《伺服電機(jī)教學(xué)》課件

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1、電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 第 三 十 三 講 ： 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)1.概 述概 念 、 分 類 及 特 點(diǎn) 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 又 稱 執(zhí) 行 電 動(dòng) 機(jī) ，在 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 用 作 執(zhí) 行 元件 ， 把 所 收 到 的 電 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 電動(dòng) 機(jī) 軸 上 的 角 位 移 或 角 速 度 輸 出 。分 為 直 流 和 交 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 兩 大類 ， 交 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 又 分 為 異 步伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 和 同 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 第 三 十 三 講 ： 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)1.概

2、 述概 念 、 分 類 及 特 點(diǎn)無論是伺服還是調(diào)速領(lǐng)域，目前交流系統(tǒng)正在逐漸代替直流系統(tǒng)。與直梳伺服電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)具有高可靠性、散熱好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、能工作于高壓狀態(tài)下等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闊o電刷和換向器，故交流伺服系統(tǒng)也稱為無刷伺服系統(tǒng)，用于其中的電機(jī)是無 刷結(jié)構(gòu)的籠型異步電機(jī)和永磁同步型電機(jī)。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 第 三 十 三 講 ： 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)1.概 述概 念 、 分 類 及 特 點(diǎn) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 概 念 、 分 類 及 特 點(diǎn)特 點(diǎn) ： (1)調(diào) 速 范 圍 寬 ， 改 變 控 制 電 壓 ， 要 求 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)的

3、轉(zhuǎn) 速 在 寬 廣 的 范 圍 內(nèi) 連 續(xù) 調(diào) 節(jié) ； (2)機(jī) 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特性 為 線 性 ， 線 性 的 機(jī) 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性 有 利 于 提 高 控 制系 統(tǒng) 的 精 度 ； (3)無 “ 自 轉(zhuǎn) ” 現(xiàn) 象 ， 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 在 控 制 電壓 消 失 后 ， 應(yīng) 立 即 停 轉(zhuǎn) ； (4)動(dòng) 態(tài) 響 應(yīng) 快 ， 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 的機(jī) 電 時(shí) 間 常 數(shù) 要 小 ， 而 它 的 堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 要 大 ， 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 要小 小 ， 改 變 控 制 電 壓 時(shí) 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 能 快 速 響 應(yīng) 。第 三 十 三 講 ： 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)1.

4、概 述 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)2.直 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 傳 統(tǒng) 型 直 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) ： 結(jié) 構(gòu) 形 式 與 普 通 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 相 同 ，只 是 它 的 容 量 和 體 積 要 小 的 多 。 低 慣 量 直 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)1） 空 心 杯 形 轉(zhuǎn) 子外 磁 場 式 ： 外 定 子 由 永 久 磁 鋼 制 成 或通 常 的 電 磁 式 結(jié) 構(gòu) ， 內(nèi) 定 子 由 軟 磁 材料 制 成 ， 空 心 杯 電 樞 可 以 采 用 印 制 繞組 ， 也 可 采 用 環(huán) 氧 樹 脂 固 化 先 行 繞 制的 成 型 繞 組 。 內(nèi)

5、 磁 場 式 ： 內(nèi) 定 子 采 用 永 久 磁 鋼 ， 外定 子 采 用 軟 磁 材 料 的 結(jié) 構(gòu) 。類 型 及 結(jié) 構(gòu) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 低 慣 量 直 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)2） 盤 式 電 樞 轉(zhuǎn) 子 ： 定 子 由 永 久 磁 鋼 和 前 后 軟 磁 鐵 組 成 ， 磁 鋼 放 置 在 圓 盤的 一 側(cè) ， 并 產(chǎn) 生 軸 向 磁 場 ， 一 般 制 成 6、 8、 10極 電 機(jī) ； 電 樞 繞 組 可 以 是繞 線 式 繞 組 或 印 制 繞 組 。 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)2.直 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)類 型 及 結(jié) 構(gòu) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電

