【導讀】伺服系統是以機械運動的驅動設備，伺服電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統。組合機床通常由標準通用部件和加工專用部件組合構成，動力部件采用電動機驅動或采用液壓系統驅動，由電氣系統進行工作自動循環的控制，是典型的機電或機電液一體化的自動加工設備。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。

一、前言

電氣伺服技術應用最廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅動能源，沒有公害污染，維護也比較容易。特別是隨著電子技術和計算機軟件技術的發展，它為電氣伺服技術的發展提供了廣闊的前景。早在70年代，小慣量的伺服直流電動機已經實用化了。到了70年代末期交流伺服系統開始發展，逐步實用化，AC伺服電動機的應用越來越廣，并且還有取代DC伺服系統的趨勢成為電氣伺服系統的主流。永磁轉子的同步伺服電動機由于永磁材料不斷提高，價格不斷下降，控制又比異步電機簡單，容易實現高性能的緣故，所以永磁同步電機的AC伺服系統應用更為廣泛研究具有自主知識產權的高性能交流伺服控制技術，尤其是最具應用前景的永磁同步電動機伺服控制技術，具有重要的理論意義和實用價值。

隨著高效率的逆變器、數字信號控制器、高性能伺服電機和控制理論的發展，交流伺服系統取代直流伺服系統成為必然的趨勢。PMSM轉子無勵磁繞組，電機運行效率高，采用高效的稀土永磁材料勵磁可以有效地減少電機體積重量，實現高力矩輸出，轉子轉動慣量明顯降低。因而PMSM廣泛應用于高性能的交流伺服驅動系統中。脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。WM控制技術以其控制簡單，靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控制理論思想或實現無諧振軟開關技術將會成為PWM控制技術發展的主要方向之一。80年代Broeck博士提出了一種新的脈寬調制方法--空間矢量PWM調制，將空間矢量引入到脈寬調制中。它具有線性范圍寬，高次諧波少，易于數字實現等優點，在新型的驅動器中得到了普遍應用。分析了三相交流電機空間矢量脈寬調制的原理，探討了采用空間矢量脈寬調制三相橋式電壓型逆變器的電壓輸出能力。將SVPWM和基于載波的SPWM進行了比較分析，指出了SVPWM和疊加了三次諧波的SPWM之間的聯系。零序矢量放置的不同可以導致不同的SVPWM調制方式，每個PWM周期只插入一個零序矢量可減少1/3的開關次數，即可實現最小開關損耗SVPWM調制。

近年來，伺服電機控制技術正朝著交流化、數字化、智能化三個方向發展。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。

二、交流伺服電動機的組成結構

交流伺服電動機的結構主要可分為兩大部分，即定子部分和轉子。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組。其中L1-L2稱為勵磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。

轉子的結構常用的有鼠籠形轉子和非磁性杯形轉子。鼠籠形轉子交流伺服電動機的結構，它的轉子由轉軸、轉子鐵心和轉子繞組等組成。轉子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來將軸壓入軸孔內。鐵心的每一槽中放有一根導條，所有導條兩端用兩個短路環連接，這就構成了轉子繞組籠轉子。

非磁性杯形轉子交流伺服電動機的結構外定子與鼠籠形轉子伺服電動機的定子完全一樣，內定子由環形鋼片疊成,通常內定子不放繞組，只是代替鼠籠轉子的鐵心，作為電機磁路的一部分。在內、外定子之間有細長的空心轉子裝在轉軸上，空心轉子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉子。空心杯由非磁性材料鋁或銅制成，它的杯壁極薄，一般在0.3mm左右。杯形轉子套在內定子鐵心外，并通過轉軸可以在內、外定子之間的氣隙中自由轉動，而內、外定子是不動的。與鼠籠形轉子相比較，非磁性杯形轉子慣量小，軸承摩擦阻轉矩小。由于它的轉子沒有齒和槽，所以定、轉子間沒有齒槽粘合現象，轉矩不會隨轉子不同的位置而發生變化，恒速旋轉時，轉子一般不會有抖動現象，運轉平穩。但是由于它內、外定子間氣隙較大(杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙)，所以勵磁電流就大，降低了電機的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內，杯形轉子伺服電動機比鼠籠轉子伺服電動機所產生的啟動轉矩和輸出功率都小；另外，杯形轉子伺服電動機結構和制造工藝又比較復雜。因此，目前廣泛應用的是鼠籠形轉子伺服電動機，只有在要求運轉非常平穩的某些特殊場合下(如：積分電路等)，才采用非磁性杯形轉子伺服電動機。

