交流永磁同步電動機伺服系統

1 伺服系統的基本概念
1.1 名詞
“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思 。人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉子靜止不動;訊號來到之后，轉子立即轉動;當訊號消失，轉子能即時自行停轉。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系統。
1.2 定義
　　伺服系統—是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標值(或給定值)的任意變化的自動控制系統。
　　伺服的主要任務是按控制命令的要求，對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活方便。
1.3 伺服系統的組成
　　伺服系統如圖1所示，是具有反饋的閉環自動控制系統。它由位置檢測部分、誤差放大部分、執行部分及被控對象組成。
1.4 伺服系統的性能要求
　　伺服系統必須具備可控性好，穩定性高和速應性強等基本性能。說明一下，可控性好是指訊號消失以后，能立即自行停轉;穩定性高是指轉速隨轉距的增加而均勻下降;速應性強是指反應快、靈敏、響態品質好。
1.5 伺服系統的種類
　　通常根據伺服驅動機的種類來分類，有電氣式、油壓式或電氣—油壓式三種。
伺服系統若按功能來分，則有計量伺服和功率伺服系統;模擬伺服和功率伺服系統;位置伺服和加速度伺服系統等。
　　電氣式伺服系統根據電氣信號可分為DC直流伺服系統和AC交流伺服系統二大類。AC交流伺服系統又有異步電機伺服系統和同步電機伺服系統兩種。
　　這里只討論電氣式伺服系統中的一種—交流永磁同步電機伺服系統。

