1 伺服系統(tǒng)的基本概念
1.1 名詞
“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思 。人們想把“伺服機構(gòu)”當(dāng)個得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動;訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動;當(dāng)訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系統(tǒng)。
1.2 定義
　　伺服系統(tǒng)—是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值(或給定值)的任意變化的自動控制系統(tǒng)。
　　伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求，對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活方便。
1.3 伺服系統(tǒng)的組成
　　伺服系統(tǒng)如圖1所示，是具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它由位置檢測部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。
1.4 伺服系統(tǒng)的性能要求
　　伺服系統(tǒng)必須具備可控性好，穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強等基本性能。說明一下，可控性好是指訊號消失以后，能立即自行停轉(zhuǎn);穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)距的增加而均勻下降;速應(yīng)性強是指反應(yīng)快、靈敏、響態(tài)品質(zhì)好。
1.5 伺服系統(tǒng)的種類
　　通常根據(jù)伺服驅(qū)動機的種類來分類，有電氣式、油壓式或電氣—油壓式三種。
伺服系統(tǒng)若按功能來分，則有計量伺服和功率伺服系統(tǒng);模擬伺服和功率伺服系統(tǒng);位置伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。
　　電氣式伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號可分為DC直流伺服系統(tǒng)和AC交流伺服系統(tǒng)二大類。AC交流伺服系統(tǒng)又有異步電機伺服系統(tǒng)和同步電機伺服系統(tǒng)兩種。
　　這里只討論電氣式伺服系統(tǒng)中的一種—交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)。

