高速伺服电机在主传动系统上的应用

王小锋

（中国航发西安动力控制科技有限公司装试分厂，陕西 西安 710077）

随着科技的不断的发展，伺服电动机控制技术正在逐步数字化和智慧化。驱动器、控制系统以及保护系统和电源电子组件都是伺服控制系统的组成部分。它们采用数字脉宽调制技术、微电子技术、特殊电机材料技术和最新的控制技术开发而成。

1 伺服电动机概述

伺服电机也称为执行器。其功能是将电信号转换为电动机轴的角位移或角输出速度。根据所用电源的性质，伺服电机可以分为两类：交流伺服电机和直流伺服电机。

1.1 交流伺服电动机

1.1.1 结构

交流伺服电动机本质上是小型单相交流异步电动机。两组绕组安装在定子上。首先，是连接到交流电源的磁场的旋转。另一个是连接到控制电压的控制绕组。两个绕组组以90e 的电角分开放置，以加速旋转磁场的形成。当控制电压与电源电压同相时，合适的电容器与绕组磁场串联连接以实现相转移，并且两个绕组的波具有大约90e 的相位，以加速旋转磁场的形成。1.1.2 工作原理

当伺服电机绕组的励磁连接到交流电源并且控制信号为零时，由于仅由定子励磁绕组产生的脉动磁场在转子上没有电磁转矩，因此，转子处于静止状态。当将控制信号施加到绕组控制时，在定子气隙中产生旋转磁场，该旋转磁场产生电磁转矩并使转子立即旋转。随着控制电压的变化，转子速度也会变化。如果控制电压反向，则转子将反向。如果失去控制信号，伺服电机将立即停止旋转。

1.1.3 伺服电动机的基本性能要求

（1）可控性好，不会自转。

（2）运行稳定，转速会随转矩的升高而匀速下降。

（3）反应快，接到信号就立即运作，失去信号马上停止。

1.1.4 交流伺服电动机的控制

电磁转矩的强度取决于气隙磁场各极处的磁通量的大小和阶段，转子电流的大小和阶段，即控制电压的大小和相位。可以通过以下三种方法进行控制电机运作：（1）振幅控制，即仅改变功率而不改变控制电压的相角。（2）相位控制，仅改变相位，不对控制电压的幅度做出改变。（3）幅度和相位的控制，也就是同时改变控制电压的幅度和相位。

1.2 直流伺服电动机

1.2.1 结构与工作原理

直流伺服电动机与普通直流电动机的构造和工作原理基本上没有差别。但是，它还具有以下独特的自身特点：

（1）气隙相对较小，磁路不饱和，磁通量和励磁电流与励磁电压成正比。

（2）电枢电阻大，机械特性软。

（3）电枢相对较薄，并具有微小的惯性矩。

（4）出色的通勤性能，无须通勤岗位。

1.2.2 直流伺服电动机的控制

直流伺服电动机的速度由信号电压控制，有以下两种控制方法。

（1）控制电枢，即向绕组电枢施加控制信号电压（励磁电流不变）。

（2）控制磁场，即将控制信号电压施加到绕组的励磁上（电枢电压不变）。

2 伺服控制系统

（1）开环伺服系统。由于开环伺服系统没有用于检测的反馈设备，因此，内部没有用于反馈运动的控制环。一旦该设备发送脉冲命令，电动机就会相应地运行。发生运动错误时，不会生成有关错误纠正过程的信息或错误反馈。其中，步进电机是开环伺服系统的主要驱动部分。步进电动机的步进角和机器传动的精度决定了整个开环系统的精度。一般来说，对于这种精度的要求并不高，因此，步进电机运作很慢，有些零件存在运动限制，但是，由于其结构简单、可靠性高、制造成本低以及控制电路非常简单的特性，环路控制系统和步进电机可以用于某些不需要高精度和高速度的设备。

（2）半闭环伺服系统。半闭环伺服系统通常由无刷旋转变压器或测量速度的发电机组成。无刷旋转变压器通常用于位置或速度检测器。最重要的设备是内部脉冲编码器。电动机或螺杆上充满了整个系统的所有反馈信号。除了这些机制之外，还可以用于系统机械传输的机制。一些非线性因素不会影响整个系统，并且易于安装和调试。机器变送器的精度可用作整个半闭环伺服系统的定位精度。如果机械传动不是很准确，则CNC 装置中的错误校正和间隙校正功能可以提高加工精度，直到达到所需的高度为止。因此，半闭环伺服系统被广泛用于数控机床。

