交流伺服电机与速度控制系统的交流

如前所述，由于直流电机具有优良的调速性能，因此长期以来，在调速性能要求较高的场合，直流电机调速一直占据主导地位。但是由于它的电刷和换向器的磨损，有时会产生火花。由于换向器由多种材料制成，制作工艺复杂，限制了电机的最高速度，且直流电机结构复杂，成本较高，所以在使用上受到一定的限制。而近年来交流电机的飞速发展，使它不仅克服了直流电机结构上存在整流子和电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受限等缺点，同时又充分发挥了交流电机坚固耐用、经济可靠、动态响应好、输出功率大等优点。因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。

1.交流伺服电机的分类与特点

在数控机床上应用的交流伺服电机一般都为三相。交流伺服电机分为异步型交流伺服电机（也称为交流异步电机）和同步型交流伺服电机（也称为交流同步电机）。

从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步型交流伺服电机可分为电磁式和非电磁式两大类。在后一类中又有磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式交流同步电机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点。永磁式交流同步电机与电磁式交流同步电机相比，其优点是结构简单、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度减小。与异步型交流伺服电机相比，由于同步型交流伺服电机采用永磁铁励磁消除了励磁损耗，所以效率高；其体积也比异步型交流伺服电机小。所以在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式交流同步电机。

异步型交流伺服电机相当于交流感应异步电机，它与同容量的直流伺服电机相比，重量轻，价格便宜。它的缺点是其转速受负载的变化影响较大，同时不能经济地实现范围较广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而会使电网功率因数变坏。所以进给运动一般不用异步型交流伺服电机，而用在主轴驱动系统中。

（1）永磁式交流同步电机

图2-7-19　永磁式交流同步电机的工作原理

永磁式交流同步电机由定子、转子和检测元件三部分组成，其工作原理与电磁式交流同步电机的工作原理相同，即定子三相绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，带动转子一起旋转。所不同的是转子磁极不是由转子的三相绕组产生，而是由永久磁铁产生，其工作过程如图2-7-19所示，当定子三相绕组通以交流电后产生一旋转磁场，这个旋转磁场以同步转速ns旋转。根据磁极同性相斥、异性相吸的原理，定子旋转磁场与转子永久磁场磁极相互吸引，并带动转子一起旋转，因此转子也将以同步转速ns旋转。当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极的轴线将与定子磁极的轴线相差一个θ 角，若负载越大，θ 也越大。只要外负载不超过一定限度，转子就会与定子旋转磁场一起旋转。若设转子转速为nr，则

式中：f1为交流供电电源频率（定子供电频率），单位为Hz；

p为定子和转子的极对数。

永磁式交流同步电机的转速-转矩曲线如图2-7-20 所示。曲线分为连续工作区和断续工作区两部分。在连续工作区内，速度与转矩的任何组合都可以连续工作。连续工作区的划分有两个条件：一是供给电机的电流是理想的正弦波；二是电机工作在某一特定的温度下。断续工作区的极限一般受到电机的供电限制。交流电机的机械特性一般要比直流电机硬。另外，断续工作区较大时，有利于提高电机的加、减速能力，尤其是在高速区。

图2-7-20　永磁式交流同步电机的转速-转矩曲线

永磁式交流同步电机的缺点是启动难。这是由于转子本身的惯量、定子与转子之间的转速差过大，使转子在启动时所受的电磁转矩平均值为0 所致，因此电机难以启动。解决的办法是在设计时设法减小电机的转动惯量，或在速度控制单元中采取先低速后高速的控制方法。

（2）交流主轴电机

交流主轴电机是基于感应电机的结构而专门设计的。为增加输出功率、缩小电机体积，其通常采用定子铁芯在空气中直接冷却的方法，没有机壳，且在定子铁芯上做有通风孔。因此电机外形多呈多边形而不是常见的圆形。转子结构与普通感应电机相同。在电机轴尾部安装检测用的码盘。为了满足数控机床切削加工的特殊要求，也出现了一些新型主轴电机，如液体冷却主轴电机和内装主轴电机等。

交流主轴电机与普通感应式伺服电机的工作原理相同。由电工学原理可知，在电机定子的三相绕组通以三相交流电时，就会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，从而推动转子转动，其转速为

