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交流伺服電機(jī)的工作原理
伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。
4. 什么是伺服電機(jī)？有幾種類型？工作特點是什么？
答：伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，
請問交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在功能上有什么區(qū)別？

答：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。
永磁交流伺服電動機(jī)

20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機(jī)和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機(jī)伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。永磁交流伺服電動機(jī)同直流伺服電動機(jī)比較，主要優(yōu)點有：

⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。

⑵定子繞組散熱比較方便。

⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。

⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。

⑸同功率下有較小的體積和重量。

自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)，這標(biāo)志著此種新一代交流伺服技術(shù)已進(jìn)入實用化階段。到20世紀(jì)80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器（DSP）的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進(jìn)行，分別稱為摪朧�字化敾驌混乎r綌、撊�数字化�?shù)挠来沤涣魉欧�系統(tǒng)。

到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機(jī)，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。

日本安川電機(jī)制作所推出的小型交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動器，其中D系列適用于數(shù)控機(jī)床（最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用于機(jī)器人（最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀(jì)90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅(qū)動、8051單片機(jī)控制改為正弦波驅(qū)動、80C、154CPU和門陣列芯片控制，力矩波動由24％降低到7％，并提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（功率范圍為0.05～6kW）較完整的體系，滿足了工作機(jī)械、搬運機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)械人、裝配機(jī)器人、電子部件、加工機(jī)械、印刷機(jī)、高速卷繞機(jī)、繞線機(jī)等的不同需要。

以生產(chǎn)機(jī)床數(shù)控裝置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世紀(jì)80年代中

期也推出了S系列（13個規(guī)格）和L系列（5個規(guī)格）的永磁交流伺服電動機(jī)。L系列

有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)械時間常數(shù)，適用于要求特別快速響應(yīng)的位置伺服系統(tǒng)。

日本其他廠商，例如：三菱電動機(jī)（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、東芝精機(jī)（SM系列）、大隈鐵工所(BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機(jī)（S系列）等眾多廠商也進(jìn)入了永磁交流伺服系統(tǒng)的競爭行列。

德國力士樂公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機(jī)共有7個機(jī)座號92個規(guī)格。

德國西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機(jī)分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型兩大類，共8個機(jī)座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機(jī)與相同輸出力矩的直流伺服電動機(jī)IHU系列相比，重量只有后者的1／2，配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機(jī)控制。

德國寶石（BOSCH）公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列（17個規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個規(guī)格）交流伺服電動機(jī)和Servodyn SM系列的驅(qū)動控制器。

美國著名的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部（Motion Control Division），生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機(jī)和A600 系列的伺服

驅(qū)動器。后合并到AEG，恢復(fù)了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。

美國A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅(qū)動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機(jī)和1391型交流PWM伺服控制器。電動機(jī)包括3個機(jī)座號共30個規(guī)格。

I.D.（Industrial Drives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業(yè)驅(qū)動分部，曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機(jī)和BDS3型伺服驅(qū)動器。自1989年起推出了全新系列設(shè)計的摻鶼盜袛（Goldline）永磁交流伺服電動機(jī)，包括B（小慣量）、M（中慣量）和EB（防爆型）三大類，有10、20、40、60、80五種機(jī)座號，每大類有42個規(guī)格，全部采用釹鐵硼永磁材料，力矩范圍為0.84～111.2N.m，功率范圍為0.54～15.7kW。配套的驅(qū)動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數(shù)字型、含位置控制）和Smart Drive（數(shù)字型）三個系列， 最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)最新水平。

愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產(chǎn)直流伺服電動機(jī)、直流力矩電動機(jī)和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機(jī)座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機(jī)和八種控制器。

法國Alsthom集團(tuán)在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列（長型）和GC系列（短型）

交流伺服電動機(jī)共14個規(guī)格，并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。

原蘇聯(lián)為數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機(jī)。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁，有兩個機(jī)座號，每個機(jī)座號有3種鐵心長度，各有兩種繞組數(shù)據(jù)，共12個規(guī)格，連續(xù)力矩范圍為7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6個機(jī)座號17個規(guī)格，力矩范圍為0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。

近年日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng)，其中永磁交流伺服電動機(jī)有MSMA系列小慣量型，功率從0.03～5kW，共18種規(guī)格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，功率從0.75～4.5kW，共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機(jī)的功率范圍從0.5～5kW，有7種規(guī)格。

韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)，其中FAGA交流伺服電動機(jī)系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號，功率從15W～5kW。

現(xiàn)在常采用摴β時浠�率敚≒owerrate）這一綜合指標(biāo)作為伺服電動機(jī)的品質(zhì)因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能。功率變化率表示電動機(jī)連續(xù)（額定）力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比。

按功率變化率進(jìn)行計算分析可知，永磁交流伺服電動機(jī)技術(shù)指標(biāo)以美國I.D 的Goldline系列為最佳，德國Siemens的IFT5系列次之。