2 交流永磁同步電機伺服系統
　　伺服驅動系統能夠忠實地跟隨控制命令而動作，例如數控機床和工業機人，伺服驅動技術對產品的性能有重要影響，甚至起關鍵作用。故需進一步認識伺服驅動系統在其中的地位和作用。
2.1 AC伺服系統
 電氣伺服技術應用最廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅動能源，沒有公害污染，維護也比較容易。特別是隨著電子技術和計算機軟件技術的發展，它為電氣伺服技術的發展提供了廣闊的前景。
早在70年代，小慣量的伺服直流電動機已經實用化了。到了70年代末期交流伺服系統開始發展，逐步實用化，AC伺服電動機的應用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統的趨勢成為電氣伺服系統的主流。
在AC伺服系統中，可分為同步和異步型AC伺服系統兩種。
AC伺服系統—→異步型—-→兩相異步機;
→三相異步機(力距電機)。
→同步型→磁阻式(開關式);
→磁滯式(反應式);
→永磁式。
　　永磁轉子的同步伺服電動機由于永磁材料不斷提高，價格不斷下降，控制又比異步電機簡單，容易實現高性能的緣故，所以永磁同步電機的AC伺服系統應用更為廣泛。
目前，在交流同步伺服驅動系統中，普通應用的交流永磁同步伺服電動機有兩大類。一類稱為無刷直流電動機，它要求將方波電流直入定子繞組。詳見參改文獻;如一類稱為三相永磁同步電動機，它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。詳見參改文獻⑵。前者簡稱為BLDCM電機，后者簡稱PM·SM電機。
2.2 以數控機床為例看AC永磁同步機伺服系統
圖2表示數控機床伺服控制系統的構成。
　　系統由計算機數字控制(CNC)、伺服驅動器(SD)、永磁同步伺服電動機(SM)及位置(速度)傳感器(S)等組成。
CNC用來存儲零件加工程序、進行各種插補運算和軟件實時控制，向各坐標軸的伺服驅動系統發出各種控制命令。
SD和SM接收到CNC的控制命令后，快速平滑調節運動速度并精確地進行位置控制。
S代表位置和速度傳感器(或檢測器)
目前AC伺服系統常用的位置和速度檢測器有光電式和電磁式兩種。例如光電編碼器、磁編碼器、旋轉變壓器(BR)以及多轉式絕對值編碼器。后面二種，可作多種檢測功能應用，既可檢測系統位置和轉子速度，又可檢測系統位置和轉子速度，又可檢測轉子磁極位置。它堅固耐用，不怕震動，耐高溫，惟存在信號處理電路復雜缺點。
無刷直流電動機(BL、DCM)中轉子磁極位置檢測方法，一般都做到無接觸式，常用的有電磁式、光電式和間接檢測方式。
(1) 電磁式:a.差動變壓器式;b.接近開關式;
(2) 磁敏式:霍爾元件集成電路及模快;
(3) 光電式:a.簡單光電式(光敏晶體管);
b.絕對式光電編碼盤;
c.增量式光電編碼盤。
(4) 間接式:利用電樞繞組的感應電動勢(電壓)間接檢測轉子磁極位置。它用于精度要求不高的場合。
數控機床用于精密機械加工，所以對伺服系統的動態和靜態精度有很高的要求，并具有寬廣的調速范圍和定位精度而工業機器人的伺服系統結構類似，但伺機服電動機SM作為工業機器人手臂和腰、腿的驅動執行元件，要求其體積小，重量輕，且能產生大轉距。又由于工業機器人不同的運動姿態，伺服電機軸上慣量和力矩將發生很大變化，因此，適應性有更高要求。
2.3 交流永磁同步電動機AC伺服系統
　　圖3是交流永磁同步電動機AC伺服系統。它由永磁同步伺服電動機SM1速度和位置傳感器BR、PWM功率逆變器UI以及具有PI功能的速度控制器ASR和電流控制器ACR等部分組成。
AC伺服系統工作原理如下:速度指令和速度反饋信號在ASR速度控制器的輸入端比較，ASR輸出信號為電流指令信號在乘法器中相乘就得到交流電流指令。交流電流指令值與電流反饋信號相比較后，差值送入ACR電流控制器。
　　PWM或SPWM(正弦脈沖寬度調制)波形生成電路及功率逆變器，輸出三相變壓變頻的交流電給永磁同步電動機SM的定子繞組，并使輸入電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。(SM轉子裝有特殊形狀的永磁體，產生恒定磁場，因此提高SM的效率)。
　　交流三相永磁同步電動機伺服系統舉例:
　　無刷直流電動機BLDCM可以用作AC伺服系統，但不是它唯一的應用，主要用作大型設備起動和調速裝置。同樣PM、SM也不僅僅可以用作AC伺服系統，主要還是用于他控式永磁同步電動機變頻調速系統。但是三相SPWM、PM、SM交流伺服系統具有更優越的低速伺服性能，因而廣泛用于數控機慶，工業機器人等到高性能伺服系統中。
現以某公司的AC 伺服系統產品為例說明。
圖4為SPWM型三相PM、SM矢控制的交流伺服系統原理圖。
圖中，BR-旋轉變壓器，FWC-弱磁控制環節‘
ASR-速度調節器， Π-乘法器，
ACR-電流調節器， Σ-加法器，
　　旋轉變壓器在該系統中用來檢測磁極位置和轉子速度。旋轉變壓器的勵磁信號的角頻率要求遠大于PM、SM電動機轉子角速度，并且頻率必須非常穩定，正弦、余弦勵磁信號相位應該嚴格正交關系，才能提高檢測精度和可靠性，因此，系統中采用3.795MHZ晶體振蕩器。
　　系統中還有轉子磁極位置信號的解調環節及轉子速度信號的解調環節。
　　該伺服系統控制將靜止坐標系中的直流量工q(轉矩電流)工d(去磁電流)變換為旋轉坐標系中的二相交流量工α 、工β，然后通過2/3變換為三相電流工A、工B、工C、再利用電流負反饋構成電流閉環，使PM、SM電動機定子繞組中三相電流與指令保持一致。
　　SPWM、PM、SM交流伺服系統，在定子繞組內通入三相正弦電流以便獲得更好的平穩性以及優越低速的伺服特性。

