交流伺服电动机进给驱动系统优化方案

交流伺服电动机因其无刷、响应快、过载能力强等优点，已全面替代了直流伺服电动机。

交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为永磁同步式、永磁直流无刷式、感应（或称异步）式、磁阻同步式交流伺服电动机。这些电动机具有相同的三相绕组的定子结构。

感应式交流伺服电动机其转子电流由滑差电势产生，并与磁场相互作用产生转矩，其主要优点是无刷，结构坚固，造价低，免维护，对环境要求低，其主磁通用激磁电流产生，很容易实现弱磁控制，高转速可以达到4～5倍的额定转速；缺点是需要激磁电流，内功率因数低，效率较低，转子散热困难，要求较大的伺服驱动器容量，电动机的电磁关系复杂，要实现电动机的磁通与转矩的控制比较困难，电动机非线性参数的变化影响控制精度，必须进行参数在线辨识才能达到较好的控制效果。

永磁同步式交流伺服电动机气隙磁场由稀土永磁体产生，转矩控制由调节电枢的电流实现，转矩的控制较感应式交流伺服电动机简单，并且能达到较高的控制精度；转子无铜、铁损耗，效率高、内功率因数高，具有无刷免维护的特点，体积和惯量小，快速性好；在控制上需要轴位置传感器，以便识别气隙磁场的位置；价格高于感应式交流伺服电动机。

永磁直流无刷式交流伺服电动机其结构与永磁同步式交流伺服电动机相同，借助较简单的位置传感器（如霍尔磁敏开关）的信号，控制电枢绕组的换向，控制最为简单；由于每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组的数目通常只采用三相，相当于只有三个换向片的直流伺服电动机，因此运行时永磁直流无刷式交流伺服电动机的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭环才能运行于较低转速，该电动机的气隙磁通为方波分布，可降低电动机制造成本。有时，人们将永磁直流无刷式交流伺服电动机与永磁同步式交流伺服电动机混为一谈，两者在外表上很难区分，实际上它们的控制性能是有较大差别的。

磁阻同步式交流伺服电动机转子磁路具有不对称的磁阻特性，无永磁体或绕组，也不产生损耗；其气隙磁场由定子电流的激磁分量产生，定子电流的转矩分量则产生电磁转矩；内功率因数较低，要求较大的伺服驱动器容量，具有无刷、免维护的特点；克服了永磁同步式交流伺服电动机弱磁控制效果差的缺点，可实现弱磁控制，速度控制范围可达到0.1～10 000 r/min，兼有永磁同步式交流伺服电动机控制简单的优点，但需要轴位置传感器，价格较永磁同步式交流伺服电动机便宜，但体积较大。

目前应用较为广泛的交流伺服电动机是以永磁同步式交流伺服电动机为主，以永磁直流无刷式交流伺服电动机为辅，因此在本部分中将介绍两种交流伺服电动机的工作原理。

1.永磁直流无刷式交流伺服电动机的工作原理

图7-17　三相永磁直流无刷电动机工作原理(www.xing528.com)

三相永磁直流无刷式交流伺服电动机工作原理如图7-17所示，它由一台三相永磁步进电动机、功率逻辑开关单元和转子位置传感器组成。位置传感器采用一只光电器件VP1、VP2、VP3，均匀分布，相差120°，电动机轴上的旋转遮光板，使从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上。由于此时光电器件VP1被照射，从而使功率晶体管V1呈导通状态，电流流入A相绕组，该绕组电流产生定子磁势Fs与转子磁势Fm作用后，产生的转矩使转子顺时针方向转动，如图7-18（a）所示。当转子磁极转到图7-18（b）所示的位置时，转子轴上的旋转遮光板遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截止、晶体管V2导通，电流流入绕组B，使得转子磁极继续顺时针方向转动。当转子磁极转至图7-18（c）所示的位置时，旋转遮光板遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截止、晶体管V3导通，因而电流流入绕组C，于是驱动转子继续顺时针方向旋转，并重新回到图7-18（a），VP3被遮住，VP1被照射，致使晶体管V3截止，晶体管V1导通，开始新一轮的通电循环，转子便能顺时针地继续旋转。

图7-18　开关顺序及定子磁场旋转示意

2.永磁同步式交流伺服电动机的工作原理

在交流伺服电动机中，永磁同步式交流伺服电动机以响应快、控制简单的优点，而被广泛地应用。永磁同步式交流伺服电动机的定子绕组对称Y接的三相绕组，当通以对称三相电流时，定子的合成磁场Fs为一旋转磁场，其幅值不变，空间的相位角与电流某时刻的相位角有关。例如，当A相电流达到正最大值时，Fs的相位角与A相绕组轴线重合，如图7-19所示。当电流相序为A→B→C时，Fs磁场将以逆时针方向旋转。电动机的转子由稀土永磁材料制成，产生转子磁场FR，Fs和FR相互作用产生电磁转矩，其方向趋于使Fs与FR重合，即产生逆时针方向的转矩TM，该转矩正比于Fs、FR和sinθsR的乘积，若则转矩正比于Fs与FR的乘积。

图7-19　永磁同步式交流伺服电动机的工作原理

在电磁转矩TM的作用下，转子逆时针方向转动，由驱动控制器读取转子位置传感器PS的值，给出转子磁场FR的移动量ΔθR，用以控制定子三相电流值，即改变三相电流相位，使其合成磁场Fs沿转子旋转方向也移动相同的角度，即Δθs=ΔθR ，以保持不变，实现TM不变。

电磁转矩TM的大小则通过控制三相电流的幅值IM来实现，即控制Fs的大小。当需要转子反方向旋转时，改变三相电流的方向，使其合成磁场Fs改变180°，成为Fs′，电磁转矩TM也改变了方向，对转子起制动作用。当速度达到零后，转子将反方向加速至运行转速。

在这种控制方式下，永磁同步式交流伺服电动机运行于自同步状态，这称为磁场定向控制或矢量控制。