正弦波交流伺服電動機綜述

正弦波交流伺服系統(tǒng)綜合了伺服電動機、角速度和角位移傳感器的最新成就，與采用新型電力電子器件、專用集成電路和專用控制算法的交流伺服驅動器相匹配，組成新型高性能機電一體化產品。使原有的直流伺服系統(tǒng)面臨淘汰的危機，成為當今世界伺服驅動的主流及發(fā)展方向。正弦波交流伺服廣泛使用于航空、航天、兵器、船舶、電子及核工業(yè)等領域，如自行火炮、衛(wèi)星姿態(tài)控制、雷達驅動、機載吊艙定位系統(tǒng)、戰(zhàn)車火控及火力系統(tǒng)、水下滅雷機器人等。
正弦波交流伺服電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的。有刷直流電動機自十九世紀四十年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉矩控制特性，在相當長的一段時間里，一直在運動控制領域占據(jù)主導地位。但是，機械接觸的電刷——換向器的制造工藝復雜和成本較高，一直是直流伺服電動機的致使弱點。電刷——換向器的結構也降低了直流伺服電動機的可靠性，限制了其在很多場合中的應用。為了取代有刷直流電動機的電刷——換向器結構，人們作出了長期的探索。上世紀20年代，Boliger提出用整流管代替有刷直流電動機的機械式電刷，從此產生了無刷直流電動機的基本思想。
與傳統(tǒng)的有刷直流電動機相比較，無刷直流電動機的最大特點是以半導體開關元件代替了由換向器和電刷組成的機械換向機構。由于沒有滑動電接觸，也就消除了換向器的機械磨損、換向火花和電磁干擾。其轉子采用永磁體勵磁，不僅沒有勵磁損耗，而且保持了有刷直流電動機優(yōu)良的調速特性，提高了電機的整體效率。
20世紀七十年代以來，隨著電力半導體工作的飛速發(fā)展，許多新型的全控制半導體功率器件如GTR、MOSFET、IGBT等相繼問世，加之新型高磁能積永磁材料如SmCo、NdFeB等的陸續(xù)出現(xiàn)均為無刷直流電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎。
隨著電機本體及其相關技術的迅速發(fā)展，新型電機不斷涌現(xiàn)。“無刷直流電動機”的概念已由最初“特指”具有特定電子換向的直流電動機發(fā)展到“泛指”一切具備有刷直流電動機外部特性且沒有電刷的永磁直流電動機。無刷直流電動機系統(tǒng)按其繞阻反電勢BEMF的波形和電流的波形可分為兩大類：方波無刷直流電動機和正弦波無刷直流電動機或正弦波交流伺服電動機。
兩種永磁無刷電動機比較而言，方波無刷直流電動機具有控制簡單、成本低、檢測裝置簡單、系統(tǒng)實現(xiàn)起來相對容易等優(yōu)點。但是方波無刷直流電動機原理上存在固有缺陷，因電樞中電流和電樞磁勢移動的不連續(xù)性而存在電磁脈動，而這種脈動在高速運轉時產生噪聲，在中低速又是平穩(wěn)的力矩驅動的主要障礙。轉矩脈動又使得電機速度控制特性惡化，從而限制了由其構成的方波無刷直流電動機伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服驅動場合下的應用（尤其是在低速直接驅動場合）。因此，對于一般性能的電伺服驅動控制系統(tǒng)，選用方波無刷直流電動機及相應的控制方式，而對于高精度、高性能電伺服驅動系統(tǒng)則多采用正弦波交流伺服電動機及其控制系統(tǒng)。
在以計算機為核心的數(shù)字運動控制系統(tǒng)中，正弦波交流伺服電機作為執(zhí)行電動機，能夠接受計算機發(fā)出的轉矩、轉速和位置等一系列數(shù)字控制量。
正弦波交流伺服電機具有較高的控制精度。正弦波交流伺服電機的控制精度則是由于電機同安裝軸的位置傳感器及解碼電路來決定的。對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000＝0.036°對于帶無刷旋轉變壓器的正弦波交流伺服電機的控制精度，由于位置信號是連接的正弦量，原則上位置分辨率由解碼芯片的位數(shù)決定。例如解碼芯片為14位R/D，驅動器每接收214＝16384個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/16384＝0.02197秒。
正弦波交流伺服電機低速運轉平穩(wěn)。正弦波交流伺服電機定子三相繞阻中通過，由矢量控制技術產生的三相正弦波交流電流。三相正弦波交流電流與三相繞阻中的三相正弦波反電勢產生光滑平穩(wěn)的電磁轉矩。在交流伺服控制系統(tǒng)中具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，調整系統(tǒng)抑制共振。總之，正弦波交流伺服電機具有寬廣的調速范圍，在30分鐘轉一周到每分鐘3000轉的范圍內都不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。
正弦波交流伺服電機在其額定轉速以內，都能實現(xiàn)恒轉矩輸出。可按主控計算機要求獨立地輸出額定轉矩以內的任何轉矩。在額定轉速以上為恒功率輸出。
正弦波交流伺服電機具有較強的過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟、制動瞬間的慣性力矩。有效地減少啟、制動時間。以松下MSMA400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
正弦波交流伺服系統(tǒng)為數(shù)字閉環(huán)控制。系統(tǒng)內部的反饋量：電流、轉速和位置由模擬量離散成數(shù)字量參與調節(jié)控制。系統(tǒng)的集成度較高，具有較好的柔性，可實現(xiàn)軟件伺服。溫度變化對系統(tǒng)的性能影響較小，系統(tǒng)的重復性好。易于應用現(xiàn)代控制理論，實現(xiàn)較復雜的控制策略。易于實現(xiàn)智能化的故障診斷和保護，系統(tǒng)具有較高的可靠性。易于與采用計算機控制的系統(tǒng)接口實現(xiàn)通訊。
系列正弦波交流伺服電動機及驅動控制器的大規(guī)模推廣，可有效打破發(fā)達國家在軍用高精度伺服電機領域對我國的封鎖和禁運，可大大降低民用伺服電機的對國外進口產品的依賴，帶動國內機床和輕紡機械類產品的更新?lián)Q代，具有廣闊的市場前景。