有电刷和换向器等结构缺陷，新型电源开关设备，专用集成电路，计算机技术和控制算法的发展促进了交流驱动电路的发展，使其成为交流伺服系统。更有效的驱动调速功能可以更好地满足CNC机床进给伺服系统的要求。现代的数控机床倾向于使用交流伺服驱动器，交流伺服驱动器有可能取代直流伺服驱动器。

1.交流伺服电机的结构

交流电动机分为交流感应电动机和交流同步电动机。交流感应电动机具有结构简单，容量大，价格低廉等优点，通常用作主运动的驱动电动机。

永磁同步交流伺服电动机用作进给运动的驱动电动机，其结构如图1所示。电动机由定子，转子和传感元件组成。定子由多孔板组成，其形状为无底的多边形，有利于散热。定子槽中内置有一定数量的极对的三相绕组。转子上还堆叠有冲孔板，安装了永磁体，并且极对的数量与定子的数量相同。永磁体包括Al-Ni-Co合金，铁号合金和钕铁硼合金，即稀土永磁体合金。稀土永磁合金具有最佳性能。传感元件通常使用脉冲编码器，旋转变压器和taco发生器也可以用于检测电动机的角位置，位移和转速，以提供永久的位置信息，位置反馈和速度反馈。磁铁交流同步电动机转子的数量。

图1永磁同步交流伺服电机的结构示意图

2.交流伺服电机的变频调速

交流电动机的速度n与交流电源的频率f，电动机的极对数p和速度滑移速度s之间的关系如下。

（1）

对于异步电动机，s≠0，对于同步电动机，s=0在公式（1）中，如果更改电源频率f，则可以看到电动机的转速n与f成正比变化。电动机定子绕组的反电动势如下。

E=4.44fWkwΦ

如果省略了定子阻抗电压降，则定子相电压

U≈E=4.44fWkwΦ

可以看出，当Φ的值减小时，电动机转子的感应电流I2也减小，这不可避免地减小了电动机的容许输出转矩M。同样，如果相电压U不变，则随着f的减小，气隙磁通Φ增大，磁路饱和，励磁电流增大，铁损急剧增大和减小。功率因数。因此，在改变频率f进行调速时，需要同时改变定子的相电压U，以使Φ的值接近相同，从而使M也接近。可以看出，交流伺服电机变频调速的关键问题是要获得用于调频和调压的交流电源。

FM和电压电源有几种类型。通常将其实现为AC-DC-AC转换电路，并且该电路的主要组件是三相电流逆变器。图2显示了使用最广泛的电压型功率晶体管（GTR）三相逆变器的主电路原理图。通过AC-DC转换二极管整流器电路获得恒定的DC电压Ud。功率晶体管开关元件T1，T4，T3，T6，T5，T2构成三相脉宽调制逆变器，电容器C将逆变器的输入保持为直流电压Ud为恒定值，因此将该电路称为电压型逆变器。

图2（a）电压型功率晶体管（GTR）三相逆变器主电路电路图

图2（b）电压型功率晶体管三相逆变器主电路波形图



逆变器开关元件T1，T2，T3由三角波1和正弦波2控制，并根据速度控制的要求产生特定的频率和电压幅度。等于恒定幅度的幅度产生如下：比较波形1和2。等距离和等距宽度的矩形脉冲3用作控制信号的开和关。因此，在逆变器的输出端，得到与控制波形3相同的一组三个方波脉冲，该波形与驱动电动机时的三相正弦电压4相同。

在上面的讨论中，调节逆变器变频电压的关键是逆变器控制端子获得所需的控制波形3。作为控制波形的实现方法（即电动机速度调节的控制方法），广泛使用的方法是矢量转换控制。

图3是交流伺服速度控制系统的示意图的示例，该系统由两部分组成：功率转换器和控制平台。电源转换器由整流器和逆变器组成，整流器的功能是将输入的三相交流电转换为直流电，如图3的左上角所示。逆变器根据控制信号的要求将直流电转换为直流电。所需的三相交流电，现在的高性能逆变器通常使用具有更高开关频率的新型IPM电源模块，如图3右上方所示。

图3“交流伺服速度控制系统示例

控制器平台的硬件采用DSP + FPGA方法，如图3底部所示。其中，FPGA（现场可编程门阵列）设备和DSP（数字信号处理器）的主要功能是使用软件对所有控制任务进行调度，输入和输出信号处理，逆变器控制信号生成以及其他控制功能等。单片机AT89C52实现了显示屏数码管，键盘（用于调试和参数设置）和串口的管理。由于篇幅所限，此处不详细介绍每个模块的详细角色。