伺服驱动系统选择与设计

第三章机电一体化系统执行元件的选择与设计

第一节伺服系统与执行元件概述

第二节步进电动机及其驱动

第三节直流（DC）伺服电动机

第四节交流伺服电机

第五节执行元件的特性分析第一节伺服系统与执行元件概述一、伺服系统的基本概念及一般组成（一）伺服系统定义

伺服系统：以机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）作为被控制量的一种自动控制系统。它在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能，实现机电一体化的驱动（操作）功能。（二）一般组成图伺服系统的一般组成电源装置检测装置信号转换电路放大装置执行机构被控对象信号输入输出补偿装置＋－二、伺服系统的分类

1、按其控制原理——开环、全闭环和半闭环；

2、按其驱动方式

——电气伺服、气压伺服、液压伺服

3、按其被测控量的性质

——速度、位置、同步、扭矩控制等形式；

4、按其执行元件

——步进伺服、直流伺服、交流伺服等形式。应用提示：开环系统的执行元件大多采用步进电机、闭环和半闭环伺服系统的执行元件大多采用直流伺服电机。三、机电一体化系统对其伺服系统的要求

1）快速性：

2）精确性：

3）稳定性：

即输出量能迅速而精确地响应指令输入的变化，称为随动系统或自动跟踪系统。四、执行元件的类型及特点1、执行元件作用它位于电气（电子）装置与机械部件之间，根据指令进行能量的转换，将输入的各种形式的能量（如电能、液压能、气压能、化学能等）转换为机械能（机械部件运动所需的）。图执行元件的种类2、执行元件的种类图常用电动机适用范围控制用电机的种类、特点及选用（结合表书3.2）类型特点优点缺点电气式可使用商用电源；信号与动力的传送方向相同；有交流和直流之别，须注意电压的大小操作简单；编程容易；能实现规定位伺服；响应快、易与CPU相接；体积小，动力较大；无污染瞬时输出功率大；过载差，特别是由于某种原因而卡住时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响。气压式空气压力源的压力为（5～7）×105Pa；要求操作人员技术熟悉。气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、操作比较简单功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难于伺服、液压式要求操作人员技术熟练；液压源压力为（20～80）×105Pa输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定位伺服；易与CPU相接；响应快。设备难于小型化；液压源或液压油要求（杂质、温度、测量、质量）严格，易泄漏且有污染3、执行元件的特点五、机电一体化系统对执行元件的要求1、惯量小、动力大；

2、体积小，重量轻；

3、便于维修，安装；

4、快速性能好，即加（减）速扭矩大，频率特性好；

5、可靠性高，寿命长；

6、便于微机控制。六、伺服系统选择和设计要点

1、选择适用范围的伺服系统；

2、适当精度的控制方式；

3、简单的机械传动方案。第二节步进电机及其控制一、步进电机的特点

1、输出转角与输入脉冲严格成正比，且在方向上与输入脉冲同步。每输入一个电脉冲，电机就转动一个角度（步距角），当连续不断地输入脉冲，就一步一步不断转动。若控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序可以控制电机转角、转速与转向（很容易用微机实现数字控制）。

步进电机是一种将脉冲信号变换成相应的直线位移（或角位移）的数字/模拟变换器。2、输出转角的精度高，虽有（相邻）步距角误差，但无累积误差，有步距角误差，但转子转速转过一转以后，其（一转内）累积误差为“0”,不会长期积累。

3、可实现平滑无级调速。调速范围较宽。

4、步进电机的工作状态不易受各种干扰因素影响（如电压波动，负载变化，环境误差的影响），只要干扰因素不引起“丢步”，就不影响正常工作。

5、其它：启停时间短，一般在信号输入几毫秒后就使电动机达到同步转速，信号切断后电机立即停止转动。二、步进电机的种类（一）按运动形式：有旋转式和直线步进电机；（二）从励磁相数分有（3、4、5、6相等）。（三）就常用的旋转式步进电机的转子结构来说可分为三种：1、反应式（可变磁阻型）图反应式步进电机1－定子2－转子3、混合式(HB)

