交流伺服電機及驅動

直流伺服電機具有優良的調速性能， 80 年代初至 90 年代中，在要求調速性能較高的場合，直流伺服電機調速系統的應用一直占據主導地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：

● 電刷和換向器易磨損，維護麻煩

● 結構復雜，制造困難，成本高

? 而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高 10% ～ 70% ，且可達到的轉速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調速方案來取代直流電機調速的方案。

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? 變頻器實現變頻調壓的關鍵是逆變器控制端獲得要求控制波形（如 SPWM 波）。

● 控制波形的實現方式（電機調速的控制方式）

相位控制；

矢量變換控制；

PWM 控制；

? 磁場控制；

? 閉環、半閉環進給伺服系統

● 閉環進給伺服系統的實現方案分類和特征

模擬型系統、數字型系統。

? 模擬型系統：

特點：

? 抗干擾能力強，一般不會因峰值誤差導致致命的誤動作。

? 可用常規儀器儀表（示波器，萬用表等）直接讀取信息， 易于隨時把握系統工作的基本情況。

? 對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。

? 在零點附近容易受到溫度漂移的影響，使位置控制產生漂移誤差。

? 位置、速度調節器的結構和參數調整困難，適應負載變化的能力較差。

? 模擬系統這種本質缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數字伺服系統所取代。

? 數字型系統：

? 特征：這類系統是指至少其位置環控制與調節采用數字控制技術，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號 改用數字信號（邏輯電平脈沖信號）的系統。

特點：

? 可以通過增加數字信息的安長，來滿足要求的控制精度。

? 對邏輯電以下的漂移、噪聲不予晌應，零點定位精度可以得到充分保證。

? 容易對其結構和參數進行修改（根據控制要求），且易于與計算機進行數據交換。

? 噪聲峰值大于邏輯電平時，對數據的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導致系統致命的危害。

? 傳送數據的數字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。

? 抑制干擾、防止數據出錯，是數字伺服系統設計成功的關鍵。

? 構成： 該系統中，位置閉環的控制與調節運算主要由 偏差計數器 （一般為可逆計數器）和 D/A 完成。

? 柔性差： 系統全由硬件構成，使得它的各調節器參數在機電聯調整定后就固定下來了，不易改變， 這對負載慣量變化不大 的位置伺服系統（如車床刀架進給控制） ，可獲得滿意的控制性能指。而 對某些負載慣量較大 的系統，則很難在整個范圍內（負載慣量變化）都獲得滿意的控制效果。零漂將影響精度：這類系統依靠 D/A ，將位置調節輸出的數字量轉化成模擬電壓作速度指令信號。提供給速度伺服單元，因此，其零點漂移將影響定位精度。

● 半軟件型伺服系統

? 這種系統的位置控制采用軟硬件組成，速度控制仍采用模擬方式，系統組成如圖所示：

? 特點：

? 抗干擾能力強，一般不會因峰值誤差導致致命的誤動作。

? 可用常規儀器儀表（示波器，萬用表等）直接讀取信息， 易于隨時把握系統工作的基本情況。

? 對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。

? 在零點附近容易受到溫度漂移的影響，使位置控制產生漂移誤差。

? 位置、速度調節器的結構和參數調整困難，適應負載變化的能力較差。

? 模擬系統這種本質缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數字伺服系統所取代。

? 數字型系統：

? 特征：這類系統是指至少其位置環控制與調節采用數字控制技術，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號 改用數字信號（邏輯電平脈沖信號）的系統。

特點：

? 可以通過增加數字信息的安長，來滿足要求的控制精度。

? 對邏輯電以下的漂移、噪聲不予晌應，零點定位精度可以得到充分保證。

? 容易對其結構和參數進行修改（根據控制要求），且易于與計算機進行數據交換。

? 噪聲峰值大于邏輯電平時，對數據的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導致系統致命的危害。

? 傳送數據的數字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。

? 抑制干擾、防止數據出錯，是數字伺服系統設計成功的關鍵。

構成： 該系統中，位置閉環的控制與調節運算主要由 偏差計數器 （一般為可逆計數器）和 D/A 完成。

柔性差： 系統全由硬件構成，使得它的各調節器參數在機電聯調整定后就固定下來了，不易改變， 這對負載慣量變化不大 的位置伺服系統（如車床刀架進給控制） ，可獲得滿意的控制性能指。而 對某些負載慣量較大 的系統，則很難在整個范圍內（負載慣量變化）都獲得滿意的控制效果。零漂將影響精度：這類系統依靠 D/A ，將位置調節輸出的數字量轉化成模擬電壓作速度指令信號。提供給速度伺服單元，因此，其零點漂移將影響定位精度。

● 半軟件型伺服系統

? 這種系統的位置控制采用軟硬件組成，速度控制仍采用模擬方式，系統組成如圖所示：

? 位置控制的軟件現可以由 NC 裝置的 CPU 實現，也可以由位置控制板上自帶的 CPU 實現。

? 位置控制的調節運算部分由軟件實現，增加了靈活性：

（ 1 ）調節器的參數可以通過進行修改、設定；

（ 2 ）調節算法可以采用較復雜的算法，以提高控制性能（變結構、變增益）；

（ 3 ）可增加許多輔助功能（故障診斷、脈沖當量變換等）；

（ 4 ）零點漂移可通過軟件進行補償；

? 由于這種系統的速度單元仍是模擬型的，全硬件型系統中存在的問題并未明顯解決，如它的內環參數（速度、電流）和位置環中 D/A 轉換器的位數依然是固定的。因此難以兼顧負載慣量大的變化。不過，由于利用軟件采用一些補償措施，這就使得半軟件位置伺服系統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統。

圖中的微機位置、速度控制既可以是單微機，又可以是雙微機（一個是位置控制，另一個是速度控制）。不過系統中的微機常由單片機來構成。

由于微機的應用，使系統的控制更加靈活，其特點是：

? 位置、速度調節器的結構和參數可以按工作環境自動進行切換，使之適應負載變化的能力顯著增強，應用優化理論還可使調節器的參數自動化，使系統可驅動不同的執行機械，通用化程度大大提高。

? 其余同半軟件型系統。

這種系統的輸出通過 D/A 轉換成模擬電壓作為電流指令送往模擬電流環，這樣，模擬量的零點漂移只會使電流指令產生微小的變化，一般這種變化不足以產生驅動伺服電機運動的力矩，也不會對位置控制精度產生不良影響。

由于電流環的結構和參數還是固定的，所以還不能通過微機改變控制策略，以獲得較理想的控制效果。

由于該系統工作可靠，結構緊湊，控制性能也優于前述兩種系統，使得它在 80 年代中期以來的交、直流位置伺服系統的產品中逐漸占據了主導地位，成為位置伺服系統的首選方案。

●全數字位置伺服系統

? 自以軟件位置伺服系統誕生以來，目前盡可能用軟件去取代硬件的工作，以降低成本，提高性能。隨著可直接用邏輯電平控制通斷的電子半導體器件 —— 功率晶體管，功率場率應管的商品化，以及高性能單片機的出現，使得全數字位置伺服系統的實現成為現實。

系統的所有控制調節全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平的脈寬調制控制信號驅動功率晶體管放大器，對伺服電機進行控制，完成位置控制任務。

調節器的全部軟件化使控制理論中的許多控制思想和手段等新型的控制方法，例如：魯棒控制、自適應控制、變參數控制、變結構控制、神經網絡控制、模糊控制、專家系統控制等等。還可以完成參數的自動優化和故障的自動診斷等，使系統控制性能能進一步得到提高。