6、 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)2.直 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)控 制 方 法 電 樞 控 制 ： 通 過 改 變 電 樞 電 壓 來 控 制 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 。1） 機(jī) 械 特 性 （ Ua=常 數(shù) 時(shí) ， n=f(Te)）2） 調(diào) 節(jié) 特 性 （ TL=常 數(shù) 時(shí) ， n=f(Ua)） 當(dāng) 電 機(jī) 的 控 制 電 壓 大 于 相 應(yīng) 的 始 動(dòng)電 壓 ， 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 便 能 起 動(dòng) 并 在 一 定 的 轉(zhuǎn) 速 下 運(yùn) 行 。 磁 極 控 制 ： 用 調(diào) 節(jié) 磁 通 來 控 制 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電

7、 動(dòng) 機(jī)結(jié) 構(gòu) 及 特 點(diǎn)交流異步伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī)是指兩相伺服電機(jī)，有籠型轉(zhuǎn)子和杯型轉(zhuǎn)子兩種。 定子鐵心中安放著空間互成90o電角度的兩相繞組，其中一相作為勵(lì)磁繞組，運(yùn)行時(shí)接至電壓為Uf的交流電源上；另一相作為控制繞組，輸入控制電壓Uc，電壓Uc和Uf的頻率相同。 轉(zhuǎn)子通常有兩種型式：高電阻率導(dǎo)條的籠式轉(zhuǎn)子、非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子。 1）高電阻率導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子：結(jié)構(gòu)與普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)類似，但為了減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，做的細(xì)而長。導(dǎo)條及端環(huán)可用高電阻率的導(dǎo)電材料（黃銅、青銅等），也可用鑄鋁轉(zhuǎn)子。國產(chǎn)的SL系列就采用這種結(jié)構(gòu)形式。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 2）非

8、磁性空心杯形轉(zhuǎn)子：定子分外定子鐵心和內(nèi)定子鐵心兩部分，由硅鋼片沖制后疊成。外定子鐵心槽中放置空間相距90電角度的兩相分布繞組。內(nèi)定子鐵心中不放繞組，僅作為磁路的一部分，以減小主磁通磁路的磁阻?？招谋D(zhuǎn)子用非磁性鋁或鋁合金制成，放在內(nèi)、外定子鐵心之間，并固定在轉(zhuǎn)軸上。 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)結(jié) 構(gòu) 及 特 點(diǎn) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)結(jié) 構(gòu) 及 特 點(diǎn)特點(diǎn)：異步伺服電動(dòng)機(jī)與普通異步電動(dòng)機(jī)的重要區(qū)別之一是轉(zhuǎn)子電阻大。其目的是：1）為了增大異步伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍并滿足機(jī)械特性更接近于線性的

9、要求。2）防止出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)結(jié) 構(gòu) 及 特 點(diǎn)2）防止出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象:兩相異步伺服電動(dòng)機(jī)在取消控制電壓（Uc=0）后，便成為單相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，氣隙中只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，0s1,T1T2,合成的Te=T1 - T20，只要TL Tem,電機(jī)轉(zhuǎn)子將一直運(yùn)轉(zhuǎn)，并不會(huì)因?yàn)榭刂齐妷旱南Ф＾D(zhuǎn)，這就是“自轉(zhuǎn)”，在自控系統(tǒng)中是絕不允許出現(xiàn)的。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻足夠大，正序磁場產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率Sm11，電機(jī)的Tem在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)均為負(fù)值，即

10、Te 0，如圖（c），在某一控制電壓下，電機(jī)帶有一定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)控制電壓消失，勵(lì)磁繞組所產(chǎn)生的Tem為一制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn)。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)控 制 方 式1）幅值控制：保持勵(lì)磁電壓的幅值和相位不變，通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而Uc與Uf之間始終保持90度電角度相位差。當(dāng)Uc=0時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)；當(dāng)控制電壓反相時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。交流異步伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組接至電壓值恒定的勵(lì)磁電源，而控制 繞組所加的控制電壓Uc是變化的，一般來說得到的是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，由此產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。若改變控

