交流伺服系统及其在机床中的应用

采用交流伺服电动机作为执行元件的伺服系统，称为交流伺服系统。

到20世纪80年代中后期，整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求。近年来，随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行。

交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机（无刷直流机）伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。

按选用电机的不同将交流伺服系统分为异步型和同步型两种。

异步型交流伺服电动机的应用场合：机床主轴转速和其他调速系统。

同步型交流伺服电动机的应用场合：机床进给传动控制、工业机器人关节传动和其他需要位置和运动控制的场合。

下面以异步交流伺服电动机变频控制为例，简要介绍交流伺服控制系统。

（1）异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性

异步电动机的转速方程如下式。

由上式可以看出：改变异步电动机的供电频率f1，可以改变其同步转速n1，实现调速运行，也称为变频调速。

（2）异步电动机变频调速系统

在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但是，这种系统需要一台专用的变压变频电源，增加了系统的成本。近来，由于交流调速日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低，使得变压变频调速系统的应用与日俱增。这里主要介绍正弦脉宽调制SPWM（Sinusoidal Pulse width modulation）变频器。

SPWM就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛地采用。

SPWM变压变频器的模拟控制电路框图如图4－12所示。三相对称的参考正弦电压调制信号Ura、Urb、Urc由参考信号发生器提供，其频率和幅值都可调。三角载波信号Ut由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号进行比较，给出“正”的饱和输出或“零”输出，产生SPWM脉冲波序列Uda、Udb、Udc，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。SPWM的模拟控制现在已很少应用，但它的原理仍是其他控制方法的基础。

由上式可以看出：改变异步电动机的供电频率f1，可以改变其同步转速n1，实现调速运行，也称为变频调速。

（2）异步电动机变频调速系统

在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但是，这种系统需要一台专用的变压变频电源，增加了系统的成本。近来，由于交流调速日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低，使得变压变频调速系统的应用与日俱增。这里主要介绍正弦脉宽调制SPWM（Sinusoidal Pulse width modulation）变频器。

SPWM就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛地采用。

SPWM变压变频器的模拟控制电路框图如图4－12所示。三相对称的参考正弦电压调制信号Ura、Urb、Urc由参考信号发生器提供，其频率和幅值都可调。三角载波信号Ut由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号进行比较，给出“正”的饱和输出或“零”输出，产生SPWM脉冲波序列Uda、Udb、Udc，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。SPWM的模拟控制现在已很少应用，但它的原理仍是其他控制方法的基础。

图4－12　SPWM变压变频器的模拟控制电路框图

完整的恒压频比控制的SPWM变频调速系统的原理框图如图4－13所示。

图4－12　SPWM变压变频器的模拟控制电路框图

完整的恒压频比控制的SPWM变频调速系统的原理框图如图4－13所示。

图4－13　恒压频比控制的SPWM变频调速系统的原理框图

（3）异步电动机的特点

优点：调速范围大；转速稳定性好；频率可以连续调节，为无级调速，平滑性好，变频时电压按不同规律变化可实现恒转矩调速或恒功率调速，以适应不同负载的要求。这是异步电机调速发展的方向。

缺点：控制装置价格较贵。

图4－13　恒压频比控制的SPWM变频调速系统的原理框图

（3）异步电动机的特点

优点：调速范围大；转速稳定性好；频率可以连续调节，为无级调速，平滑性好，变频时电压按不同规律变化可实现恒转矩调速或恒功率调速，以适应不同负载的要求。这是异步电机调速发展的方向。