2 交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)
　　伺服驅(qū)動系統(tǒng)能夠忠實地跟隨控制命令而動作，例如數(shù)控機床和工業(yè)機人，伺服驅(qū)動技術(shù)對產(chǎn)品的性能有重要影響，甚至起關(guān)鍵作用。故需進一步認(rèn)識伺服驅(qū)動系統(tǒng)在其中的地位和作用。
2.1 AC伺服系統(tǒng)
 電氣伺服技術(shù)應(yīng)用最廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅(qū)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(shù)和計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，它為電氣伺服技術(shù)的發(fā)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(jīng)實用化了。到了70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展，逐步實用化，AC伺服電動機的應(yīng)用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。
在AC伺服系統(tǒng)中，可分為同步和異步型AC伺服系統(tǒng)兩種。
AC伺服系統(tǒng)—→異步型—-→兩相異步機;
→三相異步機(力距電機)。
→同步型→磁阻式(開關(guān)式);
→磁滯式(反應(yīng)式);
→永磁式。
　　永磁轉(zhuǎn)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(xiàn)高性能的緣故，所以永磁同步電機的AC伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。
目前，在交流同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，普通應(yīng)用的交流永磁同步伺服電動機有兩大類。一類稱為無刷直流電動機，它要求將方波電流直入定子繞組。詳見參改文獻;如一類稱為三相永磁同步電動機，它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。詳見參改文獻⑵。前者簡稱為BLDCM電機，后者簡稱PM·SM電機。
2.2 以數(shù)控機床為例看AC永磁同步機伺服系統(tǒng)
圖2表示數(shù)控機床伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成。
　　系統(tǒng)由計算機數(shù)字控制(CNC)、伺服驅(qū)動器(SD)、永磁同步伺服電動機(SM)及位置(速度)傳感器(S)等組成。
CNC用來存儲零件加工程序、進行各種插補運算和軟件實時控制，向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令。
SD和SM接收到CNC的控制命令后，快速平滑調(diào)節(jié)運動速度并精確地進行位置控制。
S代表位置和速度傳感器(或檢測器)
目前AC伺服系統(tǒng)常用的位置和速度檢測器有光電式和電磁式兩種。例如光電編碼器、磁編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器(BR)以及多轉(zhuǎn)式絕對值編碼器。后面二種，可作多種檢測功能應(yīng)用，既可檢測系統(tǒng)位置和轉(zhuǎn)子速度，又可檢測系統(tǒng)位置和轉(zhuǎn)子速度，又可檢測轉(zhuǎn)子磁極位置。它堅固耐用，不怕震動，耐高溫，惟存在信號處理電路復(fù)雜缺點。
無刷直流電動機(BL、DCM)中轉(zhuǎn)子磁極位置檢測方法，一般都做到無接觸式，常用的有電磁式、光電式和間接檢測方式。
(1) 電磁式:a.差動變壓器式;b.接近開關(guān)式;
(2) 磁敏式:霍爾元件集成電路及模快;
(3) 光電式:a.簡單光電式(光敏晶體管);
b.絕對式光電編碼盤;
c.增量式光電編碼盤。
(4) 間接式:利用電樞繞組的感應(yīng)電動勢(電壓)間接檢測轉(zhuǎn)子磁極位置。它用于精度要求不高的場合。
數(shù)控機床用于精密機械加工，所以對伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)精度有很高的要求，并具有寬廣的調(diào)速范圍和定位精度而工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，但伺機服電動機SM作為工業(yè)機器人手臂和腰、腿的驅(qū)動執(zhí)行元件，要求其體積小，重量輕，且能產(chǎn)生大轉(zhuǎn)距。又由于工業(yè)機器人不同的運動姿態(tài)，伺服電機軸上慣量和力矩將發(fā)生很大變化，因此，適應(yīng)性有更高要求。
2.3 交流永磁同步電動機AC伺服系統(tǒng)
　　圖3是交流永磁同步電動機AC伺服系統(tǒng)。它由永磁同步伺服電動機SM1速度和位置傳感器BR、PWM功率逆變器UI以及具有PI功能的速度控制器ASR和電流控制器ACR等部分組成。
AC伺服系統(tǒng)工作原理如下:速度指令和速度反饋信號在ASR速度控制器的輸入端比較，ASR輸出信號為電流指令信號在乘法器中相乘就得到交流電流指令。交流電流指令值與電流反饋信號相比較后，差值送入ACR電流控制器。
　　PWM或SPWM(正弦脈沖寬度調(diào)制)波形生成電路及功率逆變器，輸出三相變壓變頻的交流電給永磁同步電動機SM的定子繞組，并使輸入電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。(SM轉(zhuǎn)子裝有特殊形狀的永磁體，產(chǎn)生恒定磁場，因此提高SM的效率)。
　　交流三相永磁同步電動機伺服系統(tǒng)舉例:
　　無刷直流電動機BLDCM可以用作AC伺服系統(tǒng)，但不是它唯一的應(yīng)用，主要用作大型設(shè)備起動和調(diào)速裝置。同樣PM、SM也不僅僅可以用作AC伺服系統(tǒng)，主要還是用于他控式永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。但是三相SPWM、PM、SM交流伺服系統(tǒng)具有更優(yōu)越的低速伺服性能，因而廣泛用于數(shù)控機慶，工業(yè)機器人等到高性能伺服系統(tǒng)中。
現(xiàn)以某公司的AC 伺服系統(tǒng)產(chǎn)品為例說明。
圖4為SPWM型三相PM、SM矢控制的交流伺服系統(tǒng)原理圖。
圖中，BR-旋轉(zhuǎn)變壓器，F(xiàn)WC-弱磁控制環(huán)節(jié)‘
ASR-速度調(diào)節(jié)器， Π-乘法器，
ACR-電流調(diào)節(jié)器， Σ-加法器，
　　旋轉(zhuǎn)變壓器在該系統(tǒng)中用來檢測磁極位置和轉(zhuǎn)子速度。旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁信號的角頻率要求遠大于PM、SM電動機轉(zhuǎn)子角速度，并且頻率必須非常穩(wěn)定，正弦、余弦勵磁信號相位應(yīng)該嚴(yán)格正交關(guān)系，才能提高檢測精度和可靠性，因此，系統(tǒng)中采用3.795MHZ晶體振蕩器。
　　系統(tǒng)中還有轉(zhuǎn)子磁極位置信號的解調(diào)環(huán)節(jié)及轉(zhuǎn)子速度信號的解調(diào)環(huán)節(jié)。
　　該伺服系統(tǒng)控制將靜止坐標(biāo)系中的直流量工q(轉(zhuǎn)矩電流)工d(去磁電流)變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的二相交流量工α 、工β，然后通過2/3變換為三相電流工A、工B、工C、再利用電流負(fù)反饋構(gòu)成電流閉環(huán)，使PM、SM電動機定子繞組中三相電流與指令保持一致。
　　SPWM、PM、SM交流伺服系統(tǒng)，在定子繞組內(nèi)通入三相正弦電流以便獲得更好的平穩(wěn)性以及優(yōu)越低速的伺服特性。