3 西門子公司同步伺服電動機1Fk6/1FT6系列
(SIEMENS SYNCHRONOUS SERVOMOTORS)
3.1 西門子公司伺服電動機
SIEMENS伺服電動機有同步伺服電動機1FK6/1FT6和異步伺服電動機IPA6/IPL6兩種。這里只討論同步伺服電動機1FK6/1FT6系列。
⑴1FK6伺服電動機是標準伺服電動機，無法蘭聯接的永磁同步電動機。自然冷卻，防護等級IP64。 功率0.5~5.2KW轉矩0.8~16.5NM
⑵1FT6伺服電動機是永磁同步電動機。防護等級IP64
自然冷卻 0.5~15.5KW，0.8~88NM。
強迫通風 6.9~34.6kW，17~160NM。
水冷卻11~27.6kW, 17~78NM.
詳見SIEMENS產品樣本資料，DA65.3、1998(P．2/1~2/8)
3.2 1Fk6/1FT6同步伺服電動機特點:
1FK6/1FT6是三相稀土永磁同步電動機。
⑴高靜態轉矩，大過載能力，可以很快加速。
Mmcx=1.6~3.0Me(額定力矩)。
⑵動態響應品質優良。
可以上升時間短,到達預期位置沒有超調
⑶具有很精確的位置分辨率
一般情況下, 1FK6用于小功率范圍(≤5.2kW)
1FT6用于較大功率范圍(≤27.6kW)
3.3 西門子永磁同步伺服電動機功率的選擇
根據轉矩來選擇電機功率
轉矩均方根值
轉速平均值
式中:T—周期,A-起始,E—終結,I—某瞬時,
伺服電機選擇原則:
⑴負載曲線上所有Mrms必須在電機轉矩極限曲線S1的下方;
⑵負載曲線上所有nmean必須小于電機的額定轉速。
3.4 變頻器容量如何與同步電動機匹配？
⑴孌頻器種類可以選用多種型式
①SIEMENS MASTER DRIVES VC—IFX6
②SIEMENS MASTER DRIVES MC—IFK6/IFT6
③SIEMENS SIMO DRIVES —1FT6
⑵變頻器容量選用原則:
對于同步伺服電動機1FK6/1FT6。
同步伺服電動機平均電流計算公式:

式中:kTn—電動機轉矩常數
變頻器容量(額定電流)選用公式:I0≤Ivn
式中:I0—電動機轉停車時的電流，
Ivn—變頻器的額定電流。
實際上，SIEMENS公式有表格提供可查到1FK6/IET6什么電機應匹配什么變頻器。無需具體計算。
詳見SIEMENS技術資料DA65.11 1999(p4/4→4/13)

4 三相正弦波永磁同步伺服系統(SPWM、PM、SM)和無刷直流電動機(BLDCM)的比較
　　三相永磁同步電動機(PM、SM)是AC伺服系統中關鍵環節。主要有二大類:
(1) 無刷直流電動機(BLDCM)，用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的電樞變為定子。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動機(BLDCM)是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉子顛倒一下，并采用永磁轉子，就可以省去機械換向器和電刷，由此得名無刷直流電動機。
參見圖5所示BLDCM系統框圖。
參見圖6所示AC伺服電動機控制系統框圖。
上述兩類永磁同步伺服電動機也可從永磁體轉子磁場定子相繞組中感應電動勢力波形來區分。BLDCM定子每相感應電動勢為梯形波，為了產生恒定的電磁轉矩，要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應電動勢為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。
圖7為PM、SM和BLDCM兩種電動機對比波形。
圖中，Bm—永磁體磁通密度，
Ea—定子每相感應電動勢，
Ia—定子每相電流，
Pa,Pb，Pc—定子每相功率，
P—總功率。
綜上所述兩類永磁AC同步伺服電動機的差異歸納如下:表1
比較圖5和圖6，控制原理相似，給定指令信號加到AC伺服系統的輸入端，電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較，根據比較結果控制伺服的運動，直至達到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統構成的基本思路是一致的。但PM、SM伺服系統要求定子輸入三相正弦波電流，可以獲得更好的平穩性，具有更優越的低速伺服性能。因而廣泛用于數控機床，工業機器人等高性能伺服驅動系統中。

5 結語(AC伺服系統的發展趨勢)
　　(1) 伺服驅動技術由DC伺服系統迅速地向AC伺服系統轉化，可以預見在不久的將來，AC伺服系統將完全取代DC伺服系統。
　　(2) AC伺服系統向兩個方向發展:
　　一個方向是簡易、低成本AC伺服系統，例如簡易數控機床，辦公室自動化設備、家用電器計算機外圍設備以及對性能要求不高的工業運動控制，它是一個量大面廣的不可忽視的應用領域，勢將迅速發展和擴大。
另一個方面是更高性能、全數字化智能化軟件伺服系統，以滿足高精度、數控機床、機器人特別加工裝備精細進給的需要。它將代表AC伺服系統發展水平和主導方向，亦將成為AC伺服系統的發展主流。