2、永磁式（PM）；图步进电机1－定子2－转子3－励磁线圈U2U1W2W1V1V2步进电机工作原理典型结构图步进电机简图三、步进电机工作原理（以反应式为例）

拍——定子绕组每改变一次通电方式。（旋转一周改变次数）

单——每次切换前后只有项通电。

双——有两相通电。相数环形分配方式名称系数k33A－B－C－A……AB－BC－CA－AB……三相单三拍（1相励磁）三相双三拍（2相励磁）113A－AB－B－BC－C－CA－A……三相六拍（1－2相励磁）2444A－B－C－D－A……AB－BC－CD－DA－AB……A－AB－B－BC－C－CD―D―DA－A……四相单四拍（1相励磁）四相双四拍（2相励磁）四相八拍（1－2相励磁）112555A－B－C－D―E―A……AB－BC－CD－DE－EA－AB……AB－ABC－BC－BCD－CD－CDE－DE－DEA－EA－EAB－AB……五相单五拍（1相励磁）五相双五拍（2相励磁）五相十拍（2－3相励磁）1126666A－B－C－D－E－F－A……AB－BC－CD－DE－EF－FA－AB……ABC－BCD－CDE－DEF－EFA－FAB－ABC……AB－ABC－BC－BCD－CD－CDE－DE－DEF－EF－EFA－FA－FAB－AB……六相单六拍（1相励磁）六相双六拍（2相励磁）六相六拍（3相励磁）六相十二拍(2－3相励磁)1112表反应式步进电机环形分配方式四、主要性能指标

1、步距角，

②目前我国步进电动机的步距角为0.360～900，最常用的为：7.50/150，30/60，0.90/1.80，0.750/1.50，1.60/3.20，0.360/0.720等几种。

③静态步距误差（步距角精度）由于定、转子的齿距因分度不均匀，定、转子之间的气隙不均匀等会使实际步距角间有偏差。步距角越小，分辨力越高。注，

①；2、静态特性（最大静转矩、距角特性、最大启动转矩）

静态：静态——即步进电机的稳定状态（步进电机处于通电状态不变，转子保持不动的定位状态）。

静转矩：步进电机处于稳定状态下的电磁转矩。

失调角：在静态下如果在转子轴上加一负载转矩，使转子转过一个角度（θ），并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩为静转矩，而θ称为失调角。

矩-角特性：静态转矩（M）与失调角（θ）的对应关系叫矩角特性M与θ之间大致为正弦关系。最大静转矩：矩-角特性曲线上电磁转矩的最大值称为最大静转矩。

图失调角示意图图矩角特性曲线3、起动频率和连续运行频率（1）起动频率：指在一定负载转矩下能够不失步地起动的最高脉冲频率。

（2）连续运行频率：指步机启动后，逐渐升速（脉冲频率连续上升）所能达到的不失步运行的最高频率。4、动态特性：图距角特性图曲线族（1）动态转矩：在运行状态下的转矩。（2）动态稳定区：步进电机从一相通电状态切换到另一相通电状态时，不致引起丢步，该区域被称为动态稳定区。（3）矩角特性族：在某一通电方式下各相（如三相）矩角特性的总和。表不同相数步进电机的起动转矩

运行方式相数3456拍数3648510612Mq/Mjmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866（4）起动转矩（Mq）——步进电机矩角特性曲线上两相之交点所对应的转矩（Mq），它表示步进电机所能承受的极限负载转矩（电机单相励磁时），不同相数步机的起动转矩是不同的，如：Mf图矩-频特性（5）矩—频特性：动态转矩与脉冲频率（运行频率）的关系（运行频率增加，动态转矩变小）。（6）空载起动频率与惯－频特性在空载状态下，转子从静止状态能够不失步地起动的最大控制频率称为空载起动频率或空载突跳频率（fq）。步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯-频特性。5、步进电动机技术指标实例五、步进电动机的驱动与控制控制器微机脉冲分配器功率放大器步进电机图步进电动机驱动系统原理示意图