3 西門子公司同步伺服電動機1Fk6/1FT6系列
(SIEMENS SYNCHRONOUS SERVOMOTORS)
3.1 西門子公司伺服電動機
SIEMENS伺服電動機有同步伺服電動機1FK6/1FT6和異步伺服電動機IPA6/IPL6兩種。這里只討論同步伺服電動機1FK6/1FT6系列。
⑴1FK6伺服電動機是標(biāo)準(zhǔn)伺服電動機，無法蘭聯(lián)接的永磁同步電動機。自然冷卻，防護等級IP64。 功率0.5~5.2KW轉(zhuǎn)矩0.8~16.5NM
⑵1FT6伺服電動機是永磁同步電動機。防護等級IP64
自然冷卻 0.5~15.5KW，0.8~88NM。
強迫通風(fēng) 6.9~34.6kW，17~160NM。
水冷卻11~27.6kW, 17~78NM.
詳見SIEMENS產(chǎn)品樣本資料，DA65.3、1998(P．2/1~2/8)
3.2 1Fk6/1FT6同步伺服電動機特點:
1FK6/1FT6是三相稀土永磁同步電動機。
⑴高靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，大過載能力，可以很快加速。
Mmcx=1.6~3.0Me(額定力矩)。
⑵動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)良。
可以上升時間短,到達預(yù)期位置沒有超調(diào)
⑶具有很精確的位置分辨率
一般情況下, 1FK6用于小功率范圍(≤5.2kW)
1FT6用于較大功率范圍(≤27.6kW)
3.3 西門子永磁同步伺服電動機功率的選擇
根據(jù)轉(zhuǎn)矩來選擇電機功率
轉(zhuǎn)矩均方根值
轉(zhuǎn)速平均值
式中:T—周期,A-起始,E—終結(jié),I—某瞬時,
伺服電機選擇原則:
⑴負(fù)載曲線上所有Mrms必須在電機轉(zhuǎn)矩極限曲線S1的下方;
⑵負(fù)載曲線上所有nmean必須小于電機的額定轉(zhuǎn)速。
3.4 變頻器容量如何與同步電動機匹配？
⑴孌頻器種類可以選用多種型式
①SIEMENS MASTER DRIVES VC—IFX6
②SIEMENS MASTER DRIVES MC—IFK6/IFT6
③SIEMENS SIMO DRIVES —1FT6
⑵變頻器容量選用原則:
對于同步伺服電動機1FK6/1FT6。
同步伺服電動機平均電流計算公式:

式中:kTn—電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)
變頻器容量(額定電流)選用公式:I0≤Ivn
式中:I0—電動機轉(zhuǎn)停車時的電流，
Ivn—變頻器的額定電流。
實際上，SIEMENS公式有表格提供可查到1FK6/IET6什么電機應(yīng)匹配什么變頻器。無需具體計算。
詳見SIEMENS技術(shù)資料DA65.11 1999(p4/4→4/13)

4 三相正弦波永磁同步伺服系統(tǒng)(SPWM、PM、SM)和無刷直流電動機(BLDCM)的比較
　　三相永磁同步電動機(PM、SM)是AC伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要有二大類:
(1) 無刷直流電動機(BLDCM)，用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動機(BLDCM)是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉(zhuǎn)子顛倒一下，并采用永磁轉(zhuǎn)子，就可以省去機械換向器和電刷，由此得名無刷直流電動機。
參見圖5所示BLDCM系統(tǒng)框圖。
參見圖6所示AC伺服電動機控制系統(tǒng)框圖。
上述兩類永磁同步伺服電動機也可從永磁體轉(zhuǎn)子磁場定子相繞組中感應(yīng)電動勢力波形來區(qū)分。BLDCM定子每相感應(yīng)電動勢為梯形波，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應(yīng)電動勢為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。
圖7為PM、SM和BLDCM兩種電動機對比波形。
圖中，Bm—永磁體磁通密度，
Ea—定子每相感應(yīng)電動勢，
Ia—定子每相電流，
Pa,Pb，Pc—定子每相功率，
P—總功率。
綜上所述兩類永磁AC同步伺服電動機的差異歸納如下:表1
比較圖5和圖6，控制原理相似，給定指令信號加到AC伺服系統(tǒng)的輸入端，電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制伺服的運動，直至達到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統(tǒng)構(gòu)成的基本思路是一致的。但PM、SM伺服系統(tǒng)要求定子輸入三相正弦波電流，可以獲得更好的平穩(wěn)性，具有更優(yōu)越的低速伺服性能。因而廣泛用于數(shù)控機床，工業(yè)機器人等高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)中。

5 結(jié)語(AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢)
　　(1) 伺服驅(qū)動技術(shù)由DC伺服系統(tǒng)迅速地向AC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，可以預(yù)見在不久的將來，AC伺服系統(tǒng)將完全取代DC伺服系統(tǒng)。
　　(2) AC伺服系統(tǒng)向兩個方向發(fā)展:
　　一個方向是簡易、低成本AC伺服系統(tǒng)，例如簡易數(shù)控機床，辦公室自動化設(shè)備、家用電器計算機外圍設(shè)備以及對性能要求不高的工業(yè)運動控制，它是一個量大面廣的不可忽視的應(yīng)用領(lǐng)域，勢將迅速發(fā)展和擴大。
另一個方面是更高性能、全數(shù)字化智能化軟件伺服系統(tǒng)，以滿足高精度、數(shù)控機床、機器人特別加工裝備精細進給的需要。它將代表AC伺服系統(tǒng)發(fā)展水平和主導(dǎo)方向，亦將成為AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展主流。