伺服电机及其调速
一、交流伺服电机及其调速分类和特点长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。
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感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻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。
这种鼠笼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较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。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，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻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，其机械可靠性与感应（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些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。
二、步进电机
（一）步进电机的结构与工作原理
步进电机由转子和定子组成。
转子和定子都由带齿的硅钢片叠成。
定子上有绕组分为若干相3，4，5，6，8，10。
图4-3 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
定子和转子上的齿的齿距相同，但，定子上各相极齿在周向排列相互错开相数分之一个齿距。各相绕组可在径向排列---径向分相式（图4-3），也可在轴向分段排列---轴向分相式（图4-4）。
图4-4步进电机的齿距
图4-5五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
2．工作原理
图4-6 步进电机工作原理图
图4-6，单定子径向分相式反应式步进电机，相数为3（A、B、C三相），定子均布40齿，齿距角9°，定子每个磁极上5个齿，齿距角也是9°，各极的齿错开3°排列。
当A相通电时，转子的齿与A相极齿对齐，这是由于各极的齿错开3°排列，B相下，转子齿中心线在反时针方向落后定子齿中心线3°，C相下则落后6°（或顺时针方向超前3°）。当通电状态有A相转为B相时，在电磁力作用下，转子齿被吸引与B相极齿对齐，转子顺时针转过3°步距角。这时，C相下，转子齿中心线在反时针方向落后定子齿中心线3°，A相下则落后6°（或顺时针方向超前3°）。当通电状态再由B相转为C相时，转子齿被吸引与C相极齿对齐，转子又顺时针转过3°步距角。这样，通电状态按A—B—C—A—B—C—A---这样的相序不断地改变，转子就会以3°步距角的步进方式连续的顺时针旋转。若反过来变换通电状态的相序---A—C—B—A—C—B—A--，则转子就反时针旋转。
1） 在结构上，定子各相的齿必须相互错开1/m个齿排列。m为绕组相数。
2） 通电状态按一定相序改变。
3） 改变通电相序的方向就可改变转子的旋转方向。
4） 步距角为：
（°）
式中，z—转子齿数，m—绕组相数，k—通电方式系数。
单三拍通电：A-B-C-A-，k=1
双三拍通电：AB-BC-BA-AB-，k=1
三相六拍通电：A-AB-B-BC-C-CA-A-，k=2。
k=拍数/相数。
（二）步进电路的驱动电路
步进电机式由指令脉冲控制进行工作的，脉冲频率---转速，脉冲数---转角。那么，根据步进电机的工作原理，脉冲指令要实现对步进电机运转的控制，必须解决两个问题：
1） 将指令脉冲按通电状态相序的要求进行分配，变脉冲串为各相通电状态串。
2） 对脉冲进行功率放大。
这是由步进电机的驱动电路实现的，驱动电路主要包括环行分配器和功率放大器组成
1．环行分配器
环行分配器就是实现将指令脉冲按通电状态相序的要求进行分配的功能的。
