交流伺服电机及其调速系统

　　直流伺服电机在数控进给伺服系统中曾得到广泛的应用，它具有良好的调速和转矩特性，但是它的结构复杂、制造成本高、体积大，而且电机的电刷容易磨损，换向器会产生火花，使直流伺服电机的容量和使用场合受到限制。交流伺服电机没有电刷和换向器等结构上的缺点；并且随着新型功率开关器件、专用集成电路、计算机技术和控制算法等的发展，促进了交流驱动电路的发展，使得交流伺服驱动的调速特性更能适应数控机床进给伺服系统的要求。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动大有取代直流伺服驱动之势。
1.交流伺服电机的结构
　　交流电机有交流感应电机和交流同步电机之分。交流感应电机结构简单、容量大、价格低，一般用作主运动的驱动电机。
　　永磁同步交流伺服电机用作进给运动的驱动电机，其结构示意如图1所示。电机由定子、转子和检测元件组成。定子由冲片叠成，其外形呈多边形，没有机座，这样有利于散热。在定子齿槽内嵌入某一极对数的三相绕组。转子也由冲片叠成，并在其中装有永久磁铁，组成的极对数与定子的极对数相同。永久磁铁有：铝镍钴合金、铁淦氧合金和钕铁硼合金即稀土永磁合金等，以稀土永磁合金的性能最好。检测元件一般都用脉冲编码器，也可用旋转变压器加测速发电机，用以检测电机的转角位置、位移和旋转速度，以便提供永磁交流同步电机转子的绝对位置信息、位置反馈量和速度反馈量。
　

　　　　　　　　　　　图1 　永磁同步交流伺服电机结构示意图
2.交流伺服电机的变频调速
　　交流电动机的转速n，与交流电源频率f，电机极对数p以及转速滑差率s之间的关系为
　　　　　　　　　　　　(1) 　
对于异步电机s≠0，对于同步电机则s=0。由式（1）可知，改变电源的频率f，电机的转速n与f成正比例变化。电机定子绕组的反电势为
　　　　　　　　E=4.44fWk_wΦ
　　如果略去定子的阻抗压降，则定子相电压
　　　　　　　　U≈E=4.44fWk_wΦ
　 上式说明，k_w为常数，若相电压U不变，则随着频率f的升高，气隙磁通Φ将减小。又从转矩公式
　　　　　　　　
　　可以看出，Φ值减小，电机转子的感应电流I₂也相应减小，势必导致电机的允许输出转矩M下降。另外，若相电压U不变，随着f的减小，气隙磁通Φ将增加，这会使磁路饱和，激磁电流上升导致铁耗剧增，功率因数下降。因此改变频率f进行调速时，需要同时改变定子的相电压U，以维持Φ值接近不变，从而使M也接近不变。可见交流伺服电机变频调速的关键问题是要获得调频调压的交流电源。
　　调频调压电源有很多种。通常采用交流-直流-交流的变换电路来实现，这种电路的主要组成部分是三相电流逆变器。图2所示是目前应用最广泛的电压型功率晶体管（GTR）三相逆变器主回路原理图。由交流-直流变换的二极管整流电路获得恒定的直流电压U_d，功率晶体管开关元件T₁、T₄，T₃、T₆，T₅、T₂组成三相脉宽调制逆变器，电容C力图维持逆变器的输入直流电压U_d为恒值， 因此，这一线路称为电压型逆变器。
　　　　
　　　　　　　　图2 (a)　电压型功率晶体管（GTR）三相逆变器主回路原理图

图2 (b)　电压型功率晶体管三相逆变器主回路波形图
　  
　　逆变器开关元件T₁、T₂，T₃的控制是由三角波1和按调速控制要求生成的具有一定频率和电压幅值的正弦波2，通过波形1和2的比较生成等幅、等距而不等宽的矩形脉冲3，作为控制其通断的控制信号的。从而在逆变器的输出端获得三组与控制波形3相似的矩形脉冲，这种波形在驱动电机时，其作用等效于三相正弦电压4。 　 　　　　　　　　　
　　由上面的讨论可知，变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求的控制波形3。控制波形的实现方式（即电机调速的控制方式），现在广泛采用的方式是矢量变换控制。
　　图3是交流伺服调速系统原理图的实例，该系统由功率变换器和控制平台两部分组成。功率变换器又由整流器和逆变器两部分构成，整流器的作用是将输入的三相交流电变换成直流电，如图3左上部所示；逆变器是将直流电按控制信号的要求变换成所需要的三相交流电，现在高性能逆变器常常采用新型的开关频率较高的IPM功率模块，如图3右上部所示。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　图3　交流伺服调速系统实例
　　控制器平台的硬件上采用DSP FPGA的方案，如图3的下半部分所示。其中FPGA（现场可编程门阵列）器件和DSP（数字信号处理器）的主要功能是与软件一起，实现对所有控制任务的调度，输入输出信号的处理、逆变器控制信号的生成以及其他控制功能等。单片机AT89C52实现对显示数码管、键盘（用于调试和参数设置）以及串口的管理。限于篇幅，各模块的详细作用，这里不再详细讨论了。