永磁交流伺服電機(jī)原理

1、資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請聯(lián)系改正或者刪除永磁交流伺服電機(jī)原理近年來由于無刷式伺服(馬達(dá))電機(jī)(brushlessservomotor)制造與控制技術(shù)的急速發(fā)展，再加上大規(guī)模集成電路與半導(dǎo)體功率組件的進(jìn)步，使其商品化產(chǎn)品日益增多，在高性能伺服應(yīng)用場合如計算機(jī)控制數(shù)值工具機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等，均已逐漸取代了傳統(tǒng)式的有電刷的直流伺服電機(jī)(dcservomotor).無刷式伺服電動機(jī)主要可分為兩大類(表1)(1)無刷式直流伺服電機(jī)(加115111055(10501*丫011101：01'),一般亦稱的為永磁式同步電機(jī)(PMsynchronousmotor)或永磁式交流伺服電機(jī)(PM

2、acservomotor),(2)感應(yīng)式交流伺服電機(jī)(inductionacservomotor)。無刷式直流伺服電機(jī)采用內(nèi)裝式的霍爾效應(yīng)(Halleffect)傳感器組件來檢測轉(zhuǎn)子的絕對位置以決定功率組件的觸發(fā)時序，其效用有如將直流伺服電機(jī)的機(jī)械式電刷換相(mechanicalcommutation)改為電子式換相(electroniccommutation),因而去除了直流伺服電動機(jī)因電刷所帶來的限制。目前一般永磁式交流伺服電機(jī)的回接組件多采用解角器(resolver)或光電解編碼馬器(photoencoder)，前者可量測轉(zhuǎn)子絕對位置,后者則祇能測得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相對位置，電子換相則設(shè)計于驅(qū)

3、動器內(nèi)。有刷式-永磁式直流伺服電機(jī)伺服電機(jī)一._永磁式交流伺服電機(jī)上引#(無刷式直流伺服電機(jī)永磁式同步電機(jī))1-無刷式-感應(yīng)式交流伺服電機(jī)表1伺服電機(jī)的分類永磁式直流伺服電動機(jī)如圖1(a)所示，其永久磁鐵在外，而會發(fā)熱的電樞線圈(armaturewinding)在內(nèi)，因此散熱較為困難，降低了功率體積比，在應(yīng)用于直接驅(qū)動1/21資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請聯(lián)系改正或者刪除資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請聯(lián)系改正或者刪除(direct-drive)系統(tǒng)時，會因熱傳導(dǎo)而造成傳動軸(如導(dǎo)螺桿)的熱變形.但對交流伺服電機(jī)而言，不論是永磁式或感應(yīng)式，其造成旋轉(zhuǎn)磁場的電樞線圈，如圖1(b

4、)所示，均置于電機(jī)的外層，因而散熱較佳，有較高的功率體積比，且可適用于直接驅(qū)動系統(tǒng).交流電機(jī)依其扭矩產(chǎn)生方式可分為兩大類(1)同步交流電機(jī)(synchronousacmotor)與(2)感應(yīng)交流電機(jī)(inductionacmotor),同步交流電機(jī)因其轉(zhuǎn)子可由外界電源或由本身磁鐵而造成的磁場與定子的旋轉(zhuǎn)磁場交互作用而達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，但是感應(yīng)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子則因定子與轉(zhuǎn)子間的變壓器效應(yīng)(transformereffect)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場，為了維持此感應(yīng)磁場以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，轉(zhuǎn)子與定子的旋轉(zhuǎn)磁場間必須有一相對運(yùn)動-滑差(slip),因此感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無法達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。15 / 21感應(yīng)交流電機(jī)因其轉(zhuǎn)

5、子結(jié)構(gòu)乂可分為(1)鼠籠式(squirrelcagetype)與(2)繞線式(wound-rotortype).鼠籠式感應(yīng)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、堅固、不需磁性材料，容易大量制造，有較高的功率/體積比，較低的轉(zhuǎn)子慣量，較高的起動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。同時因為不需要做碳刷的維修，因而降低了維護(hù)費(fèi)用，其堅固、耐溫、防爆等特性均適合應(yīng)用于環(huán)境惡劣的工作場所。由于上述的優(yōu)點(diǎn)，鼠籠式感應(yīng)電機(jī)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，而隨著交流伺服技術(shù)的快速發(fā)展，未來更將應(yīng)用于高精度、高轉(zhuǎn)速、高容量的伺服機(jī)械系統(tǒng).鐵芯永久磁鐵電樞終圖(b)圖1(a)永磁式直流伺服電機(jī)與永磁式交流伺服電機(jī)的剖面圖2。永磁式交流伺服電機(jī)的工作原理電機(jī)的工作原理可