1、步进电机环形脉冲分配器相关的基础知识图双三拍正反转控制的环形分配器的逻辑电路图（一）步进电机的环形分配器

图CH250管脚及三相六拍连接图存储地址通电状态通电状态状态字PB2PB1PB0CBATABLE02000H001A01HTABLE12001H011AB03HTABLE22002H010B02HTABLE32003H110BC06HTABLE42004H100C04HTABLE52005H101CA05H表环分分配表2、实现软件环分的步骤（1）先建立环分表（以三相六拍为例）图用单片机实现软件环分（2）确定接口通道；图正转子程序框图（3）软件设计俄卡-50“黑鲨”武装直升机取索引值状态表首地址→HLHL←HL＋1（索引值加1）输出新的状态字（步进电机走一步）到表低（正转的最后一个供电状态）结束开始NY是否结束YN（二）功率放大器

作用和定义：从计算机输出口或环形分配器输出的信号脉冲电流一般比较小（只有几个毫安），不能直接驱动电动机，必须采用功率放大器将脉冲信号放大，使其增大到能够驱动电动机运行（几至几十安培）。这种装置称为功率放大器。1、步进电机对放大器要求①为步进电机绕组提供幅值足够，波形良好的脉冲电流（电流波形尽量接近矩形）。②功耗低，效率高。2、常见的驱动电路

（1）单电压驱动电路图单电压驱动电路示意图RDR图单电压功率放大电路应用（2）双电压驱动电路图双电压驱动电路示意图图高低压功率放大电路应用（3）恒流源功率放大电路（略）011（4）斩波恒流功率放大电路（略）*输入低电平，电机不工作00＝010*输入高电平，电机工作11ABCDE（5）调频调压功放电路（略）A、调频调压功放电路的基本原理：B、实现调频调压控制的硬件电路：*充电（UCT负脉冲）*放电（UCT正脉冲）注意：U2大小取决因素

#UCT负脉冲宽度，调整UCT负脉冲宽度，可实现调频调压。工作过程：（三）细分驱动

1、定义：将一个步距角细分成若干步的驱动方法被称为细分驱动。2、特点优点：（1）在不改动电机结构参数的情况下，能够使步距角减小；（2）能使步进电机运行平稳、提高均匀性；（3）能减小或消除振荡。缺点：（1）细分后的步距角精度不高；（2）功率放大器驱动电路相应复杂。3、实现细分电流波形的方法（1）采用多路功率开关器件图功率开关细分驱动电源*工作原理：*特点（2）将开关的控制脉冲信号进行叠加图叠加细分驱动原理图阶梯波合成原理图a）先放大后叠加b）先叠加后放大（四）步进电动机的微机控制图开环串行控制功能框图1、开环串行控制2、开环并行控制图开环并行控制功能框图3、步进电机的闭环控制图闭环步进电机闭环控制功能框图4、步进电机速度控制图点-位控制的加减速过程第三节直流（DC）伺服电动机直流伺服电机是伺服系统中使用最早，也是应用最广的执行元件。直流伺服电机的基本结构和工作原理与普通直流电机基本相同，不同之点只是它做得比较长一些，惯量小一些，以便能满足快速响应的要求以及灵敏性、特性线性度、控制功耗和动静态控制性能指标。在性能要求较高的系统中多采用直流伺服电机。应用最早的是：小惯量直流伺服电机（20世纪60年代研制）。特点是—转子转动惯量小，反应灵敏，动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则，为了使惯量匹配（为得到的合理比值，以达到电机的灵敏度，快速性，而增设机械传动装置，增加成本）而使调整麻烦。20世纪70年代，大惯量宽调速直流伺服电动机研制成功，由于在结构上采取了一些措施。提高了转矩，改善了动态特性，使其既具有一般直流电机的各项优点，又具有小惯量直流伺服电机的快速响应性能，同时又易与较大惯性负载匹配而较好满足伺服系统的要求，而在机电一体化产品中（如数控机床、工业机器人等）得到了广泛应用，特别在闭环伺服系统中应用广泛。种类：直流电动机有永磁式、它激式、串激式和并激式几种。永磁式和它激式直流电动机具有线性的机械特性，有良好的起动、制动和调速性能，特别适合伺服驱动。直流电动机伺服驱动系统组成：包括直流电动机、位置或速度反馈装置、直流电源及控制驱动电路等几大部分。此处只对直流电动机的机械特性和动特性进行分析，以掌握直流电动机伺服驱动的原理及特点，以便在选择驱动类型时做出决策。一、直流伺服电动机的特性和调速原理1、直流伺服电动机种类与典型特点直流电动机的分类种类：直流电动机有永磁式、它激式、串激式和并激式几种。永磁式和它激式直流电动机具有线性的机械特性，有良好的起动、制动和调速性能，特别适合伺服驱动。

