前言

第1章 伺服系统概述

1.1 伺服系统的基本概念

1.1.1 伺服系统的定义

1.1.2 伺服系统的组成

1.1.3 伺服系统性能的基本要求

1.1.4 伺服系统的种类

1.2 伺服系统的发展过程

l.3 交流伺服系统的构成

1.3.1 交流伺服电机

1.3.2 功率变换器

1.3.3 传感器

1.3.4 控制器

1.4 交流伺服系统的分类

1.4.1 按伺服系统控制信号的处理方法分类

1.4.2 按伺服系统的控制方式分类

1.5 交流伺服系统的常用性能指标

1.6 伺服系统的发展趋势

第2章 感应电机伺服控制系统

2.1 感应电机伺服控制系统的构成

2.2 感应电机的数学模型与坐标变换

2.2.1 矢量控制的基本思路

2.2.2 在三相静止坐标系下感应电机的数学模型

2.2.3 坐标变换

2.3 感应电机的矢量控制

2.3.1 转子磁场定向M-T坐标系中的基本方程

2.3.2 转差频率控制

2.3.3 解耦控制

2.3.4 磁通与电流控制

2.3.5 坐标变换的实现

2.3.6 弱磁控制

2.3.7 M-T坐标系下感应电机矢量控制伺服系统的构成

2.4 伺服控制感应电机的等效直流电机常数

2.4.1 伺服控制感应电机的等效电路

2.4.2 伺服控制感应电机的等效直流电机常数

2.4.3 伺服控制感应电机的特性框图与时间常数

2.5 关于感应电机的直接转矩控制

第3章 永磁同步电机伺服控制系统

3.1 咏磁同步电机伺服控制系统的构成

3.2 永磁同步电机的结构与工作原理

3.3 永磁同步电机的数学模型

3.3.1 永磁同步电机的基本方程

3.3.2 永磁同步电机的d、q轴数学模型

3.4 tqE弦波永磁同步电机的矢量控制方法

3.4.1 i=0控制

3.4.2 最大转矩控制

3.4 ，3弱磁控制

3.4.4 cos=1控制

3.4.5 最大效率控制

3.4.6 永磁同步电机的参数与输出范围

3.5 交流伺服电机的矢量控制系统

3.5.1 状态方程与控制框图

3.5.2 解耦控制与坐标变换的实现

3.5.3 电流控制器的分析与设计

3.5.4 速度控制器的设计

3.5.5 位置控制器的设计

3.5.6 d-q坐标系下永磁同步伺服电机矢量控制系统的构成

3.6 永磁同步伺服电机的设计要点

3.6.1 电机主要尺寸的确定

3.6.2 电动势的正弦化设计

3.6.3 定位转矩的抑制技术

第4章 交流伺服系统的功率变换电路

4.1 交流伺服系统功率变换主电路的构成

4.2 功率开关器件

4.2.1 功率晶体管(GTR)

4.2.2 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)

4.2.3 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

4.3 功率变换主电路的设计

4.3.1 逆变电路的设计

4.3.2 缓冲电路的设计

4.3.3 整流电路的设计

4.3.4 滤波电路的设计

4.3.5 制动电路的设计

4.4 PWM控制技术

4.4.1 正弦波脉宽调制(s;PWM)控制技术

4.4.2 t电流跟踪型PWM控制技术

4.4.3 电压空间矢量PWM控制技术

第5章 交流伺服系统常用的传感器

5.1 位置传感器

5.1.1 旋转变压器

5.1.2 感应同步器

5.1.3 旋转变压器、数字转换器

5.1.4 光电编码器

5.1.5 磁性编码器

5.1.6 几种传感器的对比

5.2 速度传感器

5.2.1 测速发电机

5.2.2 数字转速传感器

5.3 电流传感器

5.3.1 霍尔电流传感器

5.3.2 电流检测IC

5.3.3 电阻+绝缘放大器

5.4 电压传感器

5.5 温度传感器

第6章 交流伺服系统常用的控制策略

6.1 基于滞回单元的有限时间整定控制

6.1.1 基于滞回单元的有限时间整定控制的原理

6.1.2 滞回(HYS)单元

6.2 非线性规范模型跟踪控制

6.2.1 非线性规范模型跟踪控制的原理

6.2.2 鲁棒补偿器的设计

6.3 2自由度控制

6.3.1 2自由度控制系统的定义

6.3.2 2自由度控制系统的结构形式

6.3.3 2自由度控制系统的设计

6.3.4 2自由度PID控制

6.4 H控制

6.4.1 交流伺服系统的灵敏度函数和补灵敏度函数

6.4.2 H混合灵敏度问题

6.4.3 加权函数的选择及H鲁棒控制器的设计

6.5 自适应控制

6.5.1 自校正控制系统(STCS)