硬环行分配器：由专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成。如：CH250三相步进电机环配芯片。
软环行分配器：由软件实现环行分配器的功能。
由查表法设计软环行分配器：实现三相步进电机三相六拍的环行分配。
步进电机的A、B、C相的通断分别由计算机的PIO（并行输入/输出接口）的A口的PA0、PA1、PA2的状态控制，即：PA0为0时A相断电，PA0为1时A相通电；PA1为0时B相断电，PA1为1时B相通电；PA2为0时C相断电，PA2为1时C相通电。这样，根据三相六拍的通电状态规律，可设计出环行分配器的输出状态表：
当有一个指令脉冲时，就根据当前的通电状态序号，电机转向的要求，从表中找出相应单元地址，并取出地址的内容，从PIO的A口输出。
如：正转，当前序号为2，则，序号+1=3，找出的对应单元地址为2A03H，从该地址取出其内容06H输出到PIO的A口，这时A口低三位的状态从010变为110，即控制通电状态从B-BC。为了实现通电相序的循环，当当前序号为5（表底）时，修改为表首序号。
2．功率放大器
由于环行分配器输出的脉冲功率很小，因此，需要功率放大器进行放大，以驱动步进电机。
常用的电路有以下两种。
（1）单电压供电放大器
图4-6（a）是一种单电压供电线路。
电路由二级射极跟随器和一级功率反向器组成，
第一级射极跟随器起隔离作用。第二级射极跟随器T2处于放大区，以改善功放器的动态特性。
当环行分配器某相输出为高电平是，该相放大器的功率管T3饱和导通，60伏的直流电源给该相的绕组LA供电，绕组中的电流按指数规律上升到稳态值。当环行分配器输出为低电平时，因T1和T2处于小电流放大状态，T3不导通，绕组断电。
当T3由导通变为截止时，绕组电感将在绕组两端产生很大的感应电势，若和电源电压一起加在T3上，将造成过压击穿。因此，在绕组上并联续流二极管D2，在T3的集电极和射电极之间并联RC吸收回路，以T不被破坏。
在绕组上串联电阻R0，用以限流和减小供电回路的时间常数。，并联电容C0以提高绕组的瞬时电压，使绕组中的电流上升速度提高，从而提高步进电机的启动频率。
但，串入R后，功耗增大，为保持稳态电流，电源电压相应增大，对功率管的耐压要求更高。为克服上述缺点，出现了双电压供电电路。
（2）双电压供电放大器
图3-4（b）。
当环行分配器送来的脉冲使T1管导通的同时，触发但稳态触发器D，在D输出的窄脉冲宽度年、时间内使T2导通，60伏高压给绕组供电，由于D承受反压，切断了12伏低压电源。在高压供电下，绕组的电流迅速上升，前沿很陡。当超过D输出的脉冲宽度时，T管截止，这时，D1导通，由12伏低压供电，以维持所需电流。当T1管断电时，绕组的自感电势使续流二极管D导通，电流继续流过绕组。续流回路串接电阻可以减少时间常数和加快续流过程。采用以上措施大大提高了电机的工作频率。
特点：开始高电压供电，使绕组中的冲击电流上升，前沿很陡。利于提高启动频率和最高连续工作频率。后低电压供电以维持额定稳态电流值，只需很小的限流电阻，因而功耗低。当工作频率高，其周期小于单稳D的延迟周期时，变成纯高压供电，可获得较大的高频电流，具有较好的矩频特性。
（三）步进电机的使用特性
1．步距误差
单相通电时，步距误差取决于定子和转子的分齿精度、各相定子的错位角度的精度/
多相通电时，还与各相电流的大小、磁路性能等因数有关。
2．最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率：空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率。最高启动频率与步进电机的惯性J有关，J增大则最高启动频率下降。
最高工作频率：步进电机连续运行时所能接受的最高频率。它与步距角一起决定执行部件的最大运动速度。与负载惯量有关，也与定子相数、通电方式、控制电路的功放级等因数有关。
3．输出的转矩---频率特性
由于绕组本身是感性负载，输入频率越高，励磁电流就越小。频率高，磁通量变化加剧，涡流损失加大。因此，输入频率增高，输出力矩降低。最高工作频率的输出力矩只能达到低频转矩的40—50%。
