交流伺服電機

交流伺服電機的基本常識

交流伺服電動機的結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。交流伺服電動機使用時，激磁繞組兩端施加恆定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就發生改變，電機的方向也發生改變。為了在電機內形成一個圓形旋轉磁場，要求激磁電壓Uf和控制電壓UK之間應有90度的相位差，常用的方法有：

1）利用三相電源的相電壓和線電壓構成90度的移相

2）利用三相電源的任意線電壓

3）採用移相網路

4）在激磁相中串聯電容器

交流伺服電機定子的構造基本上與電容分相式單相非同步電動機相似。其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L，聯接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。

歷史

20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品並不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以後，世界各國已經商品化了的交流伺服系統是採用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發展日新月異。

優點

⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低。

⑵定子繞組散熱比較方便。

⑶慣量小，易於提高系統的快速性。

⑷適應於高速大力矩工作狀態。

物料計量

粉狀物料的計量，常用螺桿計量的方式．通過螺桿旋轉的圈數的多少來達到計量的目的。為了提高計量的精度，要求螺桿的轉速可調、位置定位準確，如果用交流伺服電機來驅動螺桿，利用交流伺服電機控制精度高、矩頻特性好的優點可以達到快速精確計量同樣．對粘稠體物料的計量，可以採用交流伺服電機來驅動齒輪泵，通過齒輪泵的一對齒輪的嚙合來進行計量。

橫封裝置

在制袋式自動包裝機械中，橫封裝置是一個重要的機構，它不僅要求定位準確，還要求橫向封台時橫封輪的線速度與薄膜供送的速度相等，而且在橫封輪對滾后，橫封輪的轉速應增大，即以較快的速度相分離。

傳統的方法是通過偏心輪或曲柄導桿機構等機械的方式來實現的，這樣不僅機構複雜、可靠性低，且調整十分麻煩。如果用交流伺服電機來驅動橫封輪，可以利用交流伺服電機優良的運動性能，通過交流伺服電機的非恆速運動來滿足橫向封口的要求，提高工作質量和效率。

供送物料

包裝機械供送物料的工作方式有間歇式和連續式兩類。

在間歇式供送物料方式中，如在間歇式制袋包裝機上，以前，包裝膜的供送多採用曲柄連桿機構間歇拉帶的方式，不僅結構複雜，調整也困難。如果用交流伺服電機驅動拉帶輪，可以在控制器中事先設定交流伺服電機每次運行的距離、運行的時間和停頓的時間，利用交流伺服電機的優良加速和定位性能，達到準確控制供送薄膜的長度的目的。尤其是在具有色標糾偏裝置的控制系統中，通過色標檢測開關檢測到的偏差信號，經控制器輸送到交流伺服電機，交流伺服電機優良的加速性能和控制精度，可以使偏差得到快速準確的糾正。

在連續式供送物料方式中，交流伺服電機的優良加速性能及其過載能力，可以保證連續勻速的供送物料。

長期以來，在要求調速性能較高的場合，一直佔據主導地位的是應用直流電動機的調速系統。但直流電動機都存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經常維護。換向器換向時會產生火花，使電動機的 最高速度受到限制，也使應用環境受到限制，而且直流電動機結構複雜，製造困難，所用鋼鐵材料消耗大，製造成本高。而交流電動機，特別是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點，且轉子慣量較直流電機小，使得動態響應更好。在同樣體積下，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高10﹪～70﹪，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速。現代數控機床都傾向採用交流伺服驅動，交流伺服驅動已有取代直流伺服驅動之勢。

非同步型

非同步型交流伺服電動機指的是交流感應電動機。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應電動機。其結構簡單，與同容量的直流電動機相比，質量輕1/2，價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能經濟地實現範圍很廣的平滑調速，必須從電網吸收滯后的勵磁電流。因而令電網功率因數變壞。

這種鼠籠轉子的非同步型交流伺服電動機簡稱為非同步型交流伺服電動機，用IM表示。

同步型

同步型交流伺服電動機雖較感應電動機複雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應電動機一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉子卻不同，按不同的轉子結構又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數較差、製造容量不大等缺點。數控機床中多用永磁式同步電動機。與電磁式相比，永磁式優點是結構簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機採用高剩磁感應，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小1/2，質量減輕60﹪，轉子慣量減到直流電動機的1/5。它與非同步電動機相比，由於採用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關的雜散損耗，所以效率高。又因為沒有電磁式同步電動機所需的集電環和電刷等，其機械可靠性與感應（非同步）電動機相同，而功率因數卻大大高於非同步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比非同步電動機小些。這是因為在低速時，感應（非同步）電動機由於功率因數低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機主要尺寸是據視在功率而定的。

在控制策略上，基於電機穩態數學模型的電壓頻率控制方法和開環磁通軌跡控制方法都難以達到良好的伺服特性，當前普遍應用的是基於永磁電機動態解耦數學模型的矢量控制方法，這是現代伺服系統的核心控制方法。雖然人們為了進一步提高控制特性和穩定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結構控制、自適應控制等理論，還有不依賴數學模型的模糊控制和神經元網路控制方法，但是大多在矢量控制的基礎上附加應用這些控制方法。還有，高性能伺服控制必須依賴高精度的轉子位置反饋，人們一直希望取消這個環節，發展了無位置感測器技術(Sensorless Control)。至今，在商品化的產品中，採用無位置感測器技術只能達到大約1:100的調速比，可以用在一些低檔的對位置和速度精度要求不高的伺服控制場合中，比如單純追求快速起停和制動的縫紉機伺服控制，這個技術的高性能化還有很長的路要走。

精度

步進電機的步距角一般為1．8。(兩相)或0．72。(五相)，而交流伺服電機的精度取決於電機編碼器的精度。以伺服電機為例，其編碼器為l6位，驅動器每接收2的16次方=65 536個脈衝，電機轉一圈，其脈衝當量為360‘/65 536=0，0055 ；並實現了位置的閉環控制．從根本上克服了步進電機的失步問題。

矩頻特性

步進電機的輸出力矩隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其工作轉速一般在每分鐘幾十轉到幾百轉。而交流伺服電機在其額定轉速(一般為2000r/min或3000r/rain)以內為恆轉矩輸出，在額定轉速以E為恆功率輸出。

過載能力

以松下交流伺服電機為例。

加速性能

步進電機空載時從靜止加速到每分鐘幾百轉，需要200—400ms：交流伺服電機的加速性能較好．

步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯繫。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用於數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈衝串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。

精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用於慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角（如果採用步進電機細分驅動器，還可以將其細分至更小，比如1.8度/512細分=0.003515625度）。交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式交流伺服電機為例，對於帶標準2500線編碼器的電機而言，由於驅動器內部採用了四倍頻技術，其脈衝當量為360°/10000=0.036°。對於帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈衝電機轉一圈，即其脈衝當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈衝當量的1/655。

低頻不同

步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對於機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應採用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上採用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，並且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便於系統調整。

矩頻不同

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恆力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恆功率輸出。

過載不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那麼大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

運行不同

步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行採樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

響應不同

步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用於要求快速啟停的控制場合。

總結

綜上所述，交流伺服電機在許多性能方面都優於步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。