供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。他励式直流电动机

他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。他励直流电机的电枢电流和负载电流相同，即：并励：电机的励磁绕组与电枢绕组并联，由同一电源供电。且满足：

如图所示并励式直流电动机

串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足

串励式直流电动机

复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。(先并后串/先串后并)积复励式直流电动机

组成：

（1）定子：定子上有磁极，可以用直流线圈来激磁，也可以用永久磁铁。（2）转子：在转子轴上绕有多相线圈(称为电枢绕组)，通以直流电时，会在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）换相机构：换相机构包括电刷与换相片，电刷与直流电源相连，换相片与电枢中绕组相连，目的是使转子在旋转的同时，转子上各相绕组依序通电，所产生的电磁转矩保持恒定方向，可使转子沿固定方向连续旋转。图直流伺服电动机工作原理2、直流伺服电动机的工作原理

2.1直流电机的基本工作原理补充：分析电机常用的基本电磁定律

(1)电磁力定律：垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。力的方向用左手定则确定：

若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：F=B·L·IF：力，NB：磁感应强度,Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，mI：导体中的电流，A若导体与磁力线发生相对运动，导体中感应的电势为：E=B·L·VE：感应电势，VB：磁感应强度,Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，mV：导体的运动速度，m/s感应电动势的方向用右手定则确定：

2.1直流电机的基本工作原理(2)电磁感应定律：若导体切割磁力线，导体中会产生感应电动势。

2.1直流电机的基本工作原理(3)电流磁效应：通电的导体周围会产生磁场。磁场的方向用右手螺旋定则确定：

2.1直流电机的基本工作原理

2.1.1直流电动机的基本工作原理直流电动机是将直流电能转变成机械能的旋转机械。

N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过，电流方向a到b到c到d到a。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。如右图。

a)图1-1直流电动机的工作原理2.1.1直流电动机的基本工作原理当电枢旋转到右图所示位置时原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。

b)

图1-1直流电动机的工作原理2.1.1直流电动机的基本工作原理电机的各组成部件图直流伺服电动机工作原理原理：一匝绕组在转子旋转一周时产生的电磁力的大小是变化的。实际的电动机转子上当然不可能是一匝绕组，而是在转子的圆周上均匀均布了许多绕组，总的电磁力是这些绕组产生的电磁力的总和。转子上分布的绕组越密，总的电磁力越大，越接近恒定。3、直流伺服电动机的基本方程（1）电路工作描述

根据直流电机的工作原理，当给电机的激磁绕组通以直流电时，会在电机气隙中建立极性不变的磁场(永磁电机由永久磁铁产生)。

电枢绕组两端加直流控制电压Ua时，电枢绕组中便产生电枢电流Ia，处于气隙磁场中的电枢载流导体受到磁场力的作用，产生电磁转矩M，驱动电机转动起来。电机一但旋转起来之后，电枢导体将切割气隙磁场产生感应电势Ea，其极性与Ua相反，称为反电势。（2）直流伺服电动机参数（3）直流伺服电动机基本方程的建立5、直流伺服电动机的调速公式：直流电机的调速方法通常有三种：