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

1. 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？
　　　　*1: r/min
　　　　電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度單位：每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm.
　　　　例如：2極電機(jī) 50Hz 3000 [r/min]
　　　　4極電機(jī) 50Hz 1500 [r/min]
　　　　
　　　結(jié)論：電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例
　　本文中所指的電機(jī)為感應(yīng)式交流電機(jī)，在工業(yè)中所使用的大部分電機(jī)均為此類型電機(jī)。感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以一般不適和通過改變該值來調(diào)整電機(jī)的速度。
　　　　另外，頻率能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。
　　　　因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。
　　　　n = 60f/p
　　　　n: 同步速度
　　　　f: 電源頻率
　　　　p: 電機(jī)極對數(shù)
　　
　　 結(jié)論：改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法
　　如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時會使電機(jī)出于過電壓（過勵磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時，電壓卻不可以繼續(xù)增加，最高只能是等于電機(jī)的額定電壓。
　　例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，把變頻器的輸出頻率從50Hz改變到25Hz，這時變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V
　　
2. 當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（頻率）改變時，其輸出轉(zhuǎn)矩會怎樣？
　　　　*1: 工頻電源
　　　　由電網(wǎng)提供的動力電源（商用電源）
　　　　*2: 起動電流
　　　　當(dāng)電機(jī)開始運轉(zhuǎn)時，變頻器的輸出電流
　　　　變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動
　　　　電機(jī)在工頻電源供電時起動和加速沖擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動會產(chǎn)生一個大的起動起動電流。而當(dāng)使用變頻器時，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機(jī)上的，所以電機(jī)起動電流和沖擊要小些。
　　　　通常，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小（速度降低）而減小。減小的實際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊中會給出說明。
　　　　通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機(jī)低速時轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
　　
3. 當(dāng)變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低
　　　　通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速. (T=Te, P<=Pe)
　　　　變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。
　　　　當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運行時，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。
　　　　舉例，電機(jī)在100Hz時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。
　　　　因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速. (P=Ue*Ie)
　　
4. 變頻器50Hz以上的應(yīng)用情況
　　大家知道, 對一個特定的電機(jī)來說, 其額定電壓和額定電流是不變的。
　　如變頻器和電機(jī)額定值都是: 15kW/380V/30A, 電機(jī)可以工作在50Hz以上。
　　當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時, 變頻器的輸出電壓為380V, 電流為30A. 這時如果增大輸出頻率到60Hz, 變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A. 很顯然輸出功率不變. 所以我們稱之為恒功率調(diào)速.
　　　　這時的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢?
　　　　因為P=wT (w:角速度, T:轉(zhuǎn)矩). 因為P不變, w增加了, 所以轉(zhuǎn)矩會相應(yīng)減小。　　
　　　　我們還可以再換一個角度來看:
　　　　電機(jī)的定子電壓 U = E + I*R (I為電流, R為電子電阻, E為感應(yīng)電勢)
　　　　可以看出, U,I不變時, E也不變.
　　　　而E = k*f*X, (k:常數(shù), f: 頻率, X:磁通), 所以當(dāng)f由50-->60Hz時, X會相應(yīng)減小
　　　　對于電機(jī)來說, T=K*I*X, (K:常數(shù), I:電流, X:磁通), 因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小而減小.
　　　　同時, 小于50Hz時, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不變時, 磁通(X)為常數(shù). 轉(zhuǎn)矩T和電流成正比. 這也就是為什么通常用變頻器的過流能力來描述其過載(轉(zhuǎn)矩)能力. 并稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(額定電流不變-->最大轉(zhuǎn)矩不變)
　　　　結(jié)論: 當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時, 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會減小.
5. 其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)的因素
　　發(fā)熱和散熱能力決定變頻器的輸出電流能力，從而影響變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩能力。
　　載波頻率: 一般變頻器所標(biāo)的額定電流都是以最高載波頻率, 最高環(huán)境溫度下能保證持續(xù)輸出的數(shù)值. 降低載波頻率, 電機(jī)的電流不會受到影響。但元器件的發(fā)熱會減小。
　　環(huán)境溫度：就象不會因為檢測到周圍溫度比較低時就增大變頻器保護(hù)電流值.
　　海拔高度: 海拔高度增加, 對散熱和絕緣性能都有影響.一般1000m以下可以不考慮. 以上每1000米降容5%就可以了.
　　
6. 矢量控制是怎樣改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能力的？
　　　　*1: 轉(zhuǎn)矩提升
　　　　此功能增加變頻器的輸出電壓（主要是低頻時），以補(bǔ)償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，從而改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。　　
　　　　$ 改善電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù)
　　　　使用"矢量控制"，可以使電機(jī)在低速,如(無速度傳感器時)1Hz（對4極電機(jī)，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150％）。
　　　　對于常規(guī)的V/F控制，電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對增加，這就導(dǎo)致由于勵磁不足，而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補(bǔ)償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補(bǔ)償電機(jī)速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做"轉(zhuǎn)矩提升"（*1）。
　　　　轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應(yīng)的提高。 因為電機(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵磁分量）。
　　　　"矢量控制"把電機(jī)的電流值進(jìn)行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數(shù)值。
　　　　"矢量控制"可以通過對電機(jī)端的電壓降的響應(yīng)，進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機(jī)低速時溫升也有效。