五、直流主軸電動(dòng)機(jī)、交流主軸電動(dòng)機(jī)、永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的性能及速度控制方法
1、直流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的調(diào)速性能。其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護(hù);由于換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花而使轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制;直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。采用交流伺服電動(dòng)機(jī)完全克服了直流伺服電動(dòng)機(jī)固有的缺點(diǎn)，并且通過采取措施也可以獲得好的調(diào)速性能。
2、永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的性能，由于其伺服系統(tǒng)的要求，需要用一些特性曲線和數(shù)據(jù)表加以全面描述。其中最重要的是電動(dòng)機(jī)的工作曲線。在數(shù)據(jù)表中給出了有關(guān)電動(dòng)機(jī)性能的一些參數(shù)值，是選購和使用電動(dòng)機(jī)的不可少的參考資料。
3、直流主軸電動(dòng)機(jī)為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以：Te=CTφIa
由于電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個(gè)可控量中 和 是互相獨(dú)立的，所以可以方便地分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。而且這種關(guān)系無論在靜態(tài)還是在動(dòng)態(tài)都成立。這就保證了電動(dòng)機(jī)的良好的靜、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制特性，從而得到優(yōu)良的調(diào)速性能。
直流主軸電動(dòng)機(jī)在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩范圍，在基本速度以上為恒功率范圍。因此采用雙域調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速，由轉(zhuǎn)子繞組控制回路和磁場控制回路兩部分組成。在轉(zhuǎn)子繞組控制回路中，通過改變轉(zhuǎn)子繞組電壓(即外加電壓)調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適于基本速度以下的恒轉(zhuǎn)矩范圍。在磁場控制回路中，通過改變勵(lì)磁電流 (即改變磁通 )調(diào)速，為恒功率調(diào)速，適于基本速度以上的恒功率范圍。
與直流主軸電動(dòng)機(jī)相類似，交流主軸電動(dòng)機(jī)也存在一個(gè)基本速度，在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，在基本速度以上為恒功率區(qū)域。恒功率的速度范圍只有1：3的速度比，當(dāng)速度超過一定值后，功率一速度特性曲線會(huì)向下傾斜。
對于交流主軸電動(dòng)機(jī)、氣隙磁通和轉(zhuǎn)子電流不是獨(dú)立變量，它們都是轉(zhuǎn)差率S的函數(shù)，無法分開進(jìn)行獨(dú)立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比標(biāo)量難控制得多。為了改善交流主軸電動(dòng)機(jī)的控制.性能，常采用矢量控制調(diào)速方法。這種調(diào)速方法將被控變量從矢量轉(zhuǎn)換為標(biāo)量，通過這種轉(zhuǎn)換，將交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來控制其轉(zhuǎn)矩，從而獲得高動(dòng)態(tài)調(diào)速性能。
用于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)多采用改變外加電壓的調(diào)速方法。這是因?yàn)檫@種調(diào)速方法具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性、機(jī)械特性好、經(jīng)濟(jì)性能好等特點(diǎn)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。所謂脈寬調(diào)制調(diào)速，就是利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變轉(zhuǎn)子繞組兩端的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速; nr=ns=60f/P
可見，可以通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率來調(diào)速。該方法可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機(jī)床的要求。為電動(dòng)機(jī)供電的變頻電源采用交一直一交變頻器?？梢圆捎貌煌姆桨竵韺?shí)現(xiàn)永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，常見的有自同步控制變頻調(diào)速，電流控制調(diào)速和矢量控制調(diào)速等。
1、直流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的調(diào)速性能。其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護(hù);由于換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花而使轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制;直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。采用交流伺服電動(dòng)機(jī)完全克服了直流伺服電動(dòng)機(jī)固有的缺點(diǎn)，并且通過采取措施也可以獲得好的調(diào)速性能。
2、永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的性能，由于其伺服系統(tǒng)的要求，需要用一些特性曲線和數(shù)據(jù)表加以全面描述。其中最重要的是電動(dòng)機(jī)的工作曲線。在數(shù)據(jù)表中給出了有關(guān)電動(dòng)機(jī)性能的一些參數(shù)值，是選購和使用電動(dòng)機(jī)的不可少的參考資料。
3、直流主軸電動(dòng)機(jī)為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以：Te=CTφIa
由于電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個(gè)可控量中 和 是互相獨(dú)立的，所以可以方便地分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。而且這種關(guān)系無論在靜態(tài)還是在動(dòng)態(tài)都成立。這就保證了電動(dòng)機(jī)的良好的靜、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制特性，從而得到優(yōu)良的調(diào)速性能。
直流主軸電動(dòng)機(jī)在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩范圍，在基本速度以上為恒功率范圍。因此采用雙域調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速，由轉(zhuǎn)子繞組控制回路和磁場控制回路兩部分組成。在轉(zhuǎn)子繞組控制回路中，通過改變轉(zhuǎn)子繞組電壓(即外加電壓)調(diào)速，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適于基本速度以下的恒轉(zhuǎn)矩范圍。在磁場控制回路中，通過改變勵(lì)磁電流 (即改變磁通 )調(diào)速，為恒功率調(diào)速，適于基本速度以上的恒功率范圍。
與直流主軸電動(dòng)機(jī)相類似，交流主軸電動(dòng)機(jī)也存在一個(gè)基本速度，在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，在基本速度以上為恒功率區(qū)域。恒功率的速度范圍只有1：3的速度比，當(dāng)速度超過一定值后，功率一速度特性曲線會(huì)向下傾斜。
對于交流主軸電動(dòng)機(jī)、氣隙磁通和轉(zhuǎn)子電流不是獨(dú)立變量，它們都是轉(zhuǎn)差率S的函數(shù)，無法分開進(jìn)行獨(dú)立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比標(biāo)量難控制得多。為了改善交流主軸電動(dòng)機(jī)的控制.性能，常采用矢量控制調(diào)速方法。這種調(diào)速方法將被控變量從矢量轉(zhuǎn)換為標(biāo)量，通過這種轉(zhuǎn)換，將交流電動(dòng)機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來控制其轉(zhuǎn)矩，從而獲得高動(dòng)態(tài)調(diào)速性能。
用于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)多采用改變外加電壓的調(diào)速方法。這是因?yàn)檫@種調(diào)速方法具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性、機(jī)械特性好、經(jīng)濟(jì)性能好等特點(diǎn)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。所謂脈寬調(diào)制調(diào)速，就是利用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變轉(zhuǎn)子繞組兩端的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速; nr=ns=60f/P
可見，可以通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率來調(diào)速。該方法可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，能夠較好地滿足數(shù)控機(jī)床的要求。為電動(dòng)機(jī)供電的變頻電源采用交一直一交變頻器?？梢圆捎貌煌姆桨竵韺?shí)現(xiàn)永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，常見的有自同步控制變頻調(diào)速，電流控制調(diào)速和矢量控制調(diào)速等。