4.4 交流伺服电动机
20世纪后期，随着电力电子技术的发展，交流电动机应用于伺服控制越来越普遍。与直流伺服电动机比较，交流伺服电动机不需要电刷和换向器，因而维护方便和对环境无要求；在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10%～70%，此外，交流电动机的容量可比直流电动机的容量大，达到更高的电压和转速。此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和重量较小、结构简单、价格便宜等优点；尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。交流电动机的缺点是转矩特性和调节特性的线性度不及直流伺服电动机好；其效率也比直流伺服电动机低。因此，除某些操作特别频繁或交流伺服电动机在发热和起、制动特性不能满足要求时，选择直流伺服电动机外，一般尽量考虑选择交流伺服电动机。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。
用于伺服控制的交流电动机主要有同步型交流电动机和异步型交流电动机。采用同步型交流电动机的伺服系统，多用于机床进给传动控制、工业机带入关节传动和其他需要运动和位置控制的场合。异步型交流电动机的伺服系统，多用于机床主轴转速和其他调速系统。
1．异步型交流电动机
三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120°，三相交流电源的相与相之间的电压在相位上也是相差120°，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。旋转磁场的转速为：
式中：f1——定子供电频率；P——定子线圈的磁极对数；n1——定子转速磁场的同步转速。
定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向旋转。一般情况下，电动机的实际转速n低于旋转磁场的转速n1。如果n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。为此，我们称三相电动机为异步电动机。
旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。假设三相绕组A、B、C中的电流相序按顺时针流动，则磁场按顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，则磁场按逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。
综上所述，异步电动机的转速方程为：
式中：n——电动机转速；s——转差率。
根据式4-4我们知道，交流电动机的转速与磁极数和供电电源的频率有关。我们把改变异步电动机的供电频率f1实现实现调速的方法称为变频调速；而改变磁极对数P进行调速的方法叫变极调速。变频调速一般是无级调速，变极调速是有级调速。当然，改变转差率S也可以实现无级调速，但该办法会降低交流电动机的机械特性，一般不使用。
2．同步型交流电动机
同步电动机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。同步电动机的定子绕组与异步电动机相同，它的转子做成显极式，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。
由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似，如图4-20所示。
当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。
同步电动机运行时的转速与电源的供电频率有严格不变的关系，它恒等于旋转磁场的转速，即电动机与旋转磁场两者的转速保持同步，并由此而得名。同步交流电动机的转速用下式表达：
图4-20 笼形电动机
式中：f1——定子供电频率；P——定子线圈的磁极对数；n——转子转速。
3．交流伺服电机的性能
对异步电动机进行变频调速控制时，希望电动机的每极磁通保持额定值不变。若磁通太弱，则铁心利用不够充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降。若磁通太强，又会使铁心饱和，使励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电动机。异步电动机的磁通是定子和转子磁动势合成产生的。下面说明怎样才能使磁通保持恒定。
由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值
E1=4.44f1N1Φm （4-6）
式中：Φm——每极气隙磁通；N1——定子相绕组有效匝数。
由式（4-6）可见，Φm的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通Φm保持额定值不变。下面分两种情况说明：
（1）基频以下的恒磁通变频调速
这是考虑从基频（电动机额定频率f）向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通Φm不变。这就要求降低供电频率的同时降低感应电动机，保持E1/f1＝常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。
由于，E1难于直接检测及直接控制，当E1和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1=E1，保持U1/ f1＝常数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。
当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能忽略。在这种情况下，可以适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图4-21所示，其中曲线a为U1/ E1等于常数时的电压——频率关系。曲线b为有电压补偿时近似的（E1/ f1＝常数）电压——频率关系。
（2）基频以上的弱磁通变频调速
这是基频开始向上调速的情况。频率由额定值f向上增大，但电压U受额定电压U1n的限制不能再升高，只能保持U1=U1n不变。必然会使磁通随着f1的上升而减小，这属于近似恒功率调速方式，上述两种情况综合起来。异步电动机变频调速的基本控制方式如图4-22所示。
图4-21 恒压频比控制特性
图4-22 异步电动机变频调速控制特性
由上述分析可知，变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。
与直流伺服电动机相比，永磁同步伺服电动机有更好的工作性能：
（1）交流伺服电动机的机械特性比直流伺服电动机的机械特性要优，其直线更为接近水平线。另外，断续工作区范围更大，尤其是高速区，这有利于提高电动机的加、减速能力。
（2）高可靠性。用电子逆变器取代了直流电动机换向器和电刷，工作寿命由轴承决定。因无换向器及电刷，也省去了此项目的保养和维护。
（3）主要损耗在定子绕组与铁心上，故散热容易，便于安装热保护；而直流电动机损耗主要在转子上，散热困难。
（4）转子惯量小，其结构允许高速工作。
（5）体积小，质量小。
4．交流调速控制
对于进给运动经常采用交流同步电动机。这种电机转速公式：
从式（4-7）中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。
交流伺服电机变频调速的关键问题是要获得调频调压的交流电源。根据生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。这里只讨论交-直-交（Ac-Dc-Ac）变频器。如图4-23所示即为交-直-交变频电路。
图4-23 交—直—交变频电路结构图
在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。下面来分析一下如何用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替一个正弦电波。
把如图4-24（a）所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π／N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到如图4-24（b）所示的脉冲序列，这就是SPWM波形。
如图4-25所示是脉宽调制变频器的主电路。图中续流二极管D1～D6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管（全控式功率开关器件）T1～T6组成逆变桥，SPWM为逆变桥的输出端。
图4-24 正弦波PWM原理示意图
图4-25 SPWM变频器的主电路原理图
交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。
如图4-26所示为逆变管的工作情况，图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。逆变桥输出的线电压波形如图4-27所示，由图可见，各相之间的相位互差120°，它们的幅值都与直流电压Ud相等。
图4-26 各逆变管的通断安排
图4-27 三相逆变桥的输出电压
只要按照一定的规律来控制逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。改变逆变管导通和关断时间，即可得到不同的输出频率。
利用脉冲宽度调制逆变器可实现变频和变压。如图4-28所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。
图4-28 脉宽调制的输出电压
在双极性SPWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟Δt时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。
SPWM逆变电路主要具有以下特点：
① 主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；
② 采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；
③ 逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；
④ 可获得更接近于正弦波的输出电压波形。