11、制電壓的大小或改變它相對于勵(lì)磁電壓之間的相位差，就能改變氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度，從而改變電磁轉(zhuǎn)矩。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)控 制 方 式2）相位控制：保持控制電壓的幅值不變，通過調(diào)節(jié)控制電壓的相位，即改變控制電壓相對勵(lì)磁電壓的相位角，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)控 制 方 式3）幅值-相位控制（或稱電容控制）：將勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C后，接到勵(lì)磁電源上，調(diào)節(jié)控制電壓的幅值來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，勵(lì)磁回路中的電

12、流If也發(fā)生變化，使Uf及Uca也隨之改變。也就是說，控制電壓Uc和Uf的大小及它們之間的相位角也 都跟著改變。是一種較常用的控制方式。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)控 制 方 式4）雙相控制：勵(lì)磁繞組與控制繞組間的相位差固定為90度電角度，而勵(lì)磁繞組電壓的幅值隨控制電壓的改變而同樣改變。也就是說，不論控制電壓的大小如何，伺服電機(jī)始終在圓形旋轉(zhuǎn)磁場下工作，獲得的輸出功率和效率最大。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)機(jī) 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性信號(hào)系數(shù)

13、=Uc/Uf=Uc/U 1；從圖中看出，幅值控制時(shí)異步伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一組曲線。只有當(dāng)有效信號(hào)系數(shù)e=1,即圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)，異步伺服電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速才是同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)有效信號(hào)系數(shù)e1，即橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)，電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速將低于同步轉(zhuǎn)速。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)3.交 流 異 步 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)機(jī) 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)伺 服 控 制 技 術(shù) 基 礎(chǔ)伺服控制技術(shù)中常遇到的概念 1）閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制：位置指令表示要求伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)

14、所期望的目標(biāo)值，未知的實(shí)際值由位置傳感器來檢測。如果位置檢測器能直接檢測出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置，并把位置信息反饋到控制部分，控制電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載向目標(biāo)位置移動(dòng)，這樣的閉環(huán)控制在工程上常稱為全閉環(huán)控制；如果位置檢測器安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上，通過檢測電動(dòng)機(jī)軸的角位移，間接地反映出運(yùn)動(dòng)機(jī)械的實(shí)際位置，這種方式構(gòu)成的閉環(huán)控制，通常稱為半閉環(huán)控制。2）控制精度：輸出量跟蹤控制指令的過渡過程結(jié)束后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，在輸出 量與控制指令間所具有的恒定偏差，就是控制精度的量度。3）響應(yīng)特性：系統(tǒng)跟蹤指令的速度，一般稱之為系統(tǒng)的響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)的響應(yīng)很快時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將變差，甚至可能產(chǎn)生震蕩。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電

15、子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 現(xiàn)代的交流伺服電機(jī)多為三相，有交流永磁伺服電機(jī)和交流異步伺服電機(jī)兩種。后者在結(jié)構(gòu)和原理上與一般的異步電動(dòng)機(jī)相似，只是考慮到伺服技術(shù)的特點(diǎn)，要進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，由于相對效率較低，發(fā)熱較高，加上體積較大，故使用場合越來越少。前者由于效率和體積方面的優(yōu)勢，已成為伺服技術(shù)的主流在中小功率的場合，一般采用永磁同步型電機(jī)，在伺服系統(tǒng)中一般稱之為永磁交流伺服電機(jī)。在系統(tǒng)中，按照不同的驅(qū)動(dòng)方式，即根據(jù)電機(jī)繞組中的電流波形，把交流永磁伺服電機(jī)分為永磁方波伺服電機(jī)和永磁正弦波伺服電機(jī)。方波電流驅(qū)動(dòng)的交流伺服電機(jī)實(shí)際上就是無刷 直流電機(jī)，國外一般稱為BLD

16、CM。永磁正弦波伺服電機(jī)一般稱作PMSM。這里主要介紹正弦波電流驅(qū)動(dòng)的交流伺服電機(jī)?，F(xiàn) 代 交 流 伺 服 電 機(jī) 的 分 類 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系交流永磁同步伺服系統(tǒng)主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元、伺服電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如下圖所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)伺 服 系 統(tǒng) 的 控 制 形 式控

