交流伺服电动机

交流伺服电动机，是将电能转变为机械能的一种机器。交流伺服电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。

1、应用趋势

自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3～5年就有更新换代的产品面市。传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的;步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，pwm调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。目前，新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。

交直流伺服电机系统

下面从功率驱动、性能、保护电路等方面，叙述其和直流伺服电机系统的不同特点。

功率驱动

对于在雷达上经常使用的直流伺服系统的驱动电动机功率放大部分，当天线重量轻，转速慢，驱动功率较小时，一般为几十瓦，可以直接用直流电源控制电动机。当驱动功率要求在近千瓦或千瓦以上时，选择驱动方案，也即放大直流电动机的电枢电流，就是设计伺服系统的重要部分。大功率直流电源目前采用较多的有:晶体管功放、晶闸管功放和电机放大机等等。对于千瓦级的晶体管功放使用的较少。可控硅技术在上世纪60～70年代初得到快速的发展和广泛的应用，但因当时的各方面原因，如可靠性等，不少产品放弃了可控硅控制。目前的集成驱动模块一般都为晶体管或晶闸管制造。电机放大机是传统的直流伺服电机的功放装置，因其控制简单，结实耐用，目前的新型号的雷达产品上仍有采用。下面主要以放大电机为例，和交流伺服电机比较其优缺点。

放大电机常称为扩大机，一般是用交流异步感应电动机拖动串联的两级直流发电机组，以此来实现直流控制。两组控制绕组，每组的输入阻抗为几千欧，若串接使用输入阻抗约10千欧，一般为互补平衡对称输入，当系统输入不为零时打破其平衡，使放大电机有输出信号。当输入电流为十几到几十毫安时其输出可达100v以上的直流电压和几安到几十安的电流，直接接到直流伺服电机的电枢绕组上。其主要缺点是体积重量大，非线性度，尤其在零点附近不是很好，这对于要求高的系统需要仔细处理。

而交流伺服电机都配有专门的驱动器，它在体积和重量上远小于同功率的放大电机，它靠内部的晶体管或晶闸管组成的开关电路，根据伺服电机内的光电编码器或霍尔器件判断转子当时的位置，决定驱动电机的a、b、c三相应输出的状态，因此它的效率和平稳性都很好。所以不像控制放大电机需要做专门的功放电路。这种电机一般都为永磁式的，驱动器产生的a、b、c三相变化的电流控制电机转动，因此称为交流伺服电机;驱动器输入的控制信号可以是脉冲串，也可以是直流电压信号（一般为±10v），所以也有将其称为直流无刷电动机。

两种电机的简单试验比较

对两种电机作过简单的试验比较:只要将系统原先的直流误差信号直接接入交流伺服驱动器的模拟控制输入端，用交流伺服电机和它的驱动器代替原先的差分功放、电机放大机和直流伺服电机，而控制部分和测角元件等均不变，简单比较两种方案的输出特性。

2、交流伺服电动机的速度控制原理

随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。在控制方式上用脉冲串和方向信号实现。

一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。

速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。

如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。

如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。

就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。

换一种说法是：

1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。

3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。