缺点：控制装置价格较贵。

交流伺服系统必将取代直流伺服系统

交流伺服系统取代直流伺服系统已经是必然趋势，因为直流伺服电机的机械换向器和电刷给应用带来一系列问题。例如，结构和制造工艺复杂，电刷和换向器容易发生以下故障：

①电刷和换向器之间滑动接触的电阻不稳定，使电机运行不稳定；

②换向器上产生火花，引起无线电干扰，影响放大器和计算机正常工作，且使电机无法直接应用于易燃、易爆的工作环境中；

③电刷和换向器之间的摩擦增加了电机的阻力矩，使电机工作不稳定；

④换向器的表面线速度换向电流、电压有一极限容许值，约束了电机的最大转速和功率。为使换向器可靠工作，电枢和换向器直径一般较大，使得电机转动惯量增大，在快速响应要求较高、安装空间较小的应用场合受到限制。

因此，人们一直在寻求能克服上述缺点的交流伺服电机，以满足各种应用领域的需要。交流伺服电机结构简单，坚固耐用，便于维修，价格合理，克服了直流伺服电机存在的缺点。特别是新型永磁交流伺服电机的优点更加明显：永磁同步电机调速性能优越，克服了直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的系列限制，且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题。

现代电力电子学的大发展为交流伺服系统取代传统的直流伺服系统奠定了基础。向高频化、大容量、智能化方向发展的性能优越的全控型大功率电子器件，及集成半导体开关、信号处理、自我保护功能于一体的智能功率模块（IPM）和大功率集成电路，使交流伺服系统的关键部件之一——交流伺服驱动器成本降低。

现代控制理论的应用，促进了许多新型交流伺服电机控制方式的诞生，为交流伺服系统取代直流伺服系统提供了进一步的依据。1971年，F.Blaschke提出的矢量控制原理开创了交流伺服传动的新纪元。此后出现的直接转矩控制、磁场加速控制、参数自适应控制、滑模变结构控制以及建立在微分几何基础上的非线性解耦控制等方法，使交流伺服系统的性能达到一个较高的水平，可以和直流伺服系统的性能相媲美，甚至优于直流伺服系统的性能。

微电子技术的迅速发展，使得各种性能的微处理器不断推出，特别适用于工业领域实时控制的单片机和高速数字信号处理器（DSP）在伺服系统中的应用，大大加快了交流伺服系统取代直流伺服系统的进程。

综合交流伺服系统发展过程和现状，总结其发展趋势如下。

①伺服技术继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统。

②交流伺服系统向两大方向发展：一是简易、低成本交流伺服系统将迅速发展，应用领域进一步扩大；二是向更高性能的全数字化、智能化软件伺服的方向发展。

③在硬件结构上，由模拟电子器件转向数字电子器件、微处理器、数字信号处理器，实现半数字化、全数字化，进而由硬件伺服技术转向软件伺服技术发展，极大地增强了交流伺服系统设计与使用的柔性。

④由于微机控制用于伺服系统，模糊控制、人工智能、神经元网络等新成果将应用于高性能交流伺服系统的研究工作。

⑤交流伺服系统所采用的逆变器将逐渐转向高频化、小型化、无噪声的逆变器。

⑥永磁伺服电机转子磁钢由采用铁氧体、稀土钴转向铷铁硼发展，使电机具有更好的性能价格比。

直流伺服电机在数控进给伺服系统中曾得到了广泛应用，它具有良好的调速和转矩特性，但是它的结构复杂、制造成本高、体积大，而且电机的电刷容易磨损，换向器会产生火花，使直流伺服电机的容量和使用场合受到限制。交流伺服电机没有电刷和换向器等结构上的缺点；并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，促进了交流驱动电路的发展，使交流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。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动大有取代直流伺服驱动之势。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

交流伺服系统的发展与数字化控制的优点：

进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制的方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。

伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。

目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有以下优点。

①能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，使硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。

②可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时间（MTBF）大大长于分立元件电子电路。

③数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。

④硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。

⑤采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。

⑥可以设计适合众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法，以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。