17、制方式：從被控制量來說，伺服控制形式主要有：轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、速度伺服和位置伺服。1）轉(zhuǎn)矩控制/電流控制：有些負(fù)載，例如螺栓緊固機(jī)構(gòu)，只需要伺服電機(jī)提供必要的緊固力，并根據(jù)所需緊固力的大小來決定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)矩限制，而對電機(jī)的速度和位置沒有要求。這種情況一般采用轉(zhuǎn)矩控制形式。由于在伺服系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子磁極位置通過位置傳感器測量出來，并以此作為電流控制的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)矢量控制。2）速度伺服：在速度伺服控制中，要求對電機(jī)在各種運(yùn)行狀態(tài)下的速度加以控制，以滿足負(fù)載的工作要求，這是應(yīng)用范圍很廣的倚重控制形式。通常采用比例積分控制。3）位置伺服：從位置伺服控制的定位要求來看，最好是將位置傳感器

18、直接安 裝在要定位的機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，但在實(shí)際應(yīng)用中多采用半閉環(huán)控制方式，通過測量電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角，來間接測量負(fù)載的實(shí)際位移，從而實(shí)現(xiàn)位置伺服控制。目前應(yīng)用較為普遍的位置傳感器有各類編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)伺 服 系 統(tǒng) 的 控 制 形 式模擬控制與數(shù)字控制：確定了控制形式之后，就提出了如何實(shí)現(xiàn)控制要求，從控制信號(hào)的形式來分有模擬控制和數(shù)字控制兩種。1）模擬控制：控制系統(tǒng)的信號(hào)是連續(xù)變化的，控制作用也是連續(xù)發(fā)生并連續(xù)作用到被控對象。優(yōu)點(diǎn)：對控制信號(hào)響應(yīng)很快、系統(tǒng)內(nèi)部和輸出狀態(tài)及變化容易用儀器儀表觀察

19、； 缺點(diǎn)：系統(tǒng)調(diào)整困難一致性較差、容易產(chǎn)生漂移、系統(tǒng)缺乏柔性，缺乏復(fù)雜的計(jì)算能力。2）數(shù)字控制：控制信號(hào)是離散化的，其控制作用是離散進(jìn)行的。有時(shí)在一個(gè)伺服系統(tǒng)中，兼用連續(xù)和離散兩種信號(hào)形式，組成混合式伺服控制。 優(yōu)點(diǎn)：由于用數(shù)字信號(hào)傳送信息，所以不易受溫度影響；容易實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊；具有復(fù)雜的計(jì)算能力，系統(tǒng)具有較高的柔性。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 的 矢 量 控 制伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)與系統(tǒng)中的電機(jī)相對應(yīng)，永磁交流伺服系統(tǒng)可分為永磁方波交流伺服系統(tǒng)和永磁正弦波交流伺服系統(tǒng)。作為伺服電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)要求電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

20、與輸入轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)必須是線性關(guān)系，通過矢量控制可以得到交流永磁電機(jī)的這種線性關(guān)系數(shù)學(xué)模型。1）向量（矢量）控制實(shí)際上是對電動(dòng)機(jī)定子電流向量相位和幅值的控制?？刹捎玫目刂品椒ㄓ卸喾N，其中Id=0的控制最為簡單，且調(diào)速性能好。2）當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就取決于定子電流的空間向量I s,而Is的大小和相位又取決于Id和iq，也就是說控制Id和iq便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于一定的Id和Iq，通過這兩個(gè)電流的控制，使實(shí)際的Id和iq跟蹤指令值Id和Iq ，便實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 交 流 永 磁 伺 服

21、系 統(tǒng) 的 矢 量 控 制伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)3）對于永磁同步電機(jī)來說，它和直流電動(dòng)機(jī)一樣具有兩個(gè)相互獨(dú)立的磁通勢，它們之間的夾角隨負(fù)載的變化而變化。如果能保證定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁通勢總是正交，那么就能夠具有優(yōu)良的控制品質(zhì)。 可以通過向量控制法，通過外加的位置檢測器，將定子電樞電流控制在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的交軸上，即電樞電流僅有q軸電流分量而沒有d軸交流分量，使得電樞電流始終保持超前于磁通勢90度電角度，這就是交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極定向式向量控制方法。4）向量控制的永磁同步電機(jī)的反電勢和相電流頻率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，正弦相電流是由電路強(qiáng)制產(chǎn)生并使得相電流與該相反電勢同相，