（一）直流伺服电机的调速
由公式：
直流电机调速有三种方法：
（1）改变电区电压U：由额定电压向下调低，转速也由额定转速向下调低，调速范围大。
（2）改变磁通量Φ（即改变ke）：改变激磁回路的电阻可改变Φ。由于激磁回路电感大，电气时间常数大，调速快速性差，转速只能由额定转速向上调高。
（3）在电枢回路中串联调节电阻。转速只能调低，铜耗大，不经济。
直流伺服电机通常采用调压调速。
(二)大惯量直流伺服电机
又称宽调速直流伺服电机。
1．结构特点
激磁方式为永磁式。
结构特点主要围绕提高力矩系数，增大输出力矩。力矩系数kT=CMΦ，CM=pN/2πa。
采用高性能的磁性材料。产生强磁场Φ，且磁性能的稳定性好。
增加转子上的槽数和槽的截面积，增大（N）电枢绕组总导体数、（p）极对数。采用单波绕组形式，减小并联支路对数（a）。
增大极对数，还可减小电枢电感，从而减小电机的机械常数和电气常数，提高响应的快速性。
提高转矩的意义在于：低速转矩大，过载能力强。惯量大，输出转矩大，可直接驱动负载，无须机械减速。
调速范围宽，采用优质电刷材料，加大电刷的接触面积，增加轴和轴承的刚度，从而较好的解决了高速换向的问题，提高了电机的工作速度。增加转子槽数和换向片数，使齿槽分布均匀，减小了转矩的波动，电机在低速时仍能平稳运行。
内装低波纹测速发电机，还可内装位置检测元件。
热容量大，可在自然冷却条件下长时间工作或在过载条件下工作。
2．工作特性
工作特性由一些参数和特性曲线所限定。
速度界限线：不发生机械故障的转速上限线。
发热界限线：连续运行时，温度达到绝缘所允许的极限。
换向界限线：良好的换向/
瞬时换向界限线：
去磁界限线：转矩大于此线运行，会出现不能恢复的去磁现象。
上述5条线，将电机运行分为3个工作区域：
区域Ⅰ：连续工作区；区域Ⅱ：间歇工作区；区域Ⅲ：短暂工作区。
（三）直流伺服电机的可控硅（晶闸管）调速系统
可控硅，工作特性类似于二极管，加正向电压才可能导通，且导通与否还取决于触发断是否有触发脉冲。当交流电作用于可控硅时，在正半周，加以触发脉冲，则导通，电流流过负载，负半周，可控硅截止，因此，负载上只有直流通过，且，改变触发角，可改变负载上的平均直流电压。负载为感性负载（电机），当触发角小于90°时，可控硅工作在整流状态，大于190°时工作在逆变状态。
直流伺服电机的可控硅调速系统由可控硅直流调速主回路和控制回路组成：
主回路多采用三相桥式反并联无环流可逆回路（图4-12），为电机提供可调压的直流电源（桥式回路整流），且实现电机的正反转（反并联的两组）和快速换向（逆变）。
控制回路为速度、电流双环回路和触发电路组成（图4-11）。触发电路为主控回路提供触发脉冲，控制触发角。
（四）直流伺服电机的脉冲宽度调速系统
简称PWM系统，它是利用开关频率较高的大功率晶体管作为开关元件，将整流后的恒压直流电源，转换成幅值不变，但脉冲宽度（持续时间）可调的高频矩形波，给伺服电机的电枢供电。改变脉冲宽度，就可以改变电枢回路的平均电压，从而对电机调速。
直流伺服电机的脉冲调宽调速系统原理如图4-13。主电路为晶体管脉宽调制放大器PWM。控制电路包括：速度控制回路、电流控制回路和脉宽调制电路。经速度控制环和电流控制环调节变换后输出的速度指令直流电压Uc，它与三角波经脉宽调制电路，调制后得到调宽的脉冲系列，作为控制信号输送到PWM各相关晶体管的基极，使调宽脉冲得以放大，成为直流伺服电机电枢的输入电压。
1．脉冲宽度调制电路
任务：将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定，而宽度可由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。由于脉冲周期固定，脉冲宽度的改变将使脉冲电压的平均电压改变，即随指令电压改变而改变。经PWM放大后，输入电枢的电压也跟着改变，从而达到调速的目的。
