交流伺服電機(jī)的分類、特點(diǎn)及其閉環(huán)驅(qū)動(dòng)

　　伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

　　交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，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(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。

　　交流伺服電機(jī)的分類及其特點(diǎn)

　　長(zhǎng)期以來(lái)，在要求調(diào)速性能較高的場(chǎng)合，一直占據(jù)主導(dǎo)地位的是應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。但直流電動(dòng)機(jī)都存在一些固有的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)。換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動(dòng)機(jī)輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10﹪～70﹪，此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，交流伺服驅(qū)動(dòng)已有取代直流伺服驅(qū)動(dòng)之勢(shì)。

　　異步型

　　異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)指的是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。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(yīng)電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，質(zhì)量輕1/2，價(jià)格僅為直流電動(dòng)機(jī)的1/3。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵(lì)磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。

　　這種鼠籠轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱為異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)，用IM表示。

　　同步型

　　同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)雖較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。它的定子與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，都在定子上裝有對(duì)稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率較高；缺點(diǎn)是體積大、啟動(dòng)特性欠佳。但永磁式同步電動(dòng)機(jī)采用高剩磁感應(yīng)，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動(dòng)外形尺寸約小1/2，質(zhì)量減輕60﹪，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動(dòng)機(jī)的1/5。它與異步電動(dòng)機(jī)相比，由于采用了永磁鐵勵(lì)磁，消除了勵(lì)磁損耗及有關(guān)的雜散損耗，所以效率高。又因?yàn)闆](méi)有電磁式同步電動(dòng)機(jī)所需的集電環(huán)和電刷等，其機(jī)械可靠性與感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動(dòng)機(jī)，從而使永磁同步電動(dòng)機(jī)的體積比異步電動(dòng)機(jī)小些。這是因?yàn)樵诘退贂r(shí)，感應(yīng)（異步）電動(dòng)機(jī)由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時(shí)，它的視在功率卻要大得多，而電動(dòng)機(jī)主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。

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

　　從建立所需氣隙磁場(chǎng)的磁勢(shì)源來(lái)說(shuō)，同步型交流電機(jī)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(yīng)式多種。磁滯式和反應(yīng)式同步電機(jī)存在效率低、功率因數(shù)差、制造容量不大等缺點(diǎn)。

　　永磁式同步電機(jī)：

　　故數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用永磁式同步電機(jī)。

　　異步型交流伺服電機(jī)：

　　與同容量的直流電機(jī)相比

　　故異步型交流伺服電機(jī)用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

　　同步和異步的區(qū)別：

　　（1）交流同步電機(jī)：轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，轉(zhuǎn)動(dòng)后，隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化，轉(zhuǎn)子也做相應(yīng)頻率的速度變化，而且轉(zhuǎn)子速度等于定子速度，所以稱“同步”。

　　（2）交流異步電機(jī)：轉(zhuǎn)子由感應(yīng)線圈和鐵心材料構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)后，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子的感應(yīng)線圈，轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化，但轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)變化永遠(yuǎn)小于定子磁場(chǎng)的變化。在交流異步電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)差率表示轉(zhuǎn)子與定子的速度差的比率。

　　1、永磁式交流同步電機(jī)

　　結(jié)構(gòu)：電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成。

　　兩點(diǎn)啟示：

　　第一、有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)；

　　第二、轉(zhuǎn)子跟著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　三相對(duì)稱電流

　　三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（p=1）

　　永磁式交流同步電機(jī)工作原理和性能

　　其中，nr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；ns為同步轉(zhuǎn)速；θ為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)。

　　2、交流主軸電機(jī)

　　定子三相繞組通三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速nr為

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

　　p為極對(duì)數(shù)。

　　交流伺服電機(jī)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)

　　閉環(huán)控制系統(tǒng)是采用直線型位置檢測(cè)裝置（直線感應(yīng)同步器、長(zhǎng)光柵等）對(duì)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位移進(jìn)行直接測(cè)量并進(jìn)行反饋控制的位置伺服系統(tǒng)，其控制原理見(jiàn)圖1所示。這種系統(tǒng)有位置檢測(cè)反饋電路，有時(shí)還加上速度反饋電路。

　　1. 交流同步伺服電機(jī)的種類

　　勵(lì)磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式

　　2. 永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件組成。見(jiàn)圖2所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示。

　　3．永磁交流同步伺服電機(jī)工作原理和性能

　　當(dāng)三相定子繞組通入三相交流電后，在定子、轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生一個(gè)同步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，設(shè)轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，在磁力作用下，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　只要負(fù)載不超過(guò)一定限度，就不會(huì)出現(xiàn)交流同步電動(dòng)機(jī)失步現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載最大極限稱為最大同步扭矩。

　　用減少轉(zhuǎn)子慣量，或讓電動(dòng)機(jī)先低速再提高到所要求的速度等方法，解決同步電機(jī)啟動(dòng)困難的問(wèn)題。

　　主要參數(shù)：額定功率、額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速等。

　　交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

　　◆ 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；

　　◆ 輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高。

　　4. 永磁交流同步伺服電機(jī)的調(diào)速方法

　　進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電機(jī)，該電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)速為

　　調(diào)速方法：變頻調(diào)速

　　5. 交流進(jìn)給伺服電機(jī)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(cè)反饋電路。見(jiàn)圖4所示。