式中：s为转差率，其表达式为

同感应式伺服电机一样，交流主轴电机需要转速差才能产生电磁转矩，所以电机的转速低于同步转速，转速差随外负载的增大而增大。

2.交流电机控制方式

每台电机都有额定转速、额定电压、额定电流和额定频率。国产电机通常的额定电压是220 V 或380 V，额定频率为50 Hz。当电机在额定值运行时，定子铁芯达到或接近磁饱和状态，电机温升在允许的范围内，电机连续运行时间可以很长。在变频调速过程中，电机运行参数发生了变化，这可能破坏电机内部的平衡状态，严重时会损坏电机。由电工学原理可知

式中：N1为定子每相绕组匝数；

K1为定子每相绕组等效匝数系数；

U1为定子每相相电压；

E1为定子每相绕组感应电动势；

Φm为每极气隙磁通量；

Tm为电机电磁转矩；

CM为转矩常数；

I2为转子电枢电流；

φ2为转子电枢电流的相位角。

由于N1、K1为常数，Φm与U1／f1成正比。当电机在额定参数下运行时，Φm达到临界饱和值，即Φm达到额定值ΦmN。而在电机工作过程中要求Φm必须在额定值以内，所以Φm的额定值为界限，供电频率低于额定值f1N时称为基频以下调速，高于额定值f1N时称为基频以上调速。(www.xing528.com)

（1）基频以下调速

由式（2-7-11）可知，当Φm处在临界饱和值不变时，降低f1，必须按比例降低U1，以保持U1／f1为常数。若U1不变，则使定子铁芯处于过饱和供电状态，不但不能增加Φm，而且会烧坏电机。

当在基频以下调速时，Φm保持不变，即保持定子绕组电流不变，电机的电磁转矩Tm为常数，称为恒转矩调速，满足数控机床主轴恒转矩调速运行的要求。

（2）基频以上调速

在基频以上调速时，频率高于额定值f1N，受电机耐压的限制，相电压U1不能升高，只能保持额定值ΦmN不变。在电机内部，由于供电频率的升高使感抗增加，相电流降低使Φm减小，由式（2-7-12）可知输出转矩Tm减小，但因转速提高使输出功率不变，因此称为恒功率调速，满足数控机床主轴恒功率调速运行的要求。当频率很低时，定子阻抗压降已不能忽略，必须人为地提高定子电压U1，用以补偿定子阻抗压降。图2-7-21为交流电机变频调速的特性曲线。

图2-7-21　交流电机变频调速的特性曲线

1—不带定子阻抗压降补偿；2—带定子阻抗压降补偿

3.交流伺服电机的变频调速

由式（2-7-8）和式（2-7-9）可见，只要改变交流伺服电机的供电频率，即可改变交流伺服电机的转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是交频调速。

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- 交变频器和交-直- 交变频器两种，如图2-7-22 所示。交-交变频利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50 Hz）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波动比较大，而且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。交-直-交变频方式是先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。这种变频方式所得交流电的波动小，变频范围比较宽，调节线性度好。数控机床上常采用交-直-交变频调速。在交-直-交变频器中，根据中间直流电压是否可调，可分为中间直流电压可调PWM 变频器和中间直流电压固定的PWM 变频器；根据中间直流电路上的储能元件是大电容还是大电感，可分为电压型变频器和电流型变频器。

图2-7-22　两种变频方式

（a）交-交变频；（b）交-直-交变频

SPWM （Sinusoidal PWM）变频器是目前应用最广、最基本的一种交-直-交型电压变频器，也称为正弦波PWM 变频器，具有输入功率因数高和输出波形好等优点，不仅适用于永磁式交流同步电机，也适用于交流感应异步电机，在交流调速系统中获得广泛应用。

SPWM 变频器是用来产生正弦脉宽调制波，如图2-7-23 所示，正弦脉宽调制波的形成原理是把一个正弦半波分成N 等份，然后把每一等份的正弦曲线与横坐标所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，这样可得到N 个等高而不等宽的脉冲。这N 个脉冲对应着一个正弦波的半周。对正弦波的负半周也采取同样处理，得到相应的2N 个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，即SPWM 波。

