直流伺服電機在數(shù)控進給伺服系統(tǒng)中曾得到廣泛的應(yīng)用，它具有良好的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩特性，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、體積大，而且電機的電刷容易磨損，換向器會產(chǎn)生火花，使直流伺服電機的容量和使用場合受到限制。交流伺服電機沒有電刷和換向器等結(jié)構(gòu)上的缺點；并且隨著新型功率開關(guān)器件、專用集成電路、計算機技術(shù)和控制算法等的發(fā)展，促進了交流驅(qū)動電路的發(fā)展，使得交流伺服驅(qū)動的調(diào)速特性更能適應(yīng)數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的要求。現(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流伺服驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動大有取代直流伺服驅(qū)動之勢。
1.交流伺服電機的結(jié)構(gòu)
交流電機有交流感應(yīng)電機和交流同步電機之分。交流感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)簡單、容量大、價格低，一般用作主運動的驅(qū)動電機。
永磁同步交流伺服電機用作進給運動的驅(qū)動電機，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。電機由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成。定子由沖片疊成，其外形呈多邊形，沒有機座，這樣有利于散熱。在定子齒槽內(nèi)嵌入某一極對數(shù)的三相繞組。轉(zhuǎn)子也由沖片疊成，并在其中裝有永久磁鐵，組成的極對數(shù)與定子的極對數(shù)相同。永久磁鐵有：鋁鎳鈷合金、鐵淦氧合金和釹鐵硼合金即稀土永磁合金等，以稀土永磁合金的性能最好。檢測元件一般都用脈沖編碼器，也可用旋轉(zhuǎn)變壓器加測速發(fā)電機，用以檢測電機的轉(zhuǎn)角位置、位移和旋轉(zhuǎn)速度，以便提供永磁交流同步電機轉(zhuǎn)子的絕對位置信息、位置反饋量和速度反饋量。
圖1 永磁同步交流伺服電機結(jié)構(gòu)示意圖
2.交流伺服電機的變頻調(diào)速
交流電動機的轉(zhuǎn)速n，與交流電源頻率f，電機極對數(shù)p以及轉(zhuǎn)速滑差率s之間的關(guān)系為
(1)
對于異步電機s≠0，對于同步電機則s=0。由式（1）可知，改變電源的頻率f，電機的轉(zhuǎn)速n與f成正比例變化。電機定子繞組的反電勢為
e=4.44fwkwφ
如果略去定子的阻抗壓降，則定子相電壓
u≈e=4.44fwkwφ
上式說明，kw為常數(shù)，若相電壓u不變，則隨著頻率f的升高，氣隙磁通φ將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式
可以看出，φ值減小，電機轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流i2也相應(yīng)減小，勢必導(dǎo)致電機的允許輸出轉(zhuǎn)矩m下降。另外，若相電壓u不變，隨著f的減小，氣隙磁通φ將增加，這會使磁路飽和，激磁電流上升導(dǎo)致鐵耗劇增，功率因數(shù)下降。因此改變頻率f進行調(diào)速時，需要同時改變定子的相電壓u，以維持φ值接近不變，從而使m也接近不變?？梢娊涣魉欧姍C變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是要獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電源。
調(diào)頻調(diào)壓電源有很多種。通常采用交流-直流-交流的變換電路來實現(xiàn)，這種電路的主要組成部分是三相電流逆變器。圖2所示是目前應(yīng)用最廣泛的電壓型功率晶體管（gtr）三相逆變器主回路原理圖。由交流-直流變換的二極管整流電路獲得恒定的直流電壓ud，功率晶體管開關(guān)元件t1、t4，t3、t6，t5、t2組成三相脈寬調(diào)制逆變器，電容c力圖維持逆變器的輸入直流電壓ud為恒值， 因此，這一線路稱為電壓型逆變器。
圖2 (a) 電壓型功率晶體管（gtr）三相逆變器主回路原理圖
圖2 (b) 電壓型功率晶體管三相逆變器主回路波形圖
逆變器開關(guān)元件t1、t2，t3的控制是由三角波1和按調(diào)速控制要求生成的具有一定頻率和電壓幅值的正弦波2，通過波形1和2的比較生成等幅、等距而不等寬的矩形脈沖3，作為控制其通斷的控制信號的。從而在逆變器的輸出端獲得三組與控制波形3相似的矩形脈沖，這種波形在驅(qū)動電機時，其作用等效于三相正弦電壓4。
由上面的討論可知，變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)壓的關(guān)鍵是逆變器控制端獲得要求的控制波形3?？刂撇ㄐ蔚膶崿F(xiàn)方式（即電機調(diào)速的控制方式），現(xiàn)在廣泛采用的方式是矢量變換控制。
圖3是交流伺服調(diào)速系統(tǒng)原理圖的實例，該系統(tǒng)由功率變換器和控制平臺兩部分組成。功率變換器又由整流器和逆變器兩部分構(gòu)成，整流器的作用是將輸入的三相交流電變換成直流電，如圖3左上部所示；逆變器是將直流電按控制信號的要求變換成所需要的三相交流電，現(xiàn)在高性能逆變器常常采用新型的開關(guān)頻率較高的ipm功率模塊，如圖3右上部所示。
圖3 交流伺服調(diào)速系統(tǒng)實例
控制器平臺的硬件上采用dsp+fpga的方案，如圖3的下半部分所示。其中fpga（現(xiàn)場可編程門陣列）器件和dsp（數(shù)字信號處理器）的主要功能是與軟件一起，實現(xiàn)對所有控制任務(wù)的調(diào)度，輸入輸出信號的處理、逆變器控制信號的生成以及其他控制功能等。單片機at89c52實現(xiàn)對顯示數(shù)碼管、鍵盤（用于調(diào)試和參數(shù)設(shè)置）以及串口的管理。限于篇幅，各模塊的詳細作用，這里不再詳細討論了。