| 直流伺服電機在數控進給伺服系統中曾得到廣泛的應用，它具有良好的調速和轉矩特性，但是它的結構復雜、制造成本高、體積大，而且電機的電刷容易磨損，換向器會產生火花，使直流伺服電機的容量和使用場合受到限制。交流伺服電機沒有電刷和換向器等結構上的缺點；并且隨著新型功率開關器件、專用集成電路、計算機技術和控制算法等的發展，促進了交流驅動電路的發展，使得交流伺服驅動的調速特性更能適應數控機床進給伺服系統的要求。現代數控機床都傾向采用交流伺服驅動，交流伺服驅動大有取代直流伺服驅動之勢。 1.交流伺服電機的結構 交流電機有交流感應電機和交流同步電機之分。交流感應電機結構簡單、容量大、價格低，一般用作主運動的驅動電機。 永磁同步交流伺服電機用作進給運動的驅動電機，其結構示意如圖1所示。電機由定子、轉子和檢測元件組成。定子由沖片疊成，其外形呈多邊形，沒有機座，這樣有利于散熱。在定子齒槽內嵌入某一極對數的三相繞組。轉子也由沖片疊成，并在其中裝有永久磁鐵，組成的極對數與定子的極對數相同。永久磁鐵有：鋁鎳鈷合金、鐵淦氧合金和釹鐵硼合金即稀土永磁合金等，以稀土永磁合金的性能最好。檢測元件一般都用脈沖編碼器，也可用旋轉變壓器加測速發電機，用以檢測電機的轉角位置、位移和旋轉速度，以便提供永磁交流同步電機轉子的絕對位置信息、位置反饋量和速度反饋量。 圖1 永磁同步交流伺服電機結構示意圖 2.交流伺服電機的變頻調速 交流電動機的轉速n，與交流電源頻率f，電機極對數p以及轉速滑差率s之間的關系為 (1) 對于異步電機s≠0，對于同步電機則s=0。由式（1）可知，改變電源的頻率f，電機的轉速n與f成正比例變化。電機定子繞組的反電勢為 E=4.44fWkwΦ 如果略去定子的阻抗壓降，則定子相電壓 U≈E=4.44fWkwΦ 上式說明，kw為常數，若相電壓U不變，則隨著頻率f的升高，氣隙磁通Φ將減小。又從轉矩公式 可以看出，Φ值減小，電機轉子的感應電流I2也相應減小，勢必導致電機的允許輸出轉矩M下降。另外，若相電壓U不變，隨著f的減小，氣隙磁通Φ將增加，這會使磁路飽和，激磁電流上升導致鐵耗劇增，功率因數下降。因此改變頻率f進行調速時，需要同時改變定子的相電壓U，以維持Φ值接近不變，從而使M也接近不變。可見交流伺服電機變頻調速的關鍵問題是要獲得調頻調壓的交流電源。 調頻調壓電源有很多種。通常采用交流-直流-交流的變換電路來實現，這種電路的主要組成部分是三相電流逆變器。圖2所示是目前應用最廣泛的電壓型功率晶體管（GTR）三相逆變器主回路原理圖。由交流-直流變換的二極管整流電路獲得恒定的直流電壓Ud，功率晶體管開關元件T1、T4，T3、T6，T5、T2組成三相脈寬調制逆變器，電容C力圖維持逆變器的輸入直流電壓Ud為恒值， 因此，這一線路稱為電壓型逆變器。 圖2 (a) 電壓型功率晶體管（GTR）三相逆變器主回路原理圖 圖2 (b) 電壓型功率晶體管三相逆變器主回路波形圖 逆變器開關元件T1、T2，T3的控制是由三角波1和按調速控制要求生成的具有一定頻率和電壓幅值的正弦波2，通過波形1和2的比較生成等幅、等距而不等寬的矩形脈沖3，作為控制其通斷的控制信號的。從而在逆變器的輸出端獲得三組與控制波形3相似的矩形脈沖，這種波形在驅動電機時，其作用等效于三相正弦電壓4。 由上面的討論可知，變頻器實現變頻調壓的關鍵是逆變器控制端獲得要求的控制波形3。控制波形的實現方式（即電機調速的控制方式），現在廣泛采用的方式是矢量變換控制。 圖3是交流伺服調速系統原理圖的實例，該系統由功率變換器和控制平臺兩部分組成。功率變換器又由整流器和逆變器兩部分構成，整流器的作用是將輸入的三相交流電變換成直流電，如圖3左上部所示；逆變器是將直流電按控制信號的要求變換成所需要的三相交流電，現在高性能逆變器常常采用新型的開關頻率較高的IPM功率模塊，如圖3右上部所示。 圖3 交流伺服調速系統實例 控制器平臺的硬件上采用DSP+FPGA的方案，如圖3的下半部分所示。其中FPGA（現場可編程門陣列）器件和DSP（數字信號處理器）的主要功能是與軟件一起，實現對所有控制任務的調度，輸入輸出信號的處理、逆變器控制信號的生成以及其他控制功能等。單片機AT89C52實現對顯示數碼管、鍵盤（用于調試和參數設置）以及串口的管理。限于篇幅，各模塊的詳細作用，這里不再詳細討論了。 |