原理：脉宽调制电路由三角波发生器、比较器和脉冲分配器组成。图4-14。当三角波（幅值和频率固定不变）和速度指令电压Uc（直流）输入比较器后，若其和的极性为负，则输出正电压方波，为正时，输出为负电压方波。如图，在0-t1，三角波负幅值大于Uc，极性为负，输出为正电压方波；在t1-t4时，极性为负，输出为负方波。这样。直流转换为双极性脉冲。当1改变时，脉冲宽度随着改变。比较器输出的脉冲信号，经脉冲分配器分为Ub1、Ub4、Ub2、Ub3四组脉宽调制信号。作为PWM各晶体管基极的控制信号。当Uc从负增大到正时Ub1、Ub4的脉冲宽度增大，Ub2、Ub3的脉冲宽度减小。Uc为零时，正负脉冲宽度相等。
2．晶体管脉冲放大器
图4-15。H形双极性脉宽放大器。由双晶体管开关电桥电路加续流电路组成。
T1和T4为一组，T2和T3为一组。同组两个三极管同时导通或关断。两组交替通断。当Uc为正时Ub1、Ub4的正脉冲宽度大于负脉冲宽度，Ub2、Ub3的正脉冲宽度小于负脉冲宽度。电枢加正直流电压，电流从B流到A，电机正转，反之，Uc为负时，电机反转。Uc的绝对值越大，加在电枢上的平均电压越高，转速越高。Uc为零时，平均电压为零，电机停止。
直流伺服电机具有良好的调速特性和转矩特性，但结构复杂、制造成本高、体积大，而且电刷容易磨损，换向器会产生火花，是其使用受到限制。
交流电机没有电刷和换向器等结构上的缺点。而且，随着新型功率开关器件、专用集成电路、计算机技术和控制算法等的发展，使得交流电机伺服驱动的调速特性更能适应数控机床进给伺服系统的要求。
（一）永磁同步交流伺服电机
交流感应电机结构简单、容量大、价格低，一般用于主运动的驱动。
伺服驱动用交流同步电机。
永磁同步交流电机结构如图4-16所示。
（二）交流伺服电机的变频调速
根据交流电机的转速公式:
实现交流电机的调速有三种方式：
1）改变极对数(p),只能实现有级变速；
2）控制滑差率(s),交流异步电机才能实现,且调速范围窄,不易控制；
3）改变交流频率(f),可实现宽范围的无级调速,且转速与频率成正比；
交流伺服电机采用变频调速。
有交流电机的相电压公式：，当频率f升高时，若输入的相电压不变，则气隙磁通Φ减小；
再由交流电机的转矩公式：，Φ减小，电机转子的感应电流相应也减小，电机输出转矩下降。另外，频率f减小，气隙磁通Φ将增加，这又会导致磁路饱和，激磁电流上升，铁耗剧增，功率因素下降。为此：
变频调速时，需要同时改变定子的相电压，以维持Φ接近不变，使输出转矩也接近不变（恒转矩）。可见，交流伺服电机变频调速的关键问题是要获得调频调压的交流电源。
调频调压电源通常采用交流----直流----交流的变换电路实现，这种电路的主要组成部分是三相电流逆变器。图4-17是目前广泛采用的电压型功率晶体管三相逆变器主回路原理图。
交流---直流：二极管整流电路，获得恒定的直流电压Ud；
直流---交流：由功率晶体管开关元件V1、V4、V3、V6、V5、V2组成的三相脉宽调制逆变器，获得频率和幅值可调的三相交流电压。
由三个高速的三角波正弦波脉宽调制器，按一定规律控制逆变器的开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得三组等幅、等距、但不等宽的矩形脉冲，来近似等效于三相正弦电压。
三角波正弦波脉冲调制的原理如图4-18所示。
VT为幅值为ET，频率为fT的双极性三角波，称为载波。VS为正弦波，称为控制波，逆变器的每一相有一路控制波，幅值同为ES，频率同为fS，相位相差120°。控制波的幅值和相位是可调的。根据三角波和正弦波的交点，可产生一列在TS（=1/fS）周期内幅值为ES的等幅、等距，但宽度呈正弦分布的脉冲。
用每一相的脉冲系列的高低电平信号去控制主回路同相的上下两个晶体管的基极（如A相，高电平控制V1，低电平控制V4），结果，在逆变器输出端获得一组经功率放大了的频率为fS的类似于控制脉冲系列的调宽矩形脉冲，它等效于频率为fS的正弦电压或电流。其基波电压幅值为：
由上式。U、E不变，通过改变控制波的幅值E就能调节逆变器输出的正弦电压的幅值----实现调压。由于逆变器输出电压的频率与控制波的频率相同，同样，改变控制波的频率就能实现调频。
文章关键词： 电机 很老的资料。。。。
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