22、它是通過檢測轉(zhuǎn)子相對與定子的絕對位置，并由控制系統(tǒng)的電流換來實(shí)現(xiàn)。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 交 流 永 磁 伺 服 電 機(jī) 的 向 量 控 制 原 理 的 實(shí) 現(xiàn) 方 法伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)一般的速度伺服控制系統(tǒng)是由速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，類似直流調(diào)速系統(tǒng)。速度指令和速度反饋信號(hào)經(jīng)比較之后通過速度控制輸出轉(zhuǎn)矩指令Tm，而Tm與電流幅值指令I(lǐng)q成比例， Iq與電流反饋Iq在電流環(huán)里進(jìn)行電流調(diào)節(jié)， Iq是實(shí)際電流IU、 IV 、IW （ IV由IU+ IV+ IW =0得到）反饋后經(jīng)3/2變換得到的交軸分量，再將電流調(diào)節(jié)器的輸出和磁極位置檢測得到

23、的 r送入SPWM調(diào)制部分，得到6路輸出控制脈沖，經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)后送到逆變器，逆變器的輸出電流送到電機(jī)的定子繞組，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)繞組的電流控制。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系交 流 永 磁 伺 服 電 機(jī) 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)系統(tǒng)中的交流永磁伺服電機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)機(jī)組，一般有下列各部分組成：交流永磁伺服電機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和速度傳感器，如系統(tǒng)有位置要求時(shí)還應(yīng)有提供位置環(huán)反饋信息的位置傳感器。為了保 護(hù)電機(jī)，很多伺服電機(jī)的繞組中都埋入溫度傳感器。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 交 流 永 磁 伺 服 電 機(jī)伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁

24、 伺 服 系 統(tǒng)1）交流永磁伺服電機(jī)本體：主要由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，在轉(zhuǎn)子上裝有特殊性能的永磁體（采用稀土永磁材料），用以產(chǎn)生恒定磁場。在電機(jī)定子鐵心上的三相電樞繞組，接在驅(qū)動(dòng)控制器的逆變器的輸出部分。2）傳感器：為了對轉(zhuǎn)子磁極定向，首先必須有轉(zhuǎn)子位置檢測器，以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)矢量控制；為了檢測電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，通常需加裝速度傳感器，它和位置傳感器一起安裝在電機(jī)的非負(fù)載端。實(shí)際上，檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速 度、磁極位置和系統(tǒng)的閉環(huán)的位置這三種信號(hào)可由一個(gè)編碼器或一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器來完成。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)

25、伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊。如右圖所示功率板（驅(qū)動(dòng)板）是強(qiáng)電部分，其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元IPM用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二是開關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源； 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制核心也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應(yīng)的算法輸出PWM信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器伺 服 電 動(dòng)

26、機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)1）功率驅(qū)動(dòng)單元：功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?逆變部分（DC-AC）采用的功率器件集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)，主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用了三相橋式電路原理圖見后圖，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即PWM(Pulse Width Modulation)通過改變功率晶體管交替

27、導(dǎo)通的時(shí)間來改變逆變器輸出波形的頻率,改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比,也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大 小以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)SPWM的調(diào)試原理是使逆變器的輸出脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，改變調(diào)制波的頻率和幅值即可調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)2） 控制單元 ：控制單

28、元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制。所采用的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲(chǔ)器等。伺服驅(qū)動(dòng)器通過采用磁場定向的控制原理( FOC) 和坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)矢量控制(VC) ,同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制模式對電機(jī)進(jìn)行控制 。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般通過檢測或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可

29、以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的 磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡化。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器控制交流永磁伺服電機(jī)( PMSM)伺服驅(qū)動(dòng)器在控制交流永磁伺服電機(jī)時(shí),可分別工作在電流(轉(zhuǎn)矩) 、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 由于交流永磁伺服

