二十世紀(jì)后期，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于伺服控制越來(lái)越普遍。與直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，交流伺服電動(dòng)機(jī)不需要電刷和換向器，因而維護(hù)方便和對(duì)環(huán)境無(wú)要求；此外，交流電動(dòng)機(jī)還具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、體積和重量較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)；尤其是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，使它得到了更廣泛的應(yīng)用。交流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線(xiàn)性度不及直流伺服電動(dòng)機(jī)好；其效率也比直流伺服電動(dòng)機(jī)低。因此，在伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除某些操作特別頻繁或交流伺服電動(dòng)機(jī)在發(fā)熱和起、制動(dòng)特性不能滿(mǎn)足要求時(shí)，選擇直流伺服電動(dòng)機(jī)外，一般盡量考慮選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)。
用于伺服控制的交流電動(dòng)機(jī)主要有同步型交流電動(dòng)機(jī)和異步型交流電動(dòng)機(jī)。采用同步型交流電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)，多用于機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)控制、工業(yè)機(jī)帶入關(guān)節(jié)傳動(dòng)和其它需要運(yùn)動(dòng)和位置控制的場(chǎng)合。異步型交流電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)，多用于機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和其它調(diào)速系統(tǒng)。
伺服電動(dòng)機(jī)工作原理：
交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似.其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組，它始終接在交流電壓上；另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。UfRf 交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線(xiàn)性的機(jī)械特性，無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子.空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。
交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。
1、異步型交流電動(dòng)機(jī)
三相異步電動(dòng)機(jī)定子中的三個(gè)繞組在空間方位上也互差120度，三相交流電源的相與相之間的電壓在相位上也是相差120度的，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為：
式中：f1——定子供電頻率
P——定子線(xiàn)圈的磁極對(duì)數(shù)
n1——定子轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速
定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條（鼠籠條）將切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流又與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)。一般情況下，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1。如果假設(shè)n= n1，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)切割磁力線(xiàn)，也就不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必然小于n。為此我們稱(chēng)三相電動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)。
旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。假設(shè)三相繞組A、B、C中的電流相序按順時(shí)針流動(dòng)，則磁場(chǎng)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，若把三根電源線(xiàn)中的任意兩根對(duì)調(diào)，則磁場(chǎng)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。利用這一特性我們可很方便地改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
綜上所述，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為

式中 n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； s——轉(zhuǎn)差率。 根據(jù)此式我們知道，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和供電電源的頻率有關(guān)。我們把改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率f1實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法稱(chēng)為變頻調(diào)速；而改變磁極對(duì)數(shù)P進(jìn)行調(diào)速的方法叫變極調(diào)速。變頻調(diào)速一般是無(wú)級(jí)調(diào)速，變極調(diào)速是有級(jí)調(diào)速。當(dāng)然，改變轉(zhuǎn)差
率S也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但該辦法會(huì)降低交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，一般不使用。 2、同步型交流電動(dòng)機(jī)
同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度是一樣的，所以稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)相同，它的轉(zhuǎn)子做成顯極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場(chǎng)線(xiàn)圈是相互串聯(lián)的，接成具有交替相反的極性，并有兩根引線(xiàn)連接到裝在軸上的兩只滑環(huán)上面。磁場(chǎng)線(xiàn)圈是由一只小型直流發(fā)電機(jī)或蓄電池來(lái)激勵(lì)，在大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)中，直流發(fā)電機(jī)是裝在電動(dòng)機(jī)軸上的，用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線(xiàn)圈的勵(lì)磁電流。
由于這種同步電動(dòng)機(jī)不能自動(dòng)啟動(dòng)，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周?chē)?，結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)相似。
當(dāng)在定子繞組通上三相交流電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，鼠籠繞組切割磁力線(xiàn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)線(xiàn)圈經(jīng)由直流電來(lái)激勵(lì)，使轉(zhuǎn)子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極，這樣就增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)為止。
同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速與電源的供電頻率有嚴(yán)格不變的關(guān)系，它恒等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩者的轉(zhuǎn)速保持同步，并由此而得名。同步交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速用下式表達(dá)：
式中：f1——定子供電頻率 P——定子線(xiàn)圈的磁極對(duì)數(shù) n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
3、交流伺服電機(jī)的性能
對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)的每極磁通保持額定值不變。若磁通太弱，則鐵心利用不夠充分，在同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降。若磁通太強(qiáng)，又會(huì)使鐵心飽和，使勵(lì)磁電流過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)合成產(chǎn)生的，下面說(shuō)明怎樣才能使磁通保持恒定。
由電機(jī)理論知道，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值E1為
式中
