自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應(yīng)用器件上也日新月異。模塊化、數(shù)字化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新?lián)Q代的產(chǎn)品面市。傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī)特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進(jìn)電機(jī)一般為開環(huán)控制而無法準(zhǔn)確定位，電動(dòng)機(jī)本身還有速度諧振區(qū)，pwm調(diào)速系統(tǒng)對位置跟蹤性能較差，變頻調(diào)速較簡單但精度有時(shí)不夠，直流電機(jī)伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應(yīng)用于位置隨動(dòng)系統(tǒng)中，但其也有缺點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時(shí)死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會(huì)帶來噪聲和維護(hù)保養(yǎng)問題。目前，新型的永磁交流伺服電機(jī)發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調(diào)速范圍寬，尤其是低速性能優(yōu)越。    

    交直流伺服電機(jī)系統(tǒng)

    下面從功率驅(qū)動(dòng)、性能、保護(hù)電路等方面，敘述其和直流伺服電機(jī)系統(tǒng)的不同特點(diǎn)。

    功率驅(qū)動(dòng)

    對于在雷達(dá)上經(jīng)常使用的直流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率放大部分，當(dāng)天線重量輕，轉(zhuǎn)速慢，驅(qū)動(dòng)功率較小時(shí)，一般為幾十瓦，可以直接用直流電源控制電動(dòng)機(jī)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率要求在近千瓦或千瓦以上時(shí)，選擇驅(qū)動(dòng)方案，也即放大直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流，就是設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的重要部分。大功率直流電源目前采用較多的有:晶體管功放、晶閘管功放和電機(jī)放大機(jī)等等。對于千瓦級(jí)的晶體管功放使用的較少?？煽毓杓夹g(shù)在上世紀(jì)60～70年代初得到快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，但因當(dāng)時(shí)的各方面原因，如可靠性等，不少產(chǎn)品放棄了可控硅控制。目前的集成驅(qū)動(dòng)模塊一般都為晶體管或晶閘管制造。電機(jī)放大機(jī)是傳統(tǒng)的直流伺服電機(jī)的功放裝置，因其控制簡單，結(jié)實(shí)耐用，目前的新型號(hào)的雷達(dá)產(chǎn)品上仍有采用。下面主要以放大電機(jī)為例，和交流伺服電機(jī)比較其優(yōu)缺點(diǎn)。

    放大電機(jī)常稱為擴(kuò)大機(jī)，一般是用交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)串聯(lián)的兩級(jí)直流發(fā)電機(jī)組，以此來實(shí)現(xiàn)直流控制。兩組控制繞組，每組的輸入阻抗為幾千歐，若串接使用輸入阻抗約10千歐，一般為互補(bǔ)平衡對稱輸入，當(dāng)系統(tǒng)輸入不為零時(shí)打破其平衡，使放大電機(jī)有輸出信號(hào)。當(dāng)輸入電流為十幾到幾十毫安時(shí)其輸出可達(dá)100v以上的直流電壓和幾安到幾十安的電流，直接接到直流伺服電機(jī)的電樞繞組上。其主要缺點(diǎn)是體積重量大，非線性度，尤其在零點(diǎn)附近不是很好，這對于要求高的系統(tǒng)需要仔細(xì)處理。

    而交流伺服電機(jī)都配有專門的驅(qū)動(dòng)器，它在體積和重量上遠(yuǎn)小于同功率的放大電機(jī)，它靠內(nèi)部的晶體管或晶閘管組成的開關(guān)電路，根據(jù)伺服電機(jī)內(nèi)的光電編碼器或霍爾器件判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)時(shí)的位置，決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的a、b、c三相應(yīng)輸出的狀態(tài)，因此它的效率和平穩(wěn)性都很好。所以不像控制放大電機(jī)需要做專門的功放電路。這種電機(jī)一般都為永磁式的，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的a、b、c三相變化的電流控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此稱為交流伺服電機(jī);驅(qū)動(dòng)器輸入的控制信號(hào)可以是脈沖串，也可以是直流電壓信號(hào)(一般為±10v)，所以也有將其稱為直流無刷電動(dòng)機(jī)。

    兩種電機(jī)的簡單試驗(yàn)比較

    對兩種電機(jī)作過簡單的試驗(yàn)比較:只要將系統(tǒng)原先的直流誤差信號(hào)直接接入交流伺服驅(qū)動(dòng)器的模擬控制輸入端，用交流伺服電機(jī)和它的驅(qū)動(dòng)器代替原先的差分功放、電機(jī)放大機(jī)和直流伺服電機(jī)，而控制部分和測角元件等均不變，簡單比較兩種方案的輸出特性。

   原先的直流伺服電機(jī)，額定電壓為100v，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，空載啟動(dòng)電壓為2v，空載時(shí)，當(dāng)其輸入電壓為1v電機(jī)不轉(zhuǎn)，輸入電壓為2~2.5v時(shí)，眼睛可觀察到電機(jī)轉(zhuǎn)速不勻，這是因?yàn)樘妓ⅰ⒂头獾纫约傲亟且鸬牟豢杀苊獾默F(xiàn)象。而交流伺服電機(jī)因?yàn)闊o碳刷使其摩擦力小，還因?yàn)榛魻柶骷拇嬖诙蛊潆姶帕κ冀K垂直于旋轉(zhuǎn)半徑(這既是所謂的正弦控制)，從而其低速性能明顯優(yōu)于前者。當(dāng)時(shí)將其轉(zhuǎn)速放在很低，用肉眼很難分辨電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，只能通過它自己的軟件界面觀察指示的電樞位置在轉(zhuǎn)動(dòng)，也觀察不到爬行現(xiàn)象發(fā)生，用手也感覺不到有特性軟的現(xiàn)象，原先直流系統(tǒng)低速要求為0.1°/s，若用交流電機(jī)估計(jì)低速至少可到0.01°/s。采用交流伺服系統(tǒng)，是對低速性能要求高的系統(tǒng)最為簡單可行的方法。