三、交流伺服電動機的工作原理

交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉”現象，即無控制信號時，它不應轉動，特別是當它已在轉動時，如果控制信號消失，它應能立即停止轉動。而普通的感應電動機轉動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續轉動。

當電機原來處于靜止狀態時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組通電產生脈動磁場。可以把脈動磁場看成兩個圓形旋轉磁場。這兩個圓形旋轉磁場以同樣的大小和轉速，向相反方向旋轉，所建立的正、反轉旋轉磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應出大小相同，相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機轉子轉不起來。一旦控制系統有偏差信號，控制繞組就要接受與之相對應的控制電壓。在一般情況下，電機內部產生的磁場是橢圓形旋轉磁場。一個橢圓形旋轉磁場可以看成是由兩個圓形旋轉磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉磁場幅值不等（與原橢圓旋轉磁場轉向相同的正轉磁場大，與原轉向相反的反轉磁場小），但以相同的速度，向相反的方向旋轉。它們切割轉子繞組感應的電勢和電流以及產生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉者大，反轉者小）合成力矩不為零，所以伺服電機就朝著正轉磁場的方向轉動起來，隨著信號的增強，磁場接近圓形，此時正轉磁場及其力矩增大，反轉磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負載力矩不變，轉子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉磁場的轉向相反，因而產生的合成力矩方向也相反，伺服電機將反轉。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流，伺服電機產生的磁場將是脈動磁場，轉子很快地停下來。鼠籠轉子(或者是非磁性杯形轉子)所以會轉動起來是由于在空間中有一個旋轉磁場。旋轉磁場切割轉子導條，在轉子導條中產生感應電勢和電流，轉子導條中的電流再與旋轉磁場相互作用就產生力和轉矩，轉矩的方向和旋轉磁場的轉向相同，于是轉子就跟著旋轉磁場沿同一方向轉動。

隨著液壓技術的不斷發展與進步和應用領域與范圍的不斷擴大，系統柔性化與各種性能要求更高，采用傳統的以完成執行機構預定動作循環和限于系統靜態性能的系統設計遠遠不能滿足要求。因此，現代液壓系統設計研究人員對系統動態特性進行研究，了解和掌握液壓系統動態工作特性與參數變化，以提高系統的響應特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。

液壓系統動態特性是其在失去原來平衡狀態到達新的平衡狀態過程中所表現出來的特性，原因主要是由傳動與控制系統的過程變化以及外界干擾引起的。在此過程中，系統各參變量隨時間變化性能的好壞，決定系統動態特性的優劣。系統動態特性主要表現為穩定性（系統中壓力瞬間峰值與波動情況）以及過渡過程品質（執行、控制機構的響應品質和響應速度）問題。

液壓系統動態特性的研究方法主要有傳遞函數分析法、模擬仿真法、實驗研究法和數字仿真法等。數字仿真法是利用計算機技術研究液壓系統動態特性的一種方法。先是建立液壓系統動態過程的數字模型——狀態方程，然后在計算機上求出系統中主要變量在動態過程的時域解。該方法適用于線性與非線性系統，可以模擬出輸入函數作用下系統各參變量的變化情況，從而獲得對系統動態過程直接、全面的了解，使研究人員在設計階段就可預測液壓系統動態性能，以便及時對設計結果進行驗證與改進，保證系統的工作性能和可靠性，具有精確、適應性強、周期短以及費用低等優點。

四、PWM調制技術及死區補償技術

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

在感應電機的SVPWM調制方式控制中，對定子電流進行預測，計算死區的影響，提出了預測補償的算法。通過仿真分析了逆變器死區的特性，建立死區的數學模型和整個系統的非線性模型，采用自適應變結構控制策略消除逆變死區的影響。不需要測量死區的參數，具有較強的魯棒性，可使系統全局穩定并且達到準確的位置跟蹤。