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3-6 交流伺服系统
1）交流伺服电机概述。
1800年伏特发明电池，是电气出现的开端，电动机的诞生和发展在这之后可以分成四个阶段：
从1820年一直到整个19世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则，诞生了交流电机的原型，并确立了电机的工业运用。
从20世纪开始一直到1970年代，是电动机的成长和成熟期，有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生，半导体驱动技术和电子控制概念引入，带来变频驱动的实用化。
从1970年代到20世纪末期，计算技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会，随着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进步，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高可靠、低成本等一系列变革，相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。
进入21世纪，在以多媒体和互联网为特征的信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑作用，向节约资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。
在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。随着电子电力等各项技术的发展，特别是现代控制理论的发展，
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在矢量控制算法方面的突破，原来一直困扰着交流电动机的问题得以解决，交流伺服发展地越来越快。交流伺服系统除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，与直流伺服电机系统相比有一系列优点:交流电机不存在换向器圆周调速限制， 也不存在电枢元件中电抗电势数值限制，其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高；调速范围宽，目前大多数的交流伺服电机的变速比可以达到 1:5000，高性能的伺服电机的变速比已达 1:10000 以上。在数控机床上应用的交流电机一般都为三相交流伺服电机。交流伺服电机依据电机运行原理不同，可分为永磁同步式、永磁直流无刷式、感应式、磁阻同步式交流伺服电机。永磁式同步电机的优点是结构简单、运行可靠、效率高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁材料后，电机在外形尺寸、质量及转子惯量方面都比直流电机大幅减小。所以，在机床进给驱动系统采用永磁式同步电机，主轴驱动系统可采用异步交流伺服电机 2）永磁式三相交流同步电机伺服系统。
永磁式同步型交流伺服电动机的工作原理。交流伺服电动机的转子是一个具有两个极的永磁体(也可以是多极的)。如图3-11所示按照电动机学原理，当电动机的定子三相绕组接通三相交流电源时，就会产生旋转磁场(Ns，Ss)以同步转速ns逆时针方向旋转。根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极Ns(或Ss)紧紧吸住转子，以同步转速ns在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ夹角。转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角θ增大；当负载转矩减小时θ角减小。但只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟着定子旋转磁场同步转动，此时转子的转速只决定于电源频率和电动机的极对数，而与负载大小无关。当负载转矩超过一定的限度，电动机就会“丢步”，即不再按同步转速运行直至停转。这个最大限度的转矩称为最大同步转矩，因此，使用永磁式同步电动机时，负载转矩不能大于最大同步转矩。
2)交流电动机调速原理
图 3-11 永磁式伺服电机工作原理
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由电动机学基本原理可知，交流电动机的同步转n0为： 式中 f1——定子供电
n0?60f1p频率，单位Hz，P——电动机定子绕组磁极对
数；从公式可以看出：平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化，这就是变频调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。电动机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。目前，数控机床主要采用变频调速等先进交流调速技术。
变频调速的主要环节是为电机提供频率可变电源的变频器。变频器可分为交—交变颐和交-直-交变频两种。交-交变频，利用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲。这个脉动交流电的基波就是所
需的变频电
压。但这种方法所得到的交流电中波动比较大，而且最大频率即为变额器输入的工频电压频率。在交—直变额，它先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基被频率就是所需的变频电压。这种调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性好。数控机床上常采用交—直—交变频调速。在交—直—交变频中，根据中间直流电压是否可调，可分为中间直流电压可调PWM逆变器和中间直流电压固定的PWM逆变器；中间直流电路上的储能元件是大电容还是大电感，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。在此以交—直—交型电压变频器为例说明变频工作原理
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正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器的组成如图3-12所示 ；
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图 3-12 正弦脉宽变频器主电路图组成
二极管整流器，用于交-直变换；脉宽调制逆变器，用于直-交变换、同时完成调频和调压任务。续流二极管D1~D6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管T1~ T6组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。电容用于滤平全波整流后的电压波纹；并在负载变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。
变频器的基本概念。1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从而获得优秀的工作性能，现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器。还有空间电压矢量PWM、最优PWM、预测PWM、随机PWM、规则采样数字化PWM等等。SPWM交–直–交变压变频器的原理框图如图4-2所示。整流器固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器结构将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器的供电。 逆变器由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控制极（大功率
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晶体管GTR为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等宽的矩形脉冲波） ，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。逆变器的功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。
3）正弦脉宽调制原理（以单相为例）
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正弦脉宽调制 （SPWM）波形：与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，等效原理：把正弦半波分成 n 等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。则矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效。正弦的正负半周均如此处理。在正弦脉宽调制方法中，利用正弦波作调制波受它调制的信号称为载波常用等腰三角波作载波。采用模拟电路产生SPWM方法，就是用一个正弦波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号(调制波)，用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)，将它们在电压比较器中进行比较，输出SPWM调制电压脉冲，图3-13所示是调制SPWM脉冲的原理图。具体来分析：三角波电压和正弦波电压分别接在电压比较器的“-”、“+’’输入端。当“u△﹤usin时，电压比较器输出高电平；反之则输出低电平。SPWM脉冲宽度由三角波和正弦波交点之间的距离决定，两者的交点随正弦波电压的大小而改变。因此，在电压比较器输出端就输出幅值相等而脉冲宽度不等的SPWM电压信号。图3-14所示是SPWM调制波示意图 。
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图 3-13 方波产生原理图
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