——每極氣隙磁通； N1——定子相繞組有效匝數(shù)。
由上式可見(jiàn)，的值是由E1和f1共同決定的，對(duì)E1和f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐ū３诸~定值不變。下面分兩種情況說(shuō)明：
（1）基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速
這是考慮從基頻（電動(dòng)機(jī)額定頻率f ）向下調(diào)速的情況。為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙磁通不變。這就要求降低供電頻率的同時(shí)降低感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，保持E1/f1＝常數(shù)，即保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制又稱(chēng)為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。
由于，E1難于直接檢測(cè)及直接控制，當(dāng)E1和f1的值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小，如忽略不計(jì)，則可近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，即認(rèn)為U1=E1，保持U1/f1＝常數(shù)即可。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。 當(dāng)頻率較低時(shí)，U1和E1都變小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能忽略。在這種情況下，可以適當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。如圖6-23所示，其中曲線(xiàn)a為U1/E1＝常數(shù)時(shí)的電壓——頻率關(guān)系。曲線(xiàn)b為有電壓補(bǔ)償時(shí)近似的（E1/f1＝常數(shù)）電壓——頻率關(guān)系。
（2）基頻以上的弱磁通變頻調(diào)速
這是考慮由基頻開(kāi)始向上調(diào)速的情況。頻率由額定值f向上增大，但電壓U受額定電壓U1n的限制不能再升高，只能保持U1=U1n不變。必然會(huì)使磁通隨著f1的上升而減小，這屬于近似的恒功率調(diào)速方式，上述兩種情況綜合起來(lái)。
由上述分析可知，變頻調(diào)速時(shí)，一般需要同時(shí)改變電壓和頻率，以保持磁通基本恒定。因此，變頻調(diào)速器又稱(chēng)為VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置。
4、交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制方案
根據(jù)生產(chǎn)的要求、變頻器的特點(diǎn)和電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)，會(huì)出現(xiàn)多種多樣的變頻調(diào)速控制方案。這里只討論交-直-交(Ac-Dc-Ac)變頻器。
（１）開(kāi)環(huán)控制
VVVF-通用變頻器 IM-異步電動(dòng)機(jī)
該控制方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。但是，由于是開(kāi)環(huán)控制方式，其調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。尤其是在低速區(qū)域電壓調(diào)整比較困難，不可能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。異步電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動(dòng)，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以達(dá)到0.5%的精度，所以采用這種V/F控制的通用變頻器異步機(jī)開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速適用于一般要求不高的場(chǎng)合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械。
圖6-26 矢量控制變頻器的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速
VVVF -矢量變頻器
（2）無(wú)速度傳感器的矢量控制
無(wú)速度傳感器的矢量控制變頻器異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-26所示。對(duì)比圖6-25圖，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。由于使用無(wú)速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)、控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了矢量控制。雖說(shuō)它是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，但是大大提升了靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于0.5%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。
如果生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用矢量變頻器無(wú)傳感器開(kāi)環(huán)異步電機(jī)變頻調(diào)速是非常合適的，可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高的實(shí)效。
（3）帶速度傳感器矢量控制
帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-27所示。 圖6-27 異步電機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速
PG-速度脈沖發(fā)生器
矢量控制異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速是一種理想的控制方式。它具可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，即甚低速亦能運(yùn)行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達(dá)100:1或1000:1；可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度甚快；電動(dòng)機(jī)的加速度特性很好等優(yōu)點(diǎn)。
然而，帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速技術(shù)性能雖好，但是畢竟它需要在異步電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器，嚴(yán)格地講，已經(jīng)降低了異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高的特點(diǎn)。況且，在某些情況下，由于電動(dòng)機(jī)本身或環(huán)境的因素?zé)o法安裝速度傳感器。再則，多了反饋電路和環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機(jī)率。
因此，如若非采用不可的情況下，對(duì)于調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)速精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求不是特別高的條件場(chǎng)合，往往采用無(wú)速度傳感器矢量變頻器開(kāi)環(huán)控制異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。 （ 4）永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制
永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制框圖如圖6-28所示。
圖6-28 永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控頻調(diào)速
SM-同步電動(dòng)機(jī) （PM. SM）-制變永磁式
假如將圖6-25中異步電動(dòng)機(jī)（IM）換成永磁同步電動(dòng)機(jī)（PM、SM），就是第四種變頻調(diào)速控制方案。它具有控制電路簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)。由于是同步電動(dòng)機(jī)，它轉(zhuǎn)速始終等于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速只取決于電動(dòng)機(jī)供電頻率f1，而與負(fù)載大小無(wú)關(guān)（除非負(fù)載力矩大于或等于失步轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)會(huì)失步，轉(zhuǎn)速迅速停止），其機(jī)械特性曲線(xiàn)為一根平行橫軸直線(xiàn)，絕對(duì)硬特性。
如果采用高精度的變頻器（數(shù)字設(shè)定頻率精度可達(dá)0.01%），在開(kāi)環(huán)控制情形下，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速精度亦為0.01%。因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速精度
與變頻器頻率精度相一致（在開(kāi)環(huán)控制方式時(shí)），所以特別適合多電機(jī)同步傳動(dòng)。 至于同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)問(wèn)題，若采用通用變頻器V/F控制，響應(yīng)速度較慢；若采用矢量控制變頻器，響應(yīng)速度很快。