交流伺服電機的分類、特點及閉環驅動

伺服電機內部的轉子是永磁體，由驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在這個磁場的作用下旋轉。同時，電機的編碼器向驅動器反饋信號，驅動器根據反饋值與目標值的比較來調整轉子的旋轉角度。伺服電機的精度取決于編碼器的精度(行數)。

交流伺服電機的結構可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。定子的結構與旋變器基本相同，定子鐵芯內放置90度電角度的兩相繞組。一組是勵磁繞組，另一組是控制繞組。交流伺服電機是兩相交流電機。當使用交流伺服電機時，恒定的勵磁電壓Uf施加到勵磁繞組的兩端，控制電壓Uk施加到控制繞組的兩端。當電壓施加到定子繞組時，伺服電機將快速轉動。電流通過勵磁繞組和控制繞組在電機中產生旋轉磁場，旋轉磁場的旋轉方向決定電機的旋轉方向。當施加到任何繞組上的電壓反向時，旋轉磁場的方向就會改變，電機的方向也隨之改變。

　　交流伺服電機的分類及其特點

長期以來，當需要高調速性能時，采用DC電機的調速系統一直占據主導地位。然而，DC電機有一些固有的缺點，如電刷和換向器容易磨損，需要經常維護。換向器換向時會產生火花，限制了電機的轉速和應用環境。而且DC電機結構復雜，制造難度大，鋼材消耗大，制造成本高。而交流電機，尤其是鼠籠式感應電機，沒有上述缺點，轉子慣量比DC電機小，使得動態響應更好。在相同體積下，交流電機的輸出功率比DC電機提高10% ~ 70%。此外，交流電機的容量可大于DC電機，以實現更高的電壓和速度?，F代數控機床傾向于采用交流伺服驅動，取代了DC伺服驅動。

　　異步型

異步交流伺服電機是指交流感應電機。分為三相和單相、鼠籠式和線繞式，通常采用鼠籠式三相感應電動機。與同容量的DC電機相比，它的重量輕了1/2，價格只有DC電機的1/3。缺點是不能經濟地實現大范圍的平滑調速，滯后的勵磁電流必須從電網中吸收。因此，電網的功率因數惡化。

鼠籠轉子異步交流伺服電機簡稱異步交流伺服電機，用IM表示。

　　同步型

同步交流伺服電機雖然比感應電機復雜，但比DC電機簡單。和感應電機一樣，它的定子裝有對稱的三相繞組。但是轉子是不同的，根據轉子結構的不同可以分為電磁型和非電磁型。非電磁型分為磁滯型、永磁型和反作用型。其中，滯環同步電機和無功同步電機存在效率低、功率因數差、制造能力小等缺點。永磁同步電機廣泛應用于數控機床中。與電磁式相比，永磁式具有結構簡單、運行可靠、效率高的優點；缺點是體積大，啟動特性差。但采用高剩磁感應、高矯頑力的稀土磁體后，永磁同步電機比DC電機小1/2左右，質量降低60%，轉子慣量降低到DC電機的1/5。與異步電機相比，由于采用永磁勵磁，消除了勵磁損耗和相關的雜散損耗，因此效率較高。由于電磁同步電機不需要集電環和電刷，其機械可靠性與感應(異步)電機相同，但功率因數遠高于異步電機，所以永磁同步電機的體積小于異步電機。這是因為在低速時，感應(異步)電機由于功率因數低，在輸出相同有功功率時，其視在功率要大得多，而電機的主要尺寸取決于視在功率。

數控機床使用的交流電機一般為三相。它分為異步和同步交流伺服電機。

從建立所需氣隙磁場磁勢源的角度來看，同步交流電機分為電磁和非電磁兩類。非電磁型有磁滯型、永磁型和反作用型。磁滯同步電機和反作用同步電機存在效率低、功率因數差、制造能力小等缺點。

　　永磁式同步電機：

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　　故數控機床進給驅動系統多采用永磁式同步電機。

　　異步型交流伺服電機：

　　與同容量的直流電機相比

　　故異步型交流伺服電機用在主軸驅動系統中。

　　同步和異步的區別：

　?。?）交流同步電機：轉子由永磁材料制成，轉動后，隨著定子旋轉磁場的變化，轉子也做相應頻率的速度變化，而且轉子速度等于定子速度，所以稱“同步”。

　?。?）交流異步電機：轉子由感應線圈和鐵心材料構成。轉動后，定子產生旋轉磁場，磁場切割轉子的感應線圈，轉子線圈產生感應電流，進而轉子產生感應磁場，感應磁場追隨定子旋轉磁場的變化，但轉子的磁場變化永遠小于定子磁場的變化。在交流異步電機的關鍵參數轉差率表示轉子與定子的速度差的比率。

　　1、永磁式交流同步電機

　　結構：電機由定子、轉子和檢測元件組成。

　　兩點啟示：

　　、有一個旋轉的磁場；

　　第二、轉子跟著磁場轉動。

　　三相對稱電流

　　三相電流產生的旋轉磁場（p=1）

　　永磁式交流同步電機工作原理和性能

　　其中，nr為轉子旋轉轉速；ns為同步轉速；θ為轉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為定子和轉子的極對數。

　　2、交流主軸電機

　　定子三相繞組通三相交流電，產生旋轉磁場，磁場切割轉子中的導體，導體感應電流與定子磁場相作用產生電磁轉矩，推動轉子轉動，轉速nr為

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

　　p為極對數。

　　交流伺服電機的閉環驅動

　　閉環控制系統是采用直線型位置檢測裝置（直線感應同步器、長光柵等）對數控機床工作臺位移進行直接測量并進行反饋控制的位置伺服系統，其控制原理見圖1所示。這種系統有位置檢測反饋電路，有時還加上速度反饋電路。

　　1. 交流同步伺服電機的種類

　　勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式

　　2. 永磁交流同步伺服電機的結構

　　電機由定子、轉子和檢測元件組成。見圖2所示。其內部結構見圖3所示。

　　3．永磁交流同步伺服電機工作原理和性能

　　當三相定子繞組通入三相交流電后，在定子、轉子之間產生一個同步的旋轉磁場，設轉子為永久磁鐵，在磁力作用下，使轉子跟隨旋轉磁場同步轉動。

　　只要負載不超過一定限度，就不會出現交流同步電動機失步現象，這個負載極限稱為同步扭矩。

　　用減少轉子慣量，或讓電動機先低速再提高到所要求的速度等方法，解決同步電機啟動困難的問題。

　　主要參數：額定功率、額定扭矩、額定轉速等。

　　交流伺服電機的優點：

　　◆ 動態響應好；

　　◆ 輸出功率大、電壓和轉速提高。

　　4. 永磁交流同步伺服電機的調速方法

　　進給系統常使用交流同步電機，該電機沒有轉差率，電機轉速為

　　調速方法：變頻調速

　　5. 交流進給伺服電機的速度控制系統

　　系統組成：速度環、電流環 、SPWN電路、功放電路、檢測反饋電路。見圖4所示。