(1)通过改变电枢电压Ua进行调理；电枢电压调速具有起动力矩大，阻尼效果好，响应速度快且线性较好等特点，所以在伺服系统中普遍采用(t=C)。

(2)在电枢回路中串入可调电阻Ra进行调速；

(3)Ua保持恒定，在激磁回路中串入调节电阻Rf调速(弱磁调速)(p=C)。串入电阻调速将引起功率损耗，效率低，机械特变软，而且只能将转速调低。弱磁调理的调理范围小，所以在伺服系统的调速中，这两种方法都很少采用。（1）调压调速工作条件：保持励磁=N；保持电阻R=Ra调节过程：改变电压UN

U

Un，n0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速工作条件：保持励磁=N

；保持电压U=UN；调节过程：增加电阻Ra

R

Rn，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速工作条件：保持电压U=UN

；保持电阻R=Ra；调节过程：减小励磁N

n，n0调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3调磁调速特性曲线

三种调速方法的性能与比较

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。二、直流电机的驱动调速方法

直流电机的电枢电压调理要求灵活地控制电枢电压的大小和极性，因此直流电机的驱动电路实际上是一个可控的大功率整流电路。常用的方法有可控硅法和PWM法等。直流电动机调压调速系统的主要方式常用的可控直流电源有以下三种：1、旋转变流机组2、静止可控整流器3、直流斩波器和脉宽调制变换器1、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。

交流电动机为原动机，工作时转速基本恒定，由它拖动的直流发电机G给需要调速的直流电动M的电枢供电。GE为一台小型直流发电机，可与交流电动机、直流发电机同轴相连，也可另设一台小型交流电动机对其拖动，它提供一小容量的直流电源供直流发电机和直流电动机励磁用，所以又称GE为励磁发电机。旋转变流机组供电的直流调速系统可简称为G-M系统。改变G的励磁电流If的大小时，也就改变了G的输出电压U，进而改变了直流电动机M的转速。组成：由~M拖动=G→=G给=M供电→直流励磁发电机GE给=G和=M励磁。原理：调节→U改变→转速n变化。改变方向，n转向跟着改变。特点：设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。2、静止可控整流器--利用静止的可控整流器(如晶闸管可控整流器)，获得可调的直流电压。（V-M系统）GT为晶闸管触发装置，V为晶闸管整流器，合起来为一可控直流电源。可控直流电源给直流电动机电枢供电组成直流调速系统。这类直流调速系统简称V-M系统晶闸管整流器可以是单相、三相或多相；电路形式可以是半波、全波、半控、全控等类型；改变GT的输入信号大小，就可改变GT输出脉冲的相位，晶闸管在不同的相位处开始导通，使整流器输出的电压平均值Ud大小变化，进而改变电动机的转速。优点:整流装置效率高、体积小、成本低、无噪声。缺点:可逆难；过电压、过电流能力差；谐波电流大。组成：原理：3、直流斩波器（二）PWM法1、何谓PWM电路原理图（1）电路原理与工作过程：A、可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开。B、当S接通时，供电电源US通过开关S施加到电机M的两端，电源向电机提供能量，电机储能；C、当开关S断开，中断了供电电源US向电机M提供能量。这时，在S接通期间电枢电感所储存的能量将通过续流二极管使电机电流继续流通。（2）电压的平均值为：

电路原理图占空比A、PWM：B、PFM：A、脉冲频率不变（T不变），改变脉冲宽度（ton改变），从而改变占空比a，这就是脉冲宽度调制，英文名称PulseWidthModulation，简写为PWM。本控制方式为目前直流电机调速主要方式。B、脉冲宽度不变（ton不变），改变脉冲频率（T改变），从而改变占空比a，这就是脉冲频率调制，英文名称PulseFrequencyModulation，简写为PFM。2、PWM驱动电路装置（1）直流PWM驱动装置涵义

PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电机的电枢上通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而控制电机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。根据PWM的工作原理，必须有一种电路或装置将控制转速的指令转换成脉冲的宽度，其中元件工作在高速开关状态，这种装置叫直流PWM驱动装置。脉宽调速系统早已出现，但因缺乏高速开关元件而未能在生产实际中推广应用。只是近年来，由于大功率晶体三极管的制造成功和成本的下降，晶体管脉宽调速系统才又受到重视，并在生产实际中得到广泛应用。图PWM驱动电路框图（2）PWM驱动电路装置组成与原理脉冲频率发生器频率脉冲发生器可以是三角波发生器或者锯齿波发生器，它的作用是产生一个频率固定的调制信号U0。电压-脉冲变换电压-脉冲变换器的作用是将外加直流控制电平信号Ue与脉冲频率发生器送来的三角波电压U0在其中混合后，产生一个宽度被调制了的开关脉冲信号。分配器分配器的作用是将电压-脉冲变换器输出的脉冲信号按一定的逻辑关系分配到功率放大器的各个晶体管基极，以保证各晶体管协调工作。功率放大器基极驱动电路工作在开关状态，它对宽度被调制了的脉冲信号进行功率放大，以驱动主电路的功率晶体管。3、PWM驱动电路装置双向调速实现图PWM系统的主回路电气原理第四节交流伺服电机

直流伺服电机具有电刷和整流子，尺寸较大且必须经常维修，使用环境也受到一定影响，特别是其容量铰小，受换向器限制，很多特性参数随速度而变化，因而限制了直流伺服电机向高特速、大容量发展。

交流伺服电机采用了全封闭无刷结构，以适应实际生产环境，不需要定期检查和维修。其定子省去了铸件壳体，结构紧凑、外形小、重量轻（只有同类直流电机的75％～90％）。定子铁芯较一般电机开槽多且深，绕组绕在定于铁芯上，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子铁芯直接冷却，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，因而可实现高转矩/惯量比，动态响应好，运行平稳。因此交流伺服电机以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。但是交流电机的控制性能没有直流的好，也正是由于这一点，交流伺服系统的发展历史没有直流伺服系统早，在过去较长的一段时间远没有直流伺服系统应用广泛。人们一直在从事研究，提高改善交流电机的控制性能。早在20世纪60年代，随着电子学和电子技术的发展，实现了半导体交流技术的交流调速系统。20世纪70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制技术的应用，为交流伺服电机的进一步发展创造了有利条件。特别是矢量控制技术的应用，使得交流伺服驱动具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快等良好的技术性能。在调速性能方面已经可与直流伺服驱动媲美，应用越来起广泛。一、交流伺服电动机工作原理与调速方法（一）交流伺服电动机的工作原理（以感应式交流电动机为例）图交流电动机工作原理1、感应式交流电动机组成

定子：产生旋转磁场转子：切割磁场力线

当转子处在旋转磁场中时，相当于转子不断地切割磁场（更确切地说，是旋转磁场不断地切割转子），设定子的磁场以逆时针方向旋转，如图所示，则转子相当于以顺时针方向切割磁场力线。若把金属圆筒形看成由很多根金属条线组成，则由电磁感应定律可知，圆筒的上半周金属条中产生向里的感应电势，下半周金属条中产生向外的感应电势（均垂直于纸面），在金属条中形成的感应电流和感应电势方向相同。此感应电流与磁场将产生磁力，由右手定理，电磁力F的方向在转子的上半周向左，下半周向右，转子在此电磁力作用下，也将以逆时针方向（与旋转磁场相同的方向）旋转。当定子的旋转磁场反方向旋转时，转子也将跟着以反方向旋转。2、工作原理图交流电动机工作原理（二）交流电机的调速公式与调速方法1、交流电机的转速公式：转速公式：转差率公式：其中，n0——同步转速；