30、電機(jī)(PMSM) 采用的是永久磁鐵勵(lì)磁,其磁場可以視為是恒定，同時(shí)交流永磁伺服電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速即其轉(zhuǎn)差為零，這些條件使得交流伺服驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)交流永磁伺服電機(jī)時(shí)的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖中可以看出,系統(tǒng)是基于測量電機(jī)的兩相電流反饋( la、lb) 和電機(jī)位置。將測得的相電流(la 、lb ) 結(jié)合位置信息,經(jīng)坐標(biāo)變化(從a ,b ,c 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d ,q 坐標(biāo)系) ,得到 ld,lq 分量,分別進(jìn)入各自的電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標(biāo)變化(從d ,q 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a ,b ,c 坐標(biāo)系) ,得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令,經(jīng)過反向、延時(shí)后,得

31、到6 路PWM 波輸出到功率器件,控制電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下,指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器,得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中,d ,q 軸的轉(zhuǎn)矩電流分量( l q)是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下,磁通分量為零( ld= 0) ，但是當(dāng)速度大于限定值時(shí),可以通過弱磁( ld 0) ,得到更高的速度值。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 編 碼 器伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)編碼器（encoder）是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者成為碼盤，后者稱碼尺。按照

32、讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式采用電刷輸出，以電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”，通過“”和“”的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電 信號(hào)用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 編 碼 器伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置

33、對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系按 鍵 功 能 1 選 擇 伺 服 模 式 。為 數(shù) 值 的 減 量 (-1)。 選 擇 伺 服 模 式 。為 數(shù) 值 的 增 量 (+1)。切 換 模 式 (MODE)。刪 除 (ESC)。 將 設(shè) 定 位 向 右 側(cè) 移 位 (SHIFT)。確 定 模 式 與 數(shù) 值 (ENT)。確 定 的 時(shí) 候 要 按 住 此 鍵 1秒 以 上 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系模

34、 式 的 選 擇 2順 序 監(jiān) 控 模 式監(jiān) 控 模 式參 數(shù) 編 集 模 式試 運(yùn) 行 模 式 通 電 選 擇 子 模 式 顯 示 實(shí) 例模 式 選 擇 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系參 數(shù) 調(diào) 整 3 ENT(1秒 以 上 )ESC ENT(1秒 以 上 )ESCENT(1秒 以 上 )ESCENT(1秒 以 上 )ESC采 用 參 數(shù) 編 集 模 式 ， 可 以 進(jìn) 行 參 數(shù) 的 編 集 。按 下 MODE鍵 ， 顯 示 ， 按 ENT鍵 (1秒 以上 )， 對 參 數(shù) 編 集 進(jìn) 行 選

35、擇 。選 擇 參 數(shù) 編 集 以 后 ， 再 選 擇 由 鍵 或 鍵 進(jìn) 行 編集 的 參 數(shù) 號(hào) 。按 ENT鍵 可 以 編 集 其 內(nèi) 容 。 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 操 作 實(shí) 例 4 為 順 序 模 式 的 顯 示 實(shí) 例 。返 回 模 式 選 擇 。選 擇 參 數(shù) 模 式 。顯 示 參 數(shù) 號(hào) 。選 擇 參 數(shù) 33號(hào) 。顯 示 33號(hào) 的 設(shè) 定 內(nèi) 容 。 H側(cè) (上 位 3位 )的 最 上位 閃 亮 。 (顯 示 初 始 值 1000.0的 上 位 2位 )(1秒 以 上 ) 顯 示鍵 操 作 備 注閃 亮(1秒 以 上 ) 接 下 頁 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 電 機(jī) 與 拖 動(dòng) 電 氣 與 電 子 系 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法 減 少 數(shù) 值 成 為 0。顯 示 L側(cè) (下 位 4位 )。 移 動(dòng) 到 編 集 的 位 上 。數(shù) 值 設(shè) 為 1。確 定 變 更 后 的 數(shù) 值 。如 進(jìn) 行 確 定 ， 直 接 保 留 其 顯 示 。顯 示鍵 操 作 備 注閃 亮(1秒 以 上 ) 閃 亮閃 亮閃 亮 操 作 實(shí) 例 4 伺 服 電 動(dòng) 機(jī)4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)