交流伺服电机的分类、特点及闭环驱动

伺服电机内部的转子是永磁体，由驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在这个磁场的作用下旋转。同时，电机的编码器向驱动器反馈信号，驱动器根据反馈值与目标值的比较来调整转子的旋转角度。伺服电机的精度取决于编码器的精度(行数)。

交流伺服电机的结构可分为两部分，即定子部分和转子部分。定子的结构与旋变器基本相同，定子铁芯内放置90度电角度的两相绕组。一组是励磁绕组，另一组是控制绕组。交流伺服电机是两相交流电机。当使用交流伺服电机时，恒定的励磁电压Uf施加到励磁绕组的两端，控制电压Uk施加到控制绕组的两端。当电压施加到定子绕组时，伺服电机将快速转动。电流通过励磁绕组和控制绕组在电机中产生旋转磁场，旋转磁场的旋转方向决定电机的旋转方向。当施加到任何绕组上的电压反向时，旋转磁场的方向就会改变，电机的方向也随之改变。

　　交流伺服电机的分类及其特点

长期以来，当需要高调速性能时，采用DC电机的调速系统一直占据主导地位。然而，DC电机有一些固有的缺点，如电刷和换向器容易磨损，需要经常维护。换向器换向时会产生火花，限制了电机的转速和应用环境。而且DC电机结构复杂，制造难度大，钢材消耗大，制造成本高。而交流电机，尤其是鼠笼式感应电机，没有上述缺点，转子惯量比DC电机小，使得动态响应更好。在相同体积下，交流电机的输出功率比DC电机提高10% ~ 70%。此外，交流电机的容量可大于DC电机，以实现更高的电压和速度。现代数控机床倾向于采用交流伺服驱动，取代了DC伺服驱动。

　　异步型

异步交流伺服电机是指交流感应电机。分为三相和单相、鼠笼式和线绕式，通常采用鼠笼式三相感应电动机。与同容量的DC电机相比，它的重量轻了1/2，价格只有DC电机的1/3。缺点是不能经济地实现大范围的平滑调速，滞后的励磁电流必须从电网中吸收。因此，电网的功率因数恶化。

鼠笼转子异步交流伺服电机简称异步交流伺服电机，用IM表示。

　　同步型

同步交流伺服电机虽然比感应电机复杂，但比DC电机简单。和感应电机一样，它的定子装有对称的三相绕组。但是转子是不同的，根据转子结构的不同可以分为电磁型和非电磁型。非电磁型分为磁滞型、永磁型和反作用型。其中，滞环同步电机和无功同步电机存在效率低、功率因数差、制造能力小等缺点。永磁同步电机广泛应用于数控机床中。与电磁式相比，永磁式具有结构简单、运行可靠、效率高的优点；缺点是体积大，启动特性差。但采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土磁体后，永磁同步电机比DC电机小1/2左右，质量降低60%，转子惯量降低到DC电机的1/5。与异步电机相比，由于采用永磁励磁，消除了励磁损耗和相关的杂散损耗，因此效率较高。由于电磁同步电机不需要集电环和电刷，其机械可靠性与感应(异步)电机相同，但功率因数远高于异步电机，所以永磁同步电机的体积小于异步电机。这是因为在低速时，感应(异步)电机由于功率因数低，在输出相同有功功率时，其视在功率要大得多，而电机的主要尺寸取决于视在功率。

数控机床使用的交流电机一般为三相。它分为异步和同步交流伺服电机。

从建立所需气隙磁场磁势源的角度来看，同步交流电机分为电磁和非电磁两类。非电磁型有磁滞型、永磁型和反作用型。磁滞同步电机和反作用同步电机存在效率低、功率因数差、制造能力小等缺点。

　　永磁式同步电机：

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　　故数控机床进给驱动系统多采用永磁式同步电机。

　　异步型交流伺服电机：

　　与同容量的直流电机相比

　　故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。

　　同步和异步的区别：

　　（1）交流同步电机：转子由永磁材料制成，转动后，随着定子旋转磁场的变化，转子也做相应频率的速度变化，而且转子速度等于定子速度，所以称“同步”。

　　（2）交流异步电机：转子由感应线圈和铁心材料构成。转动后，定子产生旋转磁场，磁场切割转子的感应线圈，转子线圈产生感应电流，进而转子产生感应磁场，感应磁场追随定子旋转磁场的变化，但转子的磁场变化永远小于定子磁场的变化。在交流异步电机的关键参数转差率表示转子与定子的速度差的比率。

　　1、永磁式交流同步电机

　　结构：电机由定子、转子和检测元件组成。

　　两点启示：

　　、有一个旋转的磁场；

　　第二、转子跟着磁场转动。

　　三相对称电流

　　三相电流产生的旋转磁场（p=1）

　　永磁式交流同步电机工作原理和性能

　　其中，nr为转子旋转转速；ns为同步转速；θ为转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角；f1为交流电源频率（定子供电频率）；p为定子和转子的极对数。

　　2、交流主轴电机

　　定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，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，推动转子转动，转速nr为

　　其中，ns为同步转速；f1为交流电源频率（定子供电频率）；s为转差率，s=（ns-nr）/ns；

　　p为极对数。

　　交流伺服电机的闭环驱动

　　闭环控制系统是采用直线型位置检测装置（直线感应同步器、长光栅等）对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统，其控制原理见图1所示。这种系统有位置检测反馈电路，有时还加上速度反馈电路。

　　1. 交流同步伺服电机的种类

　　励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式

　　2. 永磁交流同步伺服电机的结构

　　电机由定子、转子和检测元件组成。见图2所示。其内部结构见图3所示。

　　3．永磁交流同步伺服电机工作原理和性能

　　当三相定子绕组通入三相交流电后，在定子、转子之间产生一个同步的旋转磁场，设转子为永久磁铁，在磁力作用下，使转子跟随旋转磁场同步转动。

　　只要负载不超过一定限度，就不会出现交流同步电动机失步现象，这个负载极限称为同步扭矩。

　　用减少转子惯量，或让电动机先低速再提高到所要求的速度等方法，解决同步电机启动困难的问题。

　　主要参数：额定功率、额定扭矩、额定转速等。

　　交流伺服电机的优点：

　　◆ 动态响应好；

　　◆ 输出功率大、电压和转速提高。

　　4. 永磁交流同步伺服电机的调速方法

　　进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速为

　　调速方法：变频调速

　　5. 交流进给伺服电机的速度控制系统

　　系统组成：速度环、电流环 、SPWN电路、功放电路、检测反馈电路。见图4所示。