摘要：伺服电机是自动化系统的核心部件，交流伺服电机以其性能的优越性逐步取代直流伺服电机，成为伺服电机的发展趋势。基于此，本文概述了交流伺服电机，阐述了交流伺服电机控制原理，对交流伺服电机在自动控制系统中的应用及其发展进行了论述分析。
关键词：交流伺服电机；自动化控制；原理；应用；发展
1 交流伺服电机的概述
当前在工业控制领域广泛使用的伺服电机是交流伺服电机，其主要包括转子和定子两个组成部分。其中转子部分的结构形式包括鼠笼形转子和非磁性杯行转子两种形式。而常用的定子结构则是与旋转变压器的定子结构类似，通过在定子铁心中设置相互垂直的两相绕组构成。根据转子结构的不同，可以将交流伺服电机分为两种形式。其中，鼠笼转子交流伺服电机由转子铁心、轴和转子绕组构成；而非磁性杯形转子交流伺服电机的内定子则由环形的钢片叠放而成。从当前市场应用情况来看，通常广泛使用鼠笼形转子伺服电机。这主要是因为非磁性杯形转子工作过程中惯量小，轴承的摩擦阻转矩较小，而且转子之间不存在齿槽，使得电机工作过程中没有齿槽啮合的现象，从而使其转矩和输出功率都较小。另外非磁性杯形转子伺服电机的制造工艺复杂，主要用于十分平稳的场合
2 交流伺服电机的自动化控制原理
伺服电机对设备进行控制主要时利用变频技术对交流伺服电机的主轴转角、转矩等参数进行控制。与传统的感应式电机控制相比，这种控制方式具有调速范围大、控制精度高以及动态性能良好的优势。由于交流伺服电机转子使用了永磁体磁钢，因此其磁场不能随意改变，一般用于恒转矩控制系统中，且伺服控制系统使用矢量控制方式。但是，为了实现矢量控制，需要进行对应的矢量定向与参数解耦，必须构建配套的磁通观测系统。为了实现交流伺服电机的同步控制，需要将变频器、伺服电机和伺服驱动配套使用。当伺服驱动接受获得相应的指令控制脉冲信号后，利用变流及对应的控制策略，并输出对应的电压和电流；在电机的运行过程中，设置在电机内部的编码码盘则将电机当前运行的实时信息反馈至伺服驱动系统，从而在整个控制系统中实现闭环控制。
3 交流伺服电机在自动控制系统中的应用分析
3.1永磁交流伺服电动机的优势。（1）永磁交流伺服电动机相对于传统步进电机的优势。第一、控制精度高。在位移控制的过程中，交流伺服电机的控制精度是通过电机轴后端设置的旋转编码器来保证的，能够实现电机主轴转动角度的精确控制。通常，两相步进电机的转矩角度有3.6度、18度两种型号。而五相混合式步进电机的转矩距角则有0.72度、0.36度。便于根据实际控制对象进行灵活选择。第二、低频特性良好。步进式电机在低速运行过程中容易出现低频振动的问题，使得控制设备出现“爬行”的现象。这主要是因为步进电机的工作原理所决定的，这对被控制设备而言尤为不利。在这种情况下，交流伺服电机则能够非常稳定的运行，即使在转速非常低的情况下也能够保持平稳运行而不出现振动。这主要是因为在交流伺服电机的控制系统中设置了共振抑制器，即在控制系统的内部加入了频率解析功能，当出现共振点后能够立即检测并进行调整。第三、恒功率输出。传统的步进电机随着转速的升高输出力矩会急剧下降，尤其是在高转速的情况下下降尤为剧烈，因此，步进电机的最高工作转速一般不超过 600rpm。交流伺服电机的设计为恒力矩输出，即使在3000rpm的高转速情况下，也可以做到额定转矩输出，保证了交流伺服电机的恒功率输出。第四、过载能力强。由于传统的步进电机不具有过载能力，因此在电机选型时为了克服启动时的瞬间惯性力矩，往往会选取转矩较大的电机，使力矩浪费现象严重。而交流伺服电机的过载能力很强。当前先进的交流伺服电机都具有速度过载能力以及转矩过载能力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆最大转矩一般可以达到额定转矩的三倍，优异的过载能力可以使用户在同种情况下选用较小的电机，这不仅缩小了系统的体积，还节约了能源和成本。