⑦提高了信息存储、监控、诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更趋于智能化。

⑧随着微机芯片运算速度和存储器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。

交流伺服系统必将取代直流伺服系统

交流伺服系统取代直流伺服系统已经是必然趋势，因为直流伺服电机的机械换向器和电刷给应用带来一系列问题。例如，结构和制造工艺复杂，电刷和换向器容易发生以下故障：

①电刷和换向器之间滑动接触的电阻不稳定，使电机运行不稳定；

②换向器上产生火花，引起无线电干扰，影响放大器和计算机正常工作，且使电机无法直接应用于易燃、易爆的工作环境中；

③电刷和换向器之间的摩擦增加了电机的阻力矩，使电机工作不稳定；

④换向器的表面线速度换向电流、电压有一极限容许值，约束了电机的最大转速和功率。为使换向器可靠工作，电枢和换向器直径一般较大，使得电机转动惯量增大，在快速响应要求较高、安装空间较小的应用场合受到限制。

因此，人们一直在寻求能克服上述缺点的交流伺服电机，以满足各种应用领域的需要。交流伺服电机结构简单，坚固耐用，便于维修，价格合理，克服了直流伺服电机存在的缺点。特别是新型永磁交流伺服电机的优点更加明显：永磁同步电机调速性能优越，克服了直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的系列限制，且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题。

现代电力电子学的大发展为交流伺服系统取代传统的直流伺服系统奠定了基础。向高频化、大容量、智能化方向发展的性能优越的全控型大功率电子器件，及集成半导体开关、信号处理、自我保护功能于一体的智能功率模块（IPM）和大功率集成电路，使交流伺服系统的关键部件之一——交流伺服驱动器成本降低。

现代控制理论的应用，促进了许多新型交流伺服电机控制方式的诞生，为交流伺服系统取代直流伺服系统提供了进一步的依据。1971年，F.Blaschke提出的矢量控制原理开创了交流伺服传动的新纪元。此后出现的直接转矩控制、磁场加速控制、参数自适应控制、滑模变结构控制以及建立在微分几何基础上的非线性解耦控制等方法，使交流伺服系统的性能达到一个较高的水平，可以和直流伺服系统的性能相媲美，甚至优于直流伺服系统的性能。

微电子技术的迅速发展，使得各种性能的微处理器不断推出，特别适用于工业领域实时控制的单片机和高速数字信号处理器（DSP）在伺服系统中的应用，大大加快了交流伺服系统取代直流伺服系统的进程。

综合交流伺服系统发展过程和现状，总结其发展趋势如下。

①伺服技术继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统。

②交流伺服系统向两大方向发展：一是简易、低成本交流伺服系统将迅速发展，应用领域进一步扩大；二是向更高性能的全数字化、智能化软件伺服的方向发展。

③在硬件结构上，由模拟电子器件转向数字电子器件、微处理器、数字信号处理器，实现半数字化、全数字化，进而由硬件伺服技术转向软件伺服技术发展，极大地增强了交流伺服系统设计与使用的柔性。

④由于微机控制用于伺服系统，模糊控制、人工智能、神经元网络等新成果将应用于高性能交流伺服系统的研究工作。

⑤交流伺服系统所采用的逆变器将逐渐转向高频化、小型化、无噪声的逆变器。

⑥永磁伺服电机转子磁钢由采用铁氧体、稀土钴转向铷铁硼发展，使电机具有更好的性能价格比。

直流伺服电机在数控进给伺服系统中曾得到了广泛应用，它具有良好的调速和转矩特性，但是它的结构复杂、制造成本高、体积大，而且电机的电刷容易磨损，换向器会产生火花，使直流伺服电机的容量和使用场合受到限制。交流伺服电机没有电刷和换向器等结构上的缺点；并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，促进了交流驱动电路的发展，使交流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。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动大有取代直流伺服驱动之势。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

交流伺服系统的发展与数字化控制的优点：

进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制的方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。

伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。

目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有以下优点。

①能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，使硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。

②可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时间（MTBF）大大长于分立元件电子电路。

③数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。

④硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。

⑤采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。

⑥可以设计适合众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法，以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。

⑦提高了信息存储、监控、诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更趋于智能化。

⑧随着微机芯片运算速度和存储器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。