6、以弗萊明左手定則來說明，弗萊明左手定則可用來判斷一根載有電流的導(dǎo)線置于磁場中時其受力的方向。若以左手的食指表示磁場方向,中指表示電流方向，則大姆指表示此導(dǎo)線受力的方向，如圖2所示的電流方向,則環(huán)狀線圈受磁場的作用，將順正時鐘方向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的扭矩T可以下式表示T=KIBN-m；,n其中5為比例常數(shù)，/為流經(jīng)線圈的電流，£為永久磁鐵所造成的磁場強(qiáng)度。資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請聯(lián)系改正或者刪除圖2電機(jī)的工作原理圖3永磁式交流伺服電機(jī)控制方塊圖永磁式交流伺服電機(jī)的工作原理可以圖3說明,由晶體管三相換流器(inverter)經(jīng)由脈寬調(diào)變(pulsewidthmodulation)

7、在電機(jī)的定子造成一旋轉(zhuǎn)磁場，它與轉(zhuǎn)子永久磁鐵所造成的磁場相互作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩.電子換相器(electeniccommutator)的目的即在于使定子所造成的磁場方向與轉(zhuǎn)子永久磁鐵的磁場方向保持垂直，而產(chǎn)生最大的扭矩，為了達(dá)到這個目的可經(jīng)由解角器的回授由電子換相器來達(dá)成。在解角器的初級線圈施以90相位差的交流電壓嚎sinejq嚎C°S8J(如圖3所示)，則在次級線圈隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度9,由變壓器效應(yīng)產(chǎn)生嚎sin(&et+0)的交流電壓，此交流電壓經(jīng)由回授，由相位同步器將三相參考電jRSin色f、疝1初+2笈/3)、血初+4方/3)、轉(zhuǎn)換為曝sin夕,其中心為激磁電壓的最大值，圓

8、e為交流電壓的角頻率。jz?、m()、tfi()即為三相換流器的調(diào)變信號(modulationsignals)，換流器將相位差120的三相交流電壓施于電機(jī)的定子，如圖3所示A、B、C三相的電流分別以以、Ib.左表示，其最大值為Ln,各相電流(phasecurrent)可表示為資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請聯(lián)系改正或者刪除I尸"sme234心=4sinS+w加3(4)設(shè)8m為轉(zhuǎn)子永久磁鐵所造磁場強(qiáng)度的最大值，其與電機(jī)定子各相的電樞線圈正交磁場強(qiáng)度為Ba.Bb、Be,根據(jù)轉(zhuǎn)子角度可表示為2Bb 二紇 sm(e + w»)(6)4Ba=Bmsm(0+-)各相電樞線圈電流

9、心、Ib、丘與其所承受的磁場強(qiáng)度84、Bb.8c分別產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩力、78、左可表示為：rKiABAKiBe/、AAAmm（8）2T*=KIR=的“e+）3（9）o4£,二K4及=K4Asm2（。十可力3（10）其中K為比例常數(shù)。Ta、場與丁c分別為三相的電流與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵所產(chǎn)生的扭矩，其合成扭矩丁可表示為(11)15 / 21各相電流(phasecurrent)、電樞線圈所受的磁場大小、產(chǎn)生的扭矩、與電機(jī)的相對位置可參考圖4。由(11)式可得知，如果經(jīng)由相位同步器(phasesynchronizer)使得相電流(如7"T門T)SITI月一場°)Ij相對應(yīng)的磁場

10、(如幺一加)保持同步，則合成扭矩T與轉(zhuǎn)子的角度8無關(guān)。由(11)式可知K為定值，為轉(zhuǎn)子永久磁鐵的磁場強(qiáng)度亦為定值，因此丁正比于各相電流的振幅Ln,由此可知，控制Ln的大小，即可控制電機(jī)所產(chǎn)生的扭矩。圖4永磁式交流伺服電機(jī)扭矩產(chǎn)生的原理。3,永磁式交流伺服驅(qū)動器的控制原理圖5所示為一典型的永磁式交流伺服驅(qū)動器的系統(tǒng)方塊圖，本行將說明其控制原理。速度控制回路由速度參考電壓L與速度回授信號I/。比較,經(jīng)由速度回路補(bǔ)償器(velocity-loopcompensator)£)(s)產(chǎn)生所需求的扭矩信號心,假設(shè)D(s)為一比例積分補(bǔ)償器(PIcompensator)，貝ij14可表式為838電

