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图3-14 正弦波—三角波调制
其SPWMF发生器具体电路如图3-15所示。
图 3-15 SPWM发生器电路图
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4） 交流伺服电机的驱动控制
电路原理及输出线电压的波形如图3-16所示。图中GRT为六只大功率晶体管，当然，也可以采用其它的功率器件。大功率晶体管各有一个与之反并联的续流二极管。来自控制电路的SPWM波形作为大功率晶体管基极控制电压，加在各功率管的基极上。在电路图中，按相序要求和频率要求协调控制的三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器，产生三路SPWM波形，经反相电路后，可得到六路SPWM信号，加在Vl～V6六只功率晶体管的基极，作为驱动控制信号。当逆变器工作于双极性工作方式时， 改变调制波的频率、幅值，就可改变最终输出 ： 只要正弦控制波的最大值低于三角波的幅值，比较器的输出U0就为等幅不等宽的SPWM脉宽调制波。三相SPWM调制时，三角波共用，每相都有一个输入正弦信号和SPWM调制器其输出调制波分别为UA、UB、UC。输入三相正弦信号相位相差120°，其幅值和频率是可调的。从而可改变输出的等效正弦波，以达到控制的目的。 SPWM调制波经功率放大才能驱动电机。在双极性SPWM变频器功率放大主回路中，左侧的桥式整流器将工频交流电变成直流恒值电压，给图中右侧逆变器供电。等效正弦脉宽调制波UA、UB、UC送入GRT的基极，则逆变器输出脉宽按正弦规律变化的等效矩形电压波，经过滤波变成正弦交流电用来驱动交流伺服电机。
图 3-16 永磁同步型伺服电机控制框图
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图中，CONV为整流器；SM为同步电机；P.B.U为再生电力吸收图；INV为变换器；iu、iv、iw为相电流；GRT为晶体三极管。REF为速度基难；CC为电流控制放大器；RD为速度变化器；PWM为脉宽调制器；SC为速度控制放大器；IFG为电流函数发生器[14]。
3-7 伺服驱动系统选定
步进电机和交流伺服电机性能比较。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。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步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 1）控制精度不同
两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 2）低频特性不同
步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
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交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3）矩频特性不同
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4）过载能力不同
步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5）运行性能不同
步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
[14]
6）速度响应性能不同
步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑。
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第四章 伺服驱动系统的设计
随着永磁同步电动机控制技术日趋完善，以往同步电动机的概念和应用范围已被现今的永磁同步电动机大大扩展。可以说，永磁同步电动机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生的性能，永磁同步伺服系统成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，其特点是高位置活到各种高精尖的科技领域作为主要的驱动电机出现，这种趋势会愈加清晰。因其卓越分辨率，高定位精度，宽调速范围，低速稳定运行，无爬行现象，力矩波动小，响应速度快，峰值转矩高，过载能力强，能承受频繁起停、制动和正反转，电机无电刷，可靠性高，可工作于恶劣的环境。
永磁同步电动机交流伺服系统由于其控制简单、性能好，在高性能的交流伺服系 统领域占据了很重要的地位。本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，基于DSP控制的永磁交流伺服系统，采用电压空间矢量控制方法，实现了基于转子磁场定向矢量控制的PMSM 交流伺服驱动系统的全数字化设计。
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