    交流伺服電機(jī)的輸出特性畫法也和直流伺服電機(jī)完全不同，它不是負(fù)斜率的一組直線，而是幾乎畫成矩形。這也說明了輸出特性硬，速度范圍寬。

    安全保護(hù)

    較大天線伺服系統(tǒng)的保護(hù)應(yīng)是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，因?yàn)橐坏┦Э?，可能引起重大的設(shè)備損壞或人身事故。國外有些雷達(dá)在這方面有十種左右的保護(hù)措施，如某些系統(tǒng)的門打開后將使伺服電機(jī)不能啟動(dòng)等。

    過流過載保護(hù)電路的敏感元件最好設(shè)計(jì)在靠近電機(jī)的直接控制部分，但這里的電流很大，使設(shè)計(jì)有一定的困難。常用的熔斷器、熱繼電器等器件，往往因其升溫到動(dòng)作完成須有一定的時(shí)間，使其對瞬間就損壞設(shè)備的故障不能起到保護(hù)作用。例如曾經(jīng)因某型號(hào)雷達(dá)跟隨器的運(yùn)放失效而使電容充電時(shí)間加長，平常還不容易發(fā)現(xiàn)此類故障，從而使測角元件雙通道電感移相器的粗精糾錯(cuò)部分出錯(cuò)，因此輸出的天線角度值疊加了一個(gè)粗大誤差，(粗精比為1:32，粗大誤差為11°15′)并反復(fù)出現(xiàn)，稱之為“跳大點(diǎn)”。因系統(tǒng)的開環(huán)增益在兩千倍以上，當(dāng)隨動(dòng)系統(tǒng)判斷到這個(gè)大失調(diào)角時(shí)，以最大的加速度達(dá)到最大的速度，去追趕這個(gè)失調(diào)角，從而使電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)突然判斷反轉(zhuǎn)，這不但很容易引起永磁電機(jī)退磁使性能降低，當(dāng)時(shí)還使減速機(jī)徹底損壞，但是這時(shí)熔斷器、熱繼電器等無一動(dòng)作?，F(xiàn)在采用數(shù)字計(jì)算機(jī)可以較容易的判斷這類現(xiàn)象，但因干擾、通訊等原因，不能將此類寶完全押在計(jì)算機(jī)上。而交流伺服電機(jī)，數(shù)據(jù)處理芯片安裝在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器的i/o口都經(jīng)過光耦隔離，因此可靠性好;并有許多現(xiàn)成可用的功能方便使用，如力矩電流限制，速度限制，加速度限制等等。

    直流電機(jī)的額定過載線，如果不外接專門的限制斷路器件，則額定線僅僅是在圖上畫出的，傳遞函數(shù)中并無此飽和線，頂多也就是超過此線后線性度可能有所降低。而交流電機(jī)的額定過載線卻是實(shí)實(shí)在在的存在，一旦超過此線則系統(tǒng)立即停止。因此，一來可靠的保護(hù)了系統(tǒng)不會(huì)損壞，二來設(shè)計(jì)時(shí)要注意這個(gè)區(qū)別，尤其是不能隨便停機(jī)的系統(tǒng)，電機(jī)的功率要有足夠的余量。

    控制方法

    采用交流伺服電機(jī)，可以使控制部分的設(shè)計(jì)簡單，也可以容易的代替原先系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分。系統(tǒng)構(gòu)成典型的方法是:

    上位機(jī)如pc機(jī)、plc、嵌入機(jī)等;隨動(dòng)系統(tǒng)中主要用于調(diào)試系統(tǒng)，以及完成系統(tǒng)通訊，信號(hào)采集等其他任務(wù)，控制任務(wù)可以放在上位機(jī)內(nèi)，也可放在控制器中;

    多軸控制器，一般可控制2至8個(gè)軸，可構(gòu)成方位、俯仰、橫滾等軸的控制，對于單軸控制，常使用帶控制器的驅(qū)動(dòng)器，可省去這一項(xiàng);驅(qū)動(dòng)器，多為專用的，和電機(jī)配套出售;

    電動(dòng)機(jī)。

    總之，采用這種方案，可以省去許多硬件電路和軟件計(jì)算編程工作，實(shí)現(xiàn)模塊化，提高了可靠性和可維修性。

    各種型號(hào)的控制器都有各自的語言，也可以用visualbasic等熟悉的環(huán)境來編制用戶程序。設(shè)計(jì)有各種各樣的軟件模塊以方便使用。如控制模式:pid調(diào)節(jié)、直線及圓弧插補(bǔ)、電子齒輪、比例轉(zhuǎn)換、前饋控制、再生電阻等等，魯棒性能好。它們多數(shù)是為像生產(chǎn)線或數(shù)控機(jī)床這樣的程序控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。對于位置跟蹤的隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然許多功能用不上，但也可以模擬輸入功能或力矩控制模式，方便的將驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)插入原有的伺服系統(tǒng)，代替直流伺服電機(jī)，也可以直接用數(shù)字信號(hào)，采用點(diǎn)動(dòng)模式工作。這種電機(jī)系統(tǒng)一般都帶有幾個(gè)濾波器，包括相位滯后補(bǔ)償濾波器、速度反饋濾波器和陷波濾波器，用于伺服調(diào)節(jié)時(shí)使用。有些型號(hào)電機(jī)的濾波器需要可選的硬件支持。

來源：互聯(lián)網(wǎng)