P——极对数；

f——定子电源频率；

S——转差率。①改变S（A、转子绕组串联电阻改变S；B、改变定子电压改变S）；②改变P（有级的）；③改变f（交流变频调速，此法最理想），采用变频器调速装置（VFD）。转速公式：2、交流伺服电机调速方法：

交流调速系统的主要类型

交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。

现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：①降电压调速；②转差离合器调速；③转子串电阻调速；④绕线电机串级调速或双馈电机调速；⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等等。

在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。~按电动机的能量转换类型分类

按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。PmechPmPs

即Pm=Pmech+Ps

Pmech=(1–

s)Pm

Ps=sPm

从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。1.转差功率消耗型调速系统

这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。2.转差功率馈送型调速系统

在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第④种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。3.转差功率不变型调速系统

在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。

同步电机的调速

同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。

自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。

开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。二、变频器调速装置（VFD）1、按变频方式分类（一）变频器分类（1）交－直－交变频器变频调速系统中广泛使用的方法。（2）交-交变频器只适用于低速(最高频率为电源频率的1/3～1/2)、大容量的场合。图电流型和电压型变频器框图2、根据无功能量的处理方式分类

由于变频器的负载通常为异步电机，其功率因素是滞后的，同时因直流环节不便向负载提供无功功率，必须在期间设置储能元件，以吞吐系统的无功能量。（1）电流型(CurrentStructureInverter简称CSI)（2）电压型(VoltageStructureInverter简称VSI)

在CSI和VSI中，逆变器是变频调速系统的核心。选择怎样的控制方法对逆变器各开关器件的通断次序及通断时间进行控制，与开关器件的特性密切相关。（二）SPWM变频调速的工作原理1、脉宽调制技术涵义

脉宽调制技术是利用通讯技术中“调制”的概念，以所期望的波形作为调制波，而将被调制的信号称为载波。由于三角波是上下对称变化的波形，常以它作为载波同步信号，当它与任何一个光滑的调制信号曲线相交时，就可调制矩形（载波）的宽度，使调制波为一组等幅而脉冲宽度正比于该调制信号曲线函数值的矩形脉冲。这就是脉宽调制技术（PWM）。图SPWM调制波2、正弦波脉宽调制

取正弦波作为调制信号，它与三角波(载波同步信号)相比较后可调制矩形波(载波)，得到的调制波是一组宽度按正弦规律变化的矩形脉冲，这种调制方式称为正弦被脉宽调制，简称SPWM。三、交流伺服系统组成（一）同步（SM）型伺服电动机控制系统1、同步（SM）型交流伺服电动机概述

同步型电动机采用永久磁铁磁场，不需要磁化电流，只要检测磁铁转子的位置即可，这种交流伺服电动机也叫做无刷直流伺服电动机。由于它不需要磁化电流控制，故比IM型伺服电机容易控制。其转矩产生机理与直流伺服电动机相同。2、SM型交流伺服电动机构成与原理图同步（SM）型伺服电动机控制系统框图CONV.—整流器；SM—同步电机；INV.—变换器；PS—磁极位置检测器；REF—速度基准；IFG—电流函数发生器；SC—速度控制放大器；CC—电流控制放大器；RD—速度变换器；PWM—脉宽调制器；iu、iv、iw—相电流；P.B.U.—再生电力吸收电路（二）感应式伺服电机控制系统1、感应型伺服电动机概述

感应型伺服电动机是笼式感应电动机，因为是旋转磁场，由于气隙磁场难于直接检验，可以用转子的位置和速度的等效控制来代替，其中之一是矢量控制。

交流电动机的矢量控制是交流伺服系统的关键，可以利用微处理器和计算机数控CNC对交流电动机磁场的控制，从而获得对交流电动机的最佳控制。（a）等效电路