不同类型的交流伺服电动机及其应用

在传统的控制方法中，交流伺服电动机（AC Servo Motor）的控制电路比较复杂，产品的价格也比较昂贵，直到20世纪七八十年代，应用交流伺服电动机的场合还是十分有限的。20世纪90年代以后，采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动大量商品化，交流伺服驱动在传动领域的发展日新月异。交流伺服系统已成为高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，各自特点如下。

（1）直流伺服电动机具有电刷和换向器，尺寸较大且必须经常维修，使用环境也受到一定影响，特别是其容量较小，受换向器限制，很多特性参数随速度变化，因而限制了直流伺服电动机向高转速、大容量发展。交流伺服电动机无电刷和换向器，因此工作可靠，采用了全封闭无刷结构，以适应实际生产环境，不需要定期检查和维修。

（2）交流伺服电动机定子省去了铸件壳体，结构紧凑、外形小、重量轻（只有同类直流电动机的75%～90%）。定子铁心较一般电动机开槽多且深，绕组绕在定子铁心上，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子铁心直接冷却，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的可靠性。

（3）交流伺服电动机转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，惯量小，动态响应好，运行平稳，因而可实现高转速大转矩。

（4）交流伺服电动机和直流伺服电动机相比，同功率下有较小的体积和重量。

交流伺服电动机的控制性能没有直流伺服电动机的好，因此，交流伺服系统的发展历史没有直流伺服系统早。交流伺服电动机和直流伺服电动机各有明显的优缺点，选用的时候要看具体的使用场合。

（一）交流伺服电动机的分类

交流伺服电动机属于控制类电动机，这和普通电动机有所区别。交流伺服电动机带编码器反馈闭环控制，能满足快速响应和准确定位，而普通电动机的构造相对简单，没有编码器反馈。同时，交流伺服电动机的材料、结构和加工工艺都要远远优于变频器驱动的普通交流电动机。即当伺服驱动器输出电流、电压、频率变化很快时，伺服电动机能产生相应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电动机。这是因为普通交流电动机本身反应不够及时，所以在变频器的内部算法设定时为了保护电动机做了相应的过载设定。

交流伺服电动机主要分为异步型交流伺服电动机和同步型交流伺服电动机，其特点分别如下。

1.异步型交流伺服电动机

异步型交流伺服电动机指的是交流异步电动机，它有三相和单相之分，也有笼型和线绕型，通常多用笼型三相异步电动机，其结构简单，与同容量的直流电动机相比，重量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而令电网功率因数变坏。这种笼型转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。

2.同步型交流伺服电动机

同步型交流伺服电动机虽然较异步型复杂，但比直流电动机简单。它的定子结构相同—都装有对称的三相绕组，而转子却不同，按不同的转子结构又分为电磁式和非电磁式两大类。非电磁式又分为永磁式、磁滞式和反应式多种。其中磁滞式和反应式因效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点很少应用；永磁式的优点是结构简单、运行可靠、效率较高，缺点是体积大、起动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动机的外形尺寸约小1/2，重量减轻60%，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与异步电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小。这是因为在低速时，异步电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率（Apparent Power，即端口的电压有效值与电流有效值之乘积）却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。

（二）交流伺服电机的性能指标(www.xing528.com)

交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。

1.调速范围

低档的伺服系统调速范围在1∶1000以上，一般的在1∶5000～1∶10000，高性能的可以达到1∶100000以上。

2.定位精度

定位精度一般都要达到±1个脉冲以上，稳速精度（尤其是低速）在假定1r/min时，一般的在±0.1r/min以内，高性能的可以达到±0.01r/min以内。

3.动态响应

动态响应采用系统最高响应频率来衡量，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50%。高档伺服电动机响应频率高达1kHz，一般产品的频率在200Hz～500Hz。

4.运行稳定性

运行稳定性主要是指系统在电压波动、负载波动、电动机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。

（三）交流伺服电动机的应用实例

大多机器人系统采用的是直流伺服电动机，但是直流伺服电动机传递功率较小，机器人不能完成重物件的搬运等任务，为了提高传递功率，交流伺服电动机被开发并推广。如以制造机床数控装置出名的FANUC公司在20世纪80年代便推出交流伺服电动机系列，德国西门子推出IFTS系列等上百个规格。交流伺服电动机的用途也越来越广泛，比如，德国KUKA公司生产的工业机器人，可抓取120kg的重物，用于完成电焊、喷漆以及搬运等工作。

在实际构成用户系统时，一般采用单片机对交流伺服电动机实施控制。高性能的交流伺服电动机有其配套的变频驱动器。单片机对电动机的控制是通过变频驱动器进行的。以常用的交流伺服电动机为例，其变频驱动器一般采用交-直-交工作原理，即先通过整流桥把电网的交流电压变成直流电压，经滤波处理，再由逆变电路把直流电压转换成不同频率的交流电压驱动伺服电动机变速；伺服电动机还配有高性能的编码器，可以精确地测量转子的位置与电动机的转速，交流伺服电动机通过变频驱动器受控于单片机控制器发出的指令和编码器的位置反馈信号。