交流伺服电动机的发展动向

    自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3～5年就有更新换代的产品面市。传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的;步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，pwm调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中， 但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。目前，新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。 

    交直流伺服电机系统
　　
    下面从功率驱动、性能、保护电路等方面，叙述其和直流伺服电机系统的不同特点。

    功率驱动
　　
    对于在雷达上经常使用的直流伺服系统的驱动电动机功率放大部分，当天线重量轻，转速慢，驱动功率较小时，一般为几十瓦，可以直接用直流电源控制电动机。当驱动功率要求在近千瓦或千瓦以上时，选择驱动方案，也即放大直流电动机的电枢电流，就是设计伺服系统的重要部分。大功率直流电源目前采用较多的有:晶体管功放、晶闸管功放和电机放大机等等。对于千瓦级的晶体管功放使用的较少。可控硅技术在上世纪60～70年代初得到快速的发展和广泛的应用，但因当时的各方面原因，如可靠性等，不少产品放弃了可控硅控制。目前的集成驱动模块一般都为晶体管或晶闸管制造。电机放大机是传统的直流伺服电机的功放装置，因其控制简单，结实耐用，目前的新型号的雷达产品上仍有采用。下面主要以放大电机为例，和交流伺服电机比较其优缺点。
　　
    放大电机常称为扩大机，一般是用交流异步感应电动机拖动串联的两级直流发电机组，以此来实现直流控制。两组控制绕组，每组的输入阻抗为几千欧，若串接使用输入阻抗约10千欧，一般为互补平衡对称输入，当系统输入不为零时打破其平衡，使放大电机有输出信号。当输入电流为十几到几十毫安时其输出可达100v以上的直流电压和几安到几十安的电流，直接接到直流伺服电机的电枢绕组上。其主要缺点是体积重量大，非线性度，尤其在零点附近不是很好，这对于要求高的系统需要仔细处理。
　　
    而交流伺服电机都配有专门的驱动器，它在体积和重量上远小于同功率的放大电机，它靠内部的晶体管或晶闸管组成的开关电路，根据伺服电机内的光电编码器或霍尔器件判断转子当时的位置，决定驱动电机的a、b、c三相应输出的状态，因此它的效率和平稳性都很好。所以不像控制放大电机需要做专门的功放电路。这种电机一般都为永磁式的，驱动器产生的a、b、c三相变化的电流控制电机转动，因此称为交流伺服电机;驱动器输入的控制信号可以是脉冲串，也可以是直流电压信号（一般为±10v），所以也有将其称为直流无刷电动机。

    两种电机的简单试验比较
　　
    对两种电机作过简单的试验比较:只要将系统原先的直流误差信号直接接入交流伺服驱动器的模拟控制输入端，用交流伺服电机和它的驱动器代替原先的差分功放、电机放大机和直流伺服电机，而控制部分和测角元件等均不变，简单比较两种方案的输出特性。
　　
    原先的直流伺服电机，额定电压为100v，额定转速为3000r/min，空载启动电压为2v，空载时，当其输入电压为1 v电机不转，输入电压为2～2.5v时，眼睛可观察到电机转速不匀，这是因为碳刷、油封等以及力矩角引起的不可避免的现象。而交流伺服电机因为无碳刷使其摩擦力小，还因为霍尔器件的存在而使其电磁力始终垂直于旋转半径（这既是所谓的正弦控制），从而其低速性能明显优于前者。当时将其转速放在很低，用肉眼很难分辨电机的转动，只能通过它自己的软件界面观察指示的电枢位置在转动，也观察不到爬行现象发生，用手也感觉不到有特性软的现象，原先直流系统低速要求为0.1°/s，若用交流电机估计低速至少可到0.01°/s。采用交流伺服系统，是对低速性能要求高的系统最为简单可行的方法。
　　
    交流伺服电机的输出特性画法也和直流伺服电机完全不同，它不是负斜率的一组直线，而是几乎画成矩形。这也说明了输出特性硬，速度范围宽。

安全保护
　　
    较大天线伺服系统的保护应是一个重要的设计环节，因为一旦失控，可能引起重大的设备损坏或人身事故。国外有些雷达在这方面有十种左右的保护措施，如某些系统的门打开后将使伺服电机不能启动等。
　　
    过流过载保护电路的敏感元件最好设计在靠近电机的直接控制部分，但这里的电流很大，使设计有一定的困难。常用的熔断器、热继电器等器件，往往因其升温到动作完成须有一定的时间，使其对瞬间就损坏设备的故障不能起到保护作用。例如曾经因某型号雷达跟随器的运放失效而使电容充电时间加长，平常还不容易发现此类故障，从而使测角元件双通道电感移相器的粗精纠错部分出错，因此输出的天线角度值叠加了一个粗大误差，（粗精比为1:32，粗大误差为11°15′）并反复出现，称之为“跳大点”。因系统的开环增益在两千倍以上，当随动系统判断到这个大失调角时，以最大的加速度达到最大的速度，去追赶这个失调角，从而使电机高速旋转时突然判断反转，这不但很容易引起永磁电机退磁使性能降低，当时还使减速机彻底损坏，但是这时熔断器、热继电器等无一动作。现在采用数字计算机可以较容易的判断这类现象，但因干扰、通讯等原因，不能将此类宝完全押在计算机上。而交流伺服电机，数据处理芯片安装在驱动器内，驱动器的i/o口都经过光耦隔离，因此可靠性好;并有许多现成可用的功能方便使用，如力矩电流限制，速度限制，加速度限制等等。
　　
    直流电机的额定过载线，如果不外接专门的限制断路器件，则额定线仅仅是在图上画出的，传递函数中并无此饱和线，顶多也就是超过此线后线性度可能有所降低。而交流电机的额定过载线却是实实在在的存在，一旦超过此线则系统立即停止。因此，一来可靠的保护了系统不会损坏，二来设计时要注意这个区别，尤其是不能随便停机的系统，电机的功率要有足够的余量。

    控制方法
　　
    采用交流伺服电机，可以使控制部分的设计简单，也可以容易的代替原先系统的驱动电机部分。系统构成典型的方法是:
　　
    上位机如pc机、plc、嵌入机等;随动系统中主要用于调试系统，以及完成系统通讯，信号采集等其他任务，控制任务可以放在上位机内，也可放在控制器中;
　　
    多轴控制器，一般可控制2至8个轴，可构成方位、俯仰、横滚等轴的控制，对于单轴控制，常使用带控制器的驱动器，可省去这一项;
　　
    驱动器，多为专用的，和电机配套出售; 电动机。
　　
    总之，采用这种方案，可以省去许多硬件电路和软件计算编程工作，实现模块化，提高了可靠性和可维修性。
　　
    各种型号的控制器都有各自的语言，也可以用visual basic等熟悉的环境来编制用户程序。设计有各种各样的软件模块以方便使用。如控制模式:pid调节、直线及圆弧插补、电子齿轮、比例转换、前馈控制、再生电阻等等，鲁棒性能好。它们多数是为像生产线或数控机床这样的程序控制系统而设计的。对于位置跟踪的随动系统，虽然许多功能用不上，但也可以模拟输入功能或力矩控制模式，方便的将驱动器和电机插入原有的伺服系统，代替直流伺服电机，也可以直接用数字信号，采用点动模式工作。这种电机系统一般都带有几个滤波器，包括相位滞后补偿滤波器、速度反馈滤波器和陷波滤波器，用于伺服调节时使用。有些型号电机的滤波器需要可选的硬件支持。