高速伺服電機在主傳動系統上的應用

王小鋒

（中國航發西安動力控制科技有限公司裝試分廠，陜西 西安 710077）

隨著科技的不斷的發展，伺服電動機控制技術正在逐步數字化和智慧化。驅動器、控制系統以及保護系統和電源電子組件都是伺服控制系統的組成部分。它們采用數字脈寬調制技術、微電子技術、特殊電機材料技術和最新的控制技術開發而成。

1 伺服電動機概述

伺服電機也稱為執行器。其功能是將電信號轉換為電動機軸的角位移或角輸出速度。根據所用電源的性質，伺服電機可以分為兩類：交流伺服電機和直流伺服電機。

1.1 交流伺服電動機

1.1.1 結構

交流伺服電動機本質上是小型單相交流異步電動機。兩組繞組安裝在定子上。首先，是連接到交流電源的磁場的旋轉。另一個是連接到控制電壓的控制繞組。兩個繞組組以90e 的電角分開放置，以加速旋轉磁場的形成。當控制電壓與電源電壓同相時，合適的電容器與繞組磁場串聯連接以實現相轉移，并且兩個繞組的波具有大約90e 的相位，以加速旋轉磁場的形成。1.1.2 工作原理

當伺服電機繞組的勵磁連接到交流電源并且控制信號為零時，由于僅由定子勵磁繞組產生的脈動磁場在轉子上沒有電磁轉矩，因此，轉子處于靜止狀態。當將控制信號施加到繞組控制時，在定子氣隙中產生旋轉磁場，該旋轉磁場產生電磁轉矩并使轉子立即旋轉。隨著控制電壓的變化，轉子速度也會變化。如果控制電壓反向，則轉子將反向。如果失去控制信號，伺服電機將立即停止旋轉。

1.1.3 伺服電動機的基本性能要求

（1）可控性好，不會自轉。

（2）運行穩定，轉速會隨轉矩的升高而勻速下降。

（3）反應快，接到信號就立即運作，失去信號馬上停止。

1.1.4 交流伺服電動機的控制

電磁轉矩的強度取決于氣隙磁場各極處的磁通量的大小和階段，轉子電流的大小和階段，即控制電壓的大小和相位。可以通過以下三種方法進行控制電機運作：（1）振幅控制，即僅改變功率而不改變控制電壓的相角。（2）相位控制，僅改變相位，不對控制電壓的幅度做出改變。（3）幅度和相位的控制，也就是同時改變控制電壓的幅度和相位。

1.2 直流伺服電動機

1.2.1 結構與工作原理

直流伺服電動機與普通直流電動機的構造和工作原理基本上沒有差別。但是，它還具有以下獨特的自身特點：

（1）氣隙相對較小，磁路不飽和，磁通量和勵磁電流與勵磁電壓成正比。

（2）電樞電阻大，機械特性軟。

（3）電樞相對較薄，并具有微小的慣性矩。

（4）出色的通勤性能，無須通勤崗位。

1.2.2 直流伺服電動機的控制

直流伺服電動機的速度由信號電壓控制，有以下兩種控制方法。

（1）控制電樞，即向繞組電樞施加控制信號電壓（勵磁電流不變）。

（2）控制磁場，即將控制信號電壓施加到繞組的勵磁上（電樞電壓不變）。

2 伺服控制系統

（1）開環伺服系統。由于開環伺服系統沒有用于檢測的反饋設備，因此，內部沒有用于反饋運動的控制環。一旦該設備發送脈沖命令，電動機就會相應地運行。發生運動錯誤時，不會生成有關錯誤糾正過程的信息或錯誤反饋。其中，步進電機是開環伺服系統的主要驅動部分。步進電動機的步進角和機器傳動的精度決定了整個開環系統的精度。一般來說，對于這種精度的要求并不高，因此，步進電機運作很慢，有些零件存在運動限制，但是，由于其結構簡單、可靠性高、制造成本低以及控制電路非常簡單的特性，環路控制系統和步進電機可以用于某些不需要高精度和高速度的設備。

（2）半閉環伺服系統。半閉環伺服系統通常由無刷旋轉變壓器或測量速度的發電機組成。無刷旋轉變壓器通常用于位置或速度檢測器。最重要的設備是內部脈沖編碼器。電動機或螺桿上充滿了整個系統的所有反饋信號。除了這些機制之外，還可以用于系統機械傳輸的機制。一些非線性因素不會影響整個系統，并且易于安裝和調試。機器變送器的精度可用作整個半閉環伺服系統的定位精度。如果機械傳動不是很準確，則CNC 裝置中的錯誤校正和間隙校正功能可以提高加工精度，直到達到所需的高度為止。因此，半閉環伺服系統被廣泛用于數控機床。

