交流伺服电机及驱动

直流伺服电机具有优良的调速性能， 80 年代初至 90 年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：

● 电刷和换向器易磨损，维护麻烦

● 结构复杂，制造困难，成本高

  而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高 10% ～ 70% ，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。

  变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求控制波形（如 SPWM 波）。

● 控制波形的实现方式（电机调速的控制方式）

相位控制；

矢量变换控制；

PWM 控制；

  磁场控制；

  闭环、半闭环进给伺服系统

● 闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征

模拟型系统、数字型系统。

  模拟型系统：

特点：

  抗干扰能力强，一般不会因峰值误差导致致命的误动作。

  可用常规仪器仪表（示波器，万用表等）直接读取信息， 易于随时把握系统工作的基本情况。

  对弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。

  在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生漂移误差。

  位置、速度调节器的结构和参数调整困难，适应负载变化的能力较差。

  模拟系统这种本质缺陷，使它很难满足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。

  数字型系统：

  特征：这类系统是指至少其位置环控制与调节采用数字控制技术，即位置指令和反馈信号都不再是模拟信号 改用数字信号（逻辑电平脉冲信号）的系统。

特点：

  可以通过增加数字信息的安长，来满足要求的控制精度。

  对逻辑电以下的漂移、噪声不予晌应，零点定位精度可以得到充分保证。

  容易对其结构和参数进行修改（根据控制要求），且易于与计算机进行数据交换。

  噪声峰值大于逻辑电平时，对数据的最高位和最低位的干扰出错程序是相同的，这种错误可能导致系统致命的危害。

  传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。

  抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键。

  构成： 该系统中，位置闭环的控制与调节运算主要由 偏差计数器 （一般为可逆计数器）和 D/A 完成。

  柔性差： 系统全由硬件构成，使得它的各调节器参数在机电联调整定后就固定下来了，不易改变， 这对负载惯量变化不大 的位置伺服系统（如车床刀架进给控制） ，可获得满意的控制性能指。而 对某些负载惯量较大 的系统，则很难在整个范围内（负载惯量变化）都获得满意的控制效果。零漂将影响精度：这类系统依靠 D/A ，将位置调节输出的数字量转化成模拟电压作速度指令信号。提供给速度伺服单元，因此，其零点漂移将影响定位精度。

● 半软件型伺服系统

  这种系统的位置控制采用软硬件组成，速度控制仍采用模拟方式，系统组成如图所示：

  特点：

  抗干扰能力强，一般不会因峰值误差导致致命的误动作。

  可用常规仪器仪表（示波器，万用表等）直接读取信息， 易于随时把握系统工作的基本情况。

  对弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。

  在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生漂移误差。

  位置、速度调节器的结构和参数调整困难，适应负载变化的能力较差。

  模拟系统这种本质缺陷，使它很难满足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。

  数字型系统：

  特征：这类系统是指至少其位置环控制与调节采用数字控制技术，即位置指令和反馈信号都不再是模拟信号 改用数字信号（逻辑电平脉冲信号）的系统。

特点：

  可以通过增加数字信息的安长，来满足要求的控制精度。

  对逻辑电以下的漂移、噪声不予晌应，零点定位精度可以得到充分保证。

  容易对其结构和参数进行修改（根据控制要求），且易于与计算机进行数据交换。

  噪声峰值大于逻辑电平时，对数据的最高位和最低位的干扰出错程序是相同的，这种错误可能导致系统致命的危害。

  传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。

  抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键。

构成： 该系统中，位置闭环的控制与调节运算主要由 偏差计数器 （一般为可逆计数器）和 D/A 完成。

柔性差： 系统全由硬件构成，使得它的各调节器参数在机电联调整定后就固定下来了，不易改变， 这对负载惯量变化不大 的位置伺服系统（如车床刀架进给控制） ，可获得满意的控制性能指。而 对某些负载惯量较大 的系统，则很难在整个范围内（负载惯量变化）都获得满意的控制效果。零漂将影响精度：这类系统依靠 D/A ，将位置调节输出的数字量转化成模拟电压作速度指令信号。提供给速度伺服单元，因此，其零点漂移将影响定位精度。

● 半软件型伺服系统

  这种系统的位置控制采用软硬件组成，速度控制仍采用模拟方式，系统组成如图所示：

  位置控制的软件现可以由 NC 装置的 CPU 实现，也可以由位置控制板上自带的 CPU 实现。

  位置控制的调节运算部分由软件实现，增加了灵活性：

（ 1 ）调节器的参数可以通过进行修改、设定；

（ 2 ）调节算法可以采用较复杂的算法，以提高控制性能（变结构、变增益）；

（ 3 ）可增加许多辅助功能（故障诊断、脉冲当量变换等）；

（ 4 ）零点漂移可通过软件进行补偿；

  由于这种系统的速度单元仍是模拟型的，全硬件型系统中存在的问题并未明显解决，如它的内环参数（速度、电流）和位置环中 D/A 转换器的位数依然是固定的。因此难以兼顾负载惯量大的变化。不过，由于利用软件采用一些补偿措施，这就使得半软件位置伺服系统的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系统。

图中的微机位置、速度控制既可以是单微机，又可以是双微机（一个是位置控制，另一个是速度控制）。不过系统中的微机常由单片机来构成。

由于微机的应用，使系统的控制更加灵活，其特点是：

  位置、速度调节器的结构和参数可以按工作环境自动进行切换，使之适应负载变化的能力显著增强，应用优化理论还可使调节器的参数自动化，使系统可驱动不同的执行机械，通用化程度大大提高。

  其余同半软件型系统。

这种系统的输出通过 D/A 转换成模拟电压作为电流指令送往模拟电流环，这样，模拟量的零点漂移只会使电流指令产生微小的变化，一般这种变化不足以产生驱动伺服电机运动的力矩，也不会对位置控制精度产生不良影响。

由于电流环的结构和参数还是固定的，所以还不能通过微机改变控制策略，以获得较理想的控制效果。

由于该系统工作可靠，结构紧凑，控制性能也优于前述两种系统，使得它在 80 年代中期以来的交、直流位置伺服系统的产品中逐渐占据了主导地位，成为位置伺服系统的首选方案。

●全数字位置伺服系统

  自以软件位置伺服系统诞生以来，目前尽可能用软件去取代硬件的工作，以降低成本，提高性能。随着可直接用逻辑电平控制通断的电子半导体器件 —— 功率晶体管，功率场率应管的商品化，以及高性能单片机的出现，使得全数字位置伺服系统的实现成为现实。

系统的所有控制调节全部由软件完成，最后直接输出逻辑电平的脉宽调制控制信号驱动功率晶体管放大器，对伺服电机进行控制，完成位置控制任务。

调节器的全部软件化使控制理论中的许多控制思想和手段等新型的控制方法，例如：鲁棒控制、自适应控制、变参数控制、变结构控制、神经网络控制、模糊控制、专家系统控制等等。还可以完成参数的自动优化和故障的自动诊断等，使系统控制性能能进一步得到提高。