交流伺服電機控制原理

      與普通電機一樣，交流伺服電機也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有兩個繞組，即勵磁繞組和控制繞組，兩個繞組在空間相差90?電角度。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動gS控制的u／V／W三相電形成電磁場轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度{線數(shù))。

      交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號時，它不應轉(zhuǎn)動，特別是當它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它應能立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應電動機轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

　　當電機原來處于靜止狀態(tài)時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組通電產(chǎn)生脈動磁場?？梢园衙}動磁場看成兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應出大小相同，相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號，控制繞組就要接受與之相對應的控制電壓。在一般情況下，電機內(nèi)部產(chǎn)生的磁場是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以看成是由兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場?。?，但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應的電勢和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者?。┖铣闪夭粸榱?，所以伺服電機就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，隨著信號的增強，磁場接近圓形，此時正轉(zhuǎn)磁場及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機將反轉(zhuǎn)。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流，伺服電機產(chǎn)生的磁場將是脈動磁場，轉(zhuǎn)子很快地停下來。

　　為使交流伺服電機具有控制信號消失，立即停止轉(zhuǎn)動的功能，把它的轉(zhuǎn)子電阻做得特別大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率Sk大于1。在電機運行過程中，如果控制信號降為“零”，勵磁電流仍然存在，氣隙中產(chǎn)生一個脈動磁場，此脈動磁場可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成。（http://www.diangon.com版權(quán)所有）一旦控制信號消失，氣隙磁場轉(zhuǎn)化為脈動磁場，它可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成，電機即按合成特性曲線運行。由于轉(zhuǎn)子的慣性，運行點由A點移到B點，此時電動機產(chǎn)生了一個與轉(zhuǎn)子原來轉(zhuǎn)動方向相反的制動力矩。在負載力矩和制動力矩的作用下使轉(zhuǎn)子迅速停止。

    必須指出，普通的兩相和三相異步電動機正常情況下都是在對稱狀態(tài)下工作，不對稱運行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機則可以靠不同程度的不對稱運行來達到控制目的。這是交流伺服電機在運行上與普通異步電動機的根本區(qū)別。

就伺服驅(qū)動器的響應速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運算量最小，驅(qū)動器對控制信號的響應最快;位置模式運算量最大，驅(qū)動器對控制信號的響應最慢。

　　對運動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調(diào)整。那么如果控制器本身的運算速度很慢(比如PLC，或低端運動控制器)，就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動器移到控制器上，減少驅(qū)動器的工作量，提高效率(比如大部分中高端運動控制器);如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時完全不需要使用伺服電機。

　　換一種說法是：

　　1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設(shè)定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)(通常在有重力負載情況下產(chǎn)生)?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

　　2、位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領(lǐng)域如數(shù)控機床、印刷機械等等。

　　3、速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。