第五、运行稳定。由于交流伺服系统的控制方式为闭环控制，驱动器对电机编码器反馈信号直接进行采样分析，在电机内部构成位置环和速度环。有效避免了传统步进电机的丢步或过冲的现象，电机的可控性能优越。（2）永磁交流伺服电动机相对于直流伺服电机的优势。直流伺服电机由于其设计缺陷使其机械结构复杂、维护工作量大，同时在电机的运行过程中转子容易发热，严重影响了与其匹配的其他机械设备的精度，这些缺陷极大限制了其应用范围，尤其是不能应用到高速及大容量的领域，此外，机械换向器则时直流伺服系统发展的严重技术障碍。交流伺服电机的设计避免了直流伺服电机以上的一系列缺点，尤其是交流伺服电机的强过载性能以及低惯性使得交流伺服系统更具有明显的 优越性。
3.2伺服电机自动化控制的实现。伺服电机控制的最小实现单元为单电机控制，以此为基础通过增加伺服电机数量和对各参数进行关联控制但是单电机控制是基础。因此本文以实现单伺服电机的控制为目的，探讨伺服电机的控制实现。采用EC10系列PLC对伺服电机进行控制。（1）DRVA指令。DRVA指令属于绝对位置控制，在控制过程中需要预先制定对应的速度脉冲控制字，从而实现对电机运行位置的控制。而在定位的过程中，电机的速度将保持恒定稳态值，完成定位之后即停止运转，等待后续指令。（2）DRVI指令。DRVI指令是相对位置控制。其速度控制字同样需要预先确定，从而确定其一次能够执行的脉冲数量。在定位指令执行过程中，若速度字发生变化，则必须在指令能流切断一个完整的周期之后才能产生对应的控制效果。（3）PLSV指令。PLSV指令是指变速运行指令，其可以随时进行更改，速度控制相对灵活。但是，其不具有定位功能，只要控制能流有效就能够持续产生脉冲信号。在实际的控制过程中需要使用特殊的功能寄存器SD80等构建对应的位置系统。在整个控制系统中，将PLSV指令作为主控指令，而绝对位置控制指令DRVA与相对位置控制指令DRVI则作为辅助控制指令，能够用于实现定位控制以及暂停模式下的电动微调控制，基本能够满足实际工业系统的自动控制。
4 交流伺服电机的发展方向
交流伺服电机的发展主要表现为：（1）高效率化。交流伺服电机将会采用精度更高的编码器，进一步提高采样精度、数据位数，继续开发直线电机，进一步提高交流伺服电机本身的及驱动系统的效率。（2）小型化和大型化。在体积方面，一方面交流伺服电机的尺寸越来越小，比如已经出现了外径20 mm甚至更小的伺服电机，同时也在积极研发大功率和大尺寸的电机，比如500KW以上的永磁伺服电机。以这种两极化发展来满足不同用户的需求。
（3）智能化。最新伺服驱动器的智能化特点主要有：第一、参数记忆功能。所有参数都可以保存在伺服单元内部，甚至可以在运行过程中由上位计算机实时加以修正；第二、故障自查与分析功能。当系统出现故障时，其类型和可能的原因可以清楚地显示出来，以便于维修和调试。
5 结束语
随着工厂自动化水平的不断提高，对伺服控制技术提出了更高的要求。近年来伺服电机控制技术涉及到的特种材料、微电子和现代控制技术得到了长足发展，使得交流伺服电机在自动控制系统中得到广泛应用。
参考文献
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论文作者:宋越鸣
论文发表刊物:《基层建设》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/6
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