（3）全閉環伺服系統。全閉環伺服系統由比較裝置、伺服驅動放大器、進給伺服電機以及機械變送器和線性位移測量設備組成的。DC 伺服電機或AC 伺服電機是全閉環伺服系統的驅動部分，該系統監視機床運動部件的運動并執行反饋校正。在測量機床零件時，可以直接使用安裝在工作臺上的照明室或感應同步器，兩者結合在一起，即可形成一個完整的閉環控制系統。

在整個閉環系統中，線性位移檢測器安裝在運動部件上。相對而言，該轉移部分的測量精度和靈敏度是去除檢測器的精度和靈敏度，并且處理精度也很高。但是，機械變送器之間的摩擦，設備剛度和注入間隔等非線性因素對整個閉環伺服電機系統都有重要影響。此外，全閉環伺服器的安裝和調試系統過程也非常繁復。

3 伺服電機控制技術的應用概述

3.1 在低頻特性的應用

基于工作原理的低頻振動狀態非常適合步進電機的正常運行，振動頻率與電動機系統的振動頻率、負載條件和驅動性能具有良好的相關性。它主要被應用于低速運行的電機中。其振動頻率只是空載電動機起飛頻率的1/2。低頻振動控制通常使用阻尼技術來改善步進電機的工作條件。例如，控制過程涉及在驅動器上使用細分技術并設置阻尼器。但是，如果電動機以低速運行，則通常使用交流伺服電動機技術使其更穩定，并且不會引起低頻振動問題。AC 伺服電機系統具有共振抑制功能和頻率分析功能，可以補償機械硬度的不足，防止共振問題，并有效地監測機械共振點。

3.2 在過載能力的應用

交流伺服電機具有非常快的過載能力和扭矩過載能力。步進電機的性能不高，但是，交流伺服電機的過載能力與三洋步進電機相當。因此，實際上，通常選擇大型電動機來克服啟動時出現的慣性矩。然而，在實際使用中，很可能會產生浪費，并且不需要過多的電動機扭矩。

3.3 伺服電機控制方法

對于電動機軸，扭矩控制主要使用以下功能：使用外部模擬量或直接地址分配的輸入來調節扭矩的外部輸出。此外，還可以通過通信或調整模擬音量更改設置力矩的大小并更改相應的地址值。但是，諸如光纖設備之類的應用對象需要更嚴格的纏繞和放卷。

此外，轉速和位置控制角由外部脈沖輸入的頻率和數量決定。位置模式對速度和方位的制約非常嚴格，所以，從速度和位移的角度出發，我們發現，可以直接通過通信分配單個伺服器，所以，它被廣泛用于定位設備中。為了控制旋轉速度，該閥門使用了模擬輸入和脈沖頻率等技術，上位控制單元外部的PID 回路可以準確地定位速度，但是，計算此操作的基礎要求在較高的電動機位置上直接反饋信號。檢測器是用來提供位置信號的工具，可以通過對電動機軸的末端進行編碼來執行電動機速度檢測。同時，位置模式可以將回路檢測位置信號直接加載其中。以這種方式，可以改善系統的定位，并且可以消除中間變速器操作中的錯誤。

4 伺服電機控制技術的前景

20 世紀80 年代以來，伺服電機技術逐漸得到了廣泛的應用。交流伺服電機體積相對來說比較小，幾乎不需要養護，原因是它沒有刷頭。這種外觀在提高速度和強度方面具有很大的優勢。

當前，交流伺服電動機控制系統在數字語音控制市場中有許多應用，逐漸取代了直流伺服電動機控制技術。在伺服技術的發展中，也出現了直流伺服技術取代交流伺服技術的現象，硬件控制已被軟件控制所取代。伺服系統正在慢慢發展為數字和微處理器，與傳統系統相比，具有更快的計算速度和更短的采樣時間。該技術的發展優化了其系統的性能，使其更加靈活可靠，同時，促進了調試功能，并促進了高質量的開發。

至今，直線電機直接驅動已廣泛用作大型加工工具的驅動方法。直線電機驅動器與滾珠絲杠驅動器相比，具有更堅固、速度差范圍更廣、加速性能更好的優勢。它可以直接驅動，而無須中間機器進行交付，并且在位置和精度上更加平穩、更精密。

在運行期間，還降低了機器之間的磨損，從而大大減少了驅動系統的維護時間。當前，用于高速、高精度加工機的直接驅動系統和滾珠驅動系統均存在，但是，長期發展將增加直接驅動系統的比例。

5 結語

伺服電機技術的應用不僅可以滿足一般工業生產所需的低成本，而且可以減少設備維護的頻率，減少資金浪費并提高設備的可用性。