直流伺服電機(jī)(交流伺服電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng))

DC伺服電機(jī)廣泛用于CNC進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，其速度控制和轉(zhuǎn)矩特性良好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，體積大，電動(dòng)機(jī)的電刷容易磨損，換向器具有直流伺服電機(jī)的容量和使用機(jī)會(huì)會(huì)產(chǎn)生極限火花。交流伺服電機(jī)沒有電刷和換向器等結(jié)構(gòu)缺陷，新型電源開關(guān)設(shè)備，專用集成電路，計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制算法的發(fā)展促進(jìn)了交流驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展，使其成為交流伺服系統(tǒng)。更有效的驅(qū)動(dòng)調(diào)速功能可以更好地滿足CNC機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求。現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床傾向于使用交流伺服驅(qū)動(dòng)器，交流伺服驅(qū)動(dòng)器有可能取代直流伺服驅(qū)動(dòng)器。

1.交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

交流電動(dòng)機(jī)分為交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流同步電動(dòng)機(jī)。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，容量大，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，通常用作主運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)用作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電動(dòng)機(jī)由定子，轉(zhuǎn)子和傳感元件組成。定子由多孔板組成，其形狀為無底的多邊形，有利于散熱。定子槽中內(nèi)置有一定數(shù)量的極對(duì)的三相繞組。轉(zhuǎn)子上還堆疊有沖孔板，安裝了永磁體，并且極對(duì)的數(shù)量與定子的數(shù)量相同。永磁體包括Al-Ni-Co合金，鐵號(hào)合金和釹鐵硼合金，即稀土永磁體合金。稀土永磁合金具有最佳性能。傳感元件通常使用脈沖編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器和taco發(fā)生器也可以用于檢測電動(dòng)機(jī)的角位置，位移和轉(zhuǎn)速，以提供永久的位置信息，位置反饋和速度反饋。磁鐵交流同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的數(shù)量。

圖1永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速

交流電動(dòng)機(jī)的速度n與交流電源的頻率f，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p和速度滑移速度s之間的關(guān)系如下。

（1）

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，s≠0，對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，s=0在公式（1）中，如果更改電源頻率f，則可以看到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與f成正比變化。電動(dòng)機(jī)定子繞組的反電動(dòng)勢如下。

E=4.44fWkwΦ

如果省略了定子阻抗電壓降，則定子相電壓

U≈E=4.44fWkwΦ

可以看出，當(dāng)Φ的值減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流I2也減小，這不可避免地減小了電動(dòng)機(jī)的容許輸出轉(zhuǎn)矩M。同樣，如果相電壓U不變，則隨著f的減小，氣隙磁通Φ增大，磁路飽和，勵(lì)磁電流增大，鐵損急劇增大和減小。功率因數(shù)。因此，在改變頻率f進(jìn)行調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)改變定子的相電壓U，以使Φ的值接近相同，從而使M也接近。可以看出，交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是要獲得用于調(diào)頻和調(diào)壓的交流電源。

FM和電壓電源有幾種類型。通常將其實(shí)現(xiàn)為AC-DC-AC轉(zhuǎn)換電路，并且該電路的主要組件是三相電流逆變器。圖2顯示了使用最廣泛的電壓型功率晶體管（GTR）三相逆變器的主電路原理圖。通過AC-DC轉(zhuǎn)換二極管整流器電路獲得恒定的DC電壓Ud。功率晶體管開關(guān)元件T1，T4，T3，T6，T5，T2構(gòu)成三相脈寬調(diào)制逆變器，電容器C將逆變器的輸入保持為直流電壓Ud為恒定值，因此將該電路稱為電壓型逆變器。

圖2（a）電壓型功率晶體管（GTR）三相逆變器主電路電路圖

圖2（b）電壓型功率晶體管三相逆變器主電路波形圖

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逆變器開關(guān)元件T1，T2，T3由三角波1和正弦波2控制，并根據(jù)速度控制的要求產(chǎn)生特定的頻率和電壓幅度。等于恒定幅度的幅度產(chǎn)生如下：比較波形1和2。等距離和等距寬度的矩形脈沖3用作控制信號(hào)的開和關(guān)。因此，在逆變器的輸出端，得到與控制波形3相同的一組三個(gè)方波脈沖，該波形與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)的三相正弦電壓4相同。

在上面的討論中，調(diào)節(jié)逆變器變頻電壓的關(guān)鍵是逆變器控制端子獲得所需的控制波形3。作為控制波形的實(shí)現(xiàn)方法（即電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)的控制方法），廣泛使用的方法是矢量轉(zhuǎn)換控制。

圖3是交流伺服速度控制系統(tǒng)的示意圖的示例，該系統(tǒng)由兩部分組成：功率轉(zhuǎn)換器和控制平臺(tái)。電源轉(zhuǎn)換器由整流器和逆變器組成，整流器的功能是將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，如圖3的左上角所示。逆變器根據(jù)控制信號(hào)的要求將直流電轉(zhuǎn)換為直流電。所需的三相交流電，現(xiàn)在的高性能逆變器通常使用具有更高開關(guān)頻率的新型IPM電源模塊，如圖3右上方所示。

圖3“交流伺服速度控制系統(tǒng)示例

控制器平臺(tái)的硬件采用DSP + FPGA方法，如圖3底部所示。其中，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）設(shè)備和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的主要功能是使用軟件對(duì)所有控制任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，輸入和輸出信號(hào)處理，逆變器控制信號(hào)生成以及其他控制功能等。單片機(jī)AT89C52實(shí)現(xiàn)了顯示屏數(shù)碼管，鍵盤（用于調(diào)試和參數(shù)設(shè)置）和串口的管理。由于篇幅所限，此處不詳細(xì)介紹每個(gè)模塊的詳細(xì)角色。