6.5.2 模型参考自适应控制系统(MRACS)

6.6 滑模变结构控制

6.6.1 滑模变结构控制原理

6.6.2 滑模变结构控制的基本设计方法

6.7 智能控制

6.7.1 专家系统及专家控制

6.7.2 模糊控制

6.7.3 神经网络控制

6.7.4 学习控制

6.7.5 预测控制

6.8 交流伺服电机的高性能控制--机械谐振系统的振动控制

6.8.1 控制对象及问题的提出

6.8.2 谐振的各种控制方法

第7章 直接驱动交流伺服系统

7.1 概述

7.2 直接驱动伺服系统

7.2.1 直接驱动伺服系统的特点

7.2.2 直接驱动伺服电机应具备的特性

7.2.3 直接驱动伺服电机的结构及安装形式

7.2.4 直接驱动伺服电机的分类

7.3 直接驱动交流伺服电机的研究与发展

7.3.1 电磁型直接驱动交流伺服电机

7.3.2 动电型直接驱动交流伺服电机

7.4 关于直接驱动伺服电动机的控制策略

7.5 直接驱动伺服电机的发展方向分析

第8章 直线交流伺服系统

8.1 概述

8.2 直线电动机的工作原理

8.3 直线电动机的分类

8.3.1 按结构型式分类

8.3.2 按功能用途分类

8.3.3 按工作原理分类

8.4 直线感应电机技术

8.4.1 直线感应电动机的基本结构

8.4.2 直线感应电动机的基本工作原理

8.4.3 直线感应电机的基本特性

8.4.4 直线感应电机的矢量控制

8.5 直线永磁同步电机

8.5.1 直线永磁同步电机的基本结构

8.5.2 直线永磁同步电机的基本工作原理

8.5.3 直线永磁同步电机的分类

8.5.4 直线永磁同步电机的轴数学模型

8.6 高频响、短行程直线伺服电机

8.6.1 直流型高频响、短行程直线伺服电机

8.6.2 磁阻型高频响、短行程直线伺服电机

8.7 直线步进电动机

8.7.1 直线步进电动机的工作原理

8.7.2 直线步进电动机的结构分析

8.8 关于直线交流伺服电机的控制策略

8.8.1 传统的控制策略

8.8.2 现代控制策略

8.8.3 智能控制策略

8.9 高速机床直线电机进给伺服系统

8.9.1 直线电机直接驱动的优点

8.9.2 直线电机直接驱动存在的关键技术问题

8.9.3 直线交流伺服电机系统的主要指标及参数

8.9.4 直线电机伺服系统的发展趋势

附录

附录A 直流伺服电机的主要用语与定义

附录B 永磁同步伺服电机参数的等效直流电机换算

参考文献

自20世纪80年代以来，随着现代电机技术、材料技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术、控制技术以及计算机技术等支撑技术的快速发展，伺服控制技术取得了巨大的进步。尤其是矢量控制技术的发展，使得交流电机高动态响应的转矩控制得以实现，极大地提高了交流伺服系统的性能，从而使得交流伺服系统的电机控制复杂、控制特性差等问题的解决取得了突破性的进展。交流伺服系统在各种应用领域充分展现了高精度、高动态性能、高可靠性、高效率、体积小、重量轻等突出的优势。

《交流伺服电机及其控制》全面、系统、深入地阐述了交流伺服系统的工作原理、组成及设计方法。《交流伺服电机及其控制》第1章介绍了伺服系统的概念、发展过程以及交流伺服系统的构成、分类、性能指标、发展趋势;第2章介绍了感应电机伺服控制系统;第3章介绍了永磁同步电机伺服控制系统;第4章介绍了交流伺服控制系统功率变换电路;第5章介绍了伺服系统常用传感器的工作原理;第6章介绍了交流伺服系统常用的控制策略;第7章介绍了直接驱动交流伺服系统;第8章介绍了直线交流伺服系统。

可供高等院校电气工程及其自动化专业本科生、研究生作为教材或参考书使用，也可供科研院所、厂矿企业从事自动化技术的科技工作者参考使用。

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°;德国百格拉公司(BERGER LAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角(如果采用步进电机细分驱动器，还可以将其细分至更小，比如1.8度/512细分=0.003515625度)。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

低频不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能(FFT)，可检测出机械的共振点，便于系统调整。

矩频不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300~600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

过载不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

运行不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

响应不同

步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200~400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

总结

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。