（3）全闭环伺服系统。全闭环伺服系统由比较装置、伺服驱动放大器、进给伺服电机以及机械变送器和线性位移测量设备组成的。DC 伺服电机或AC 伺服电机是全闭环伺服系统的驱动部分，该系统监视机床运动部件的运动并执行反馈校正。在测量机床零件时，可以直接使用安装在工作台上的照明室或感应同步器，两者结合在一起，即可形成一个完整的闭环控制系统。

在整个闭环系统中，线性位移检测器安装在运动部件上。相对而言，该转移部分的测量精度和灵敏度是去除检测器的精度和灵敏度，并且处理精度也很高。但是，机械变送器之间的摩擦，设备刚度和注入间隔等非线性因素对整个闭环伺服电机系统都有重要影响。此外，全闭环伺服器的安装和调试系统过程也非常繁复。

3 伺服电机控制技术的应用概述

3.1 在低频特性的应用

基于工作原理的低频振动状态非常适合步进电机的正常运行，振动频率与电动机系统的振动频率、负载条件和驱动性能具有良好的相关性。它主要被应用于低速运行的电机中。其振动频率只是空载电动机起飞频率的1/2。低频振动控制通常使用阻尼技术来改善步进电机的工作条件。例如，控制过程涉及在驱动器上使用细分技术并设置阻尼器。但是，如果电动机以低速运行，则通常使用交流伺服电动机技术使其更稳定，并且不会引起低频振动问题。AC 伺服电机系统具有共振抑制功能和频率分析功能，可以补偿机械硬度的不足，防止共振问题，并有效地监测机械共振点。

3.2 在过载能力的应用

交流伺服电机具有非常快的过载能力和扭矩过载能力。步进电机的性能不高，但是，交流伺服电机的过载能力与三洋步进电机相当。因此，实际上，通常选择大型电动机来克服启动时出现的惯性矩。然而，在实际使用中，很可能会产生浪费，并且不需要过多的电动机扭矩。

3.3 伺服电机控制方法

对于电动机轴，扭矩控制主要使用以下功能：使用外部模拟量或直接地址分配的输入来调节扭矩的外部输出。此外，还可以通过通信或调整模拟音量更改设置力矩的大小并更改相应的地址值。但是，诸如光纤设备之类的应用对象需要更严格的缠绕和放卷。

此外，转速和位置控制角由外部脉冲输入的频率和数量决定。位置模式对速度和方位的制约非常严格，所以，从速度和位移的角度出发，我们发现，可以直接通过通信分配单个伺服器，所以，它被广泛用于定位设备中。为了控制旋转速度，该阀门使用了模拟输入和脉冲频率等技术，上位控制单元外部的PID 回路可以准确地定位速度，但是，计算此操作的基础要求在较高的电动机位置上直接反馈信号。检测器是用来提供位置信号的工具，可以通过对电动机轴的末端进行编码来执行电动机速度检测。同时，位置模式可以将回路检测位置信号直接加载其中。以这种方式，可以改善系统的定位，并且可以消除中间变速器操作中的错误。

4 伺服电机控制技术的前景

20 世纪80 年代以来，伺服电机技术逐渐得到了广泛的应用。交流伺服电机体积相对来说比较小，几乎不需要养护，原因是它没有刷头。这种外观在提高速度和强度方面具有很大的优势。

当前，交流伺服电动机控制系统在数字语音控制市场中有许多应用，逐渐取代了直流伺服电动机控制技术。在伺服技术的发展中，也出现了直流伺服技术取代交流伺服技术的现象，硬件控制已被软件控制所取代。伺服系统正在慢慢发展为数字和微处理器，与传统系统相比，具有更快的计算速度和更短的采样时间。该技术的发展优化了其系统的性能，使其更加灵活可靠，同时，促进了调试功能，并促进了高质量的开发。

至今，直线电机直接驱动已广泛用作大型加工工具的驱动方法。直线电机驱动器与滚珠丝杠驱动器相比，具有更坚固、速度差范围更广、加速性能更好的优势。它可以直接驱动，而无须中间机器进行交付，并且在位置和精度上更加平稳、更精密。

在运行期间，还降低了机器之间的磨损，从而大大减少了驱动系统的维护时间。当前，用于高速、高精度加工机的直接驱动系统和滚珠驱动系统均存在，但是，长期发展将增加直接驱动系统的比例。

5 结语

伺服电机技术的应用不仅可以满足一般工业生产所需的低成本，而且可以减少设备维护的频率，减少资金浪费并提高设备的可用性。