图2-7-23　与正弦波等效的正弦脉宽调制波

SPWM 波形可采用模拟电路、以“调制”方法实现。SPWM 波是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压信号，它是利用三角波电压与正弦参考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。图2-7-24 （a）所示为SPWM 波的电路原理，在电压比较器Q 的两输入端分别输入正弦波参考电压UR和频率与幅值固定不变的三角波电压U△，在Q的输出端得到SPWM 调制电压脉冲。SPWM 脉冲宽度确定可由图2-7-24 （b）看出，当U△＜UR时，Q 输出端为高电平；而U△＞UR时，Q 输出端为低电平。UR与U△的交点之间的距离随正弦波的大小而变化，而交点之间的距离决定了比较器Q 输出脉冲的宽度，因而可以得到幅值相等而宽度不等的SPWM 信号UP，且该信号的频率与三角波电压U△相同。

图2-7-24　SPWM 原理

（a）电路原理；（b）SPWM 脉冲的形成

要获得三相SPWM 波形，则需要3 个互成120°的控制电压UA、UB、UC分别与同一三角波比较，获得3 路互成120°的SPWM 波U0A、U0B、U0C，如图2-7-25 所示为三相SPWM控制电路框图，而三相控制电压UA、UB、UC的幅值和频率都是可调的。三角波频率为正弦波频率3 倍的整数倍，保证了三路脉冲调制波形U0A、U0B、U0C和时间轴所组成的面积随时间的变化互成120°相位角。

三相电压型SPWM 变频器的主回路（又称三相逆变电路）如图2-7-26 所示。该回路由两部分组成，即左侧的桥式整流电路和右侧的变频器电路，变频器是其核心。桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而变频器的作用则是将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行。直流电源并联有大容量电容器件Cd，由于存在这个大电容，直流输出电压具有电压的特性，内阻很小，这使变频器的交流输出电压被钳位为矩形波，与负载性质无关，交流输出电流的波形与相位则由负载功率因数决定。在异步电机变频调速系统中，这个大电容同时又是缓冲负载无功功率的储能元件。直流回路电感Ld起限流作用，电感量很小。

图2-7-25　三相SPWM 控制电路框图

图2-7-26　三相电压型SPWM 变频器主回路

三相逆变电路由6 只具有单向导电性的大功率开关管VT1～VT6组成。每只功率开关上反并联一只续流二极管，即图中的VD1～VD6，为负载的电流滞后提供一条反馈到电源的通路。6 只功率开关管每隔60°电角度导通一只，相邻两只的功率开关相差120°导通，一个周期共换向6 次，对应6 个不同的工作状态（又称为六拍）。根据功率开关导通持续的时间不同，可以分为180°导通型和120°导通型两种工作方式。导通方式不同，输出电压波形也不同。

图2-7-27为SPWM 变频调速系统框图。速度（频率）给定器给定信号，用以控制频率、电压及正/反转；平稳启动回路使启动加/减速时间可随机械负载情况设定达到软启动目的；函数发生器是为了在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响而设。电压频率变换器将电压信号转换成具有一定频率的脉冲信号，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一并送入调制回路；电压调节器和电压检测器构成闭环控制，经电压调节器产生频率与幅值可调的控制正弦波，送入调制回路；在调制回路中进行SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号；在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，即对SPWM 的主回路进行控制，实现对电磁交流伺服电机的变频调速；电流检测器进行过载保护。

图2-7-27　SPWM 交频调速系统框图

SPWM 控制信号可用多种方法产生，上面介绍的是模拟电路实现的SPWM 变频，其缺点是所需硬件比较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。而由数字电路实现的SPWM变频器，则采用以软件为基础的控制模式，其优点是所需硬件少、灵活性好、智能性强，但需要通过计算确定SPWM 的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。随着高速、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM 专用芯片的出现，采用微机控制的数字化SPWM 技术已占当今SPWM 变频器的主导地位，人们倾向于用微处理器或单片机来合成SPWM 信号，生产出全数字的变频器。

用微处理器合成SPWM 信号，通常使用算法计算后形成表格，存于内存中。

在工作过程中，通过查表方式，控制定时器定时输出三相SPWM 信号，通过外部硬件电路延时和互锁处理，形成6 路信号。但由于受到计算速度和硬件性能的限制，SPWM 的调制频率及系统的动态响应速度都不能达到很高。在闭环变频调速系统中，采用一般的微处理器实现纯数字的速度调节和电流调节比较困难。目前，具有代表性的SPWM 专用芯片有美国INTEL 公司的8XC196MC 系列、日本电气（NEC）公司的PD78336 系列和日本日立公司的SH7000 系列。