11、子匕=Kp+)(-廠)(12)人與由混合器(mixer)產(chǎn)生定子電流參考訊號&sin3/+2%)&sin(oj+4%，此信號再經(jīng)由相位同步器與回授相位信號比較產(chǎn)生各相的參考電流訊號，由內(nèi)環(huán)路電流控制回路產(chǎn)生晶體管換流器的脈寬調(diào)變信號,使得各相的電流能夠追隨參考電流,Em流回路補(bǔ)償器可由比例積分器或遲滯控制器(hysteresiscontroller)來設(shè)計，圖6所示為一電流控制式脈寬調(diào)變換流器的系統(tǒng)方塊圖.圖5永磁式交流伺服電機(jī)驅(qū)動器的系統(tǒng)方塊圖。AC/DCConverter220V60HzCURRENTCONTROLLERPWMModulatorBa5ePOWERMOSFET

12、二mPhaseVoltage：JimrULACMotorProtectionCircuitcnCurran!Sensor圖6電流控制式脈寬調(diào)變換流器系統(tǒng)方塊圖PhaseCurrent圖7直流電機(jī)的等效電要掌握伺服電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)，則必須先建立其動態(tài)數(shù)學(xué)模型，在此可先以直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來說明。圖7所示為一直流伺服電機(jī)的等效電路，在此忽略因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力，其動態(tài)方程式可表示為高+Ke% = Es(13)卷+3 %(14)tn(16)由（15）、（16）式，直流伺服電機(jī)的方塊圖如圖8所示.圖8直流伺服電機(jī)的系統(tǒng)方塊圖將（13）、（14）式經(jīng)由拉普拉斯轉(zhuǎn)換（LaplaceTransform）可得

13、Es-KEG)m(15)及+sLa永磁式交流伺服電機(jī)的電流控制回路與直流伺服類似，其系統(tǒng)等效電路方塊圖如圖9所示。其中&、心分別為各相電樞線圈的等效電阻與電感。為電流回接增益，（為誤差放大增益。參考電流a經(jīng)由相移6陰（phaseshifte。產(chǎn)生三相參考電流sin 夕a£sin（8+2萬/3）屯 sinS+ 4tt/ 3)圖，838電子圖9永磁式交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖。再經(jīng)由電流回路調(diào)行電樞的電流，其結(jié)構(gòu)與直流伺服電機(jī)類似，系統(tǒng)方塊圖因而可簡化為如圖10所示的結(jié)構(gòu).圖中虛線所示部份為永磁交流伺服電機(jī)的等效方塊圖10簡化的永磁式交流伺服電機(jī)方塊圖圖11所示為一典型的永磁交流

14、伺服驅(qū)動系統(tǒng)方塊圖，其回路補(bǔ)償器的設(shè)計，動態(tài)響應(yīng)的分析與仿直均與直流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相同，唯一需要特別注意的即為相位同步器的設(shè)計.圖11永磁式交流伺服驅(qū)動器系統(tǒng)方塊圖04o交流感應(yīng)伺服電機(jī)的工作原理對感應(yīng)電機(jī)而言,由三相交流電源在定子造成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的感應(yīng)磁場交互作用，產(chǎn)生扭矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與造成旋轉(zhuǎn)磁場電源的振幅、頻率有關(guān)，頻率愈高，則轉(zhuǎn)速愈快，但轉(zhuǎn)速增加時，由轉(zhuǎn)子造成的反抗電動勢(backemf)亦隨的增加，因而降低了產(chǎn)生的扭矩，所以必須提高電壓，保持定值的氣隙磁通量(airgapflux)，在忽略因定子線圈電阻所造成的降壓的情況,可維持一固定的電壓/頻率比，以達(dá)成此一目的

15、。傳統(tǒng)上交流感應(yīng)電機(jī)的變速控制，由變頻器以開路控制(open-loopcontrol)方式達(dá)成，如圖12所示，變頻器的功能即在于將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源，以提供電機(jī)的變速控制。由于開路控制方式無法對電機(jī)因參數(shù)變化與負(fù)載波動等因素所造成的轉(zhuǎn)速變化提供閉路補(bǔ)償，因而無法達(dá)到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速控制，同時在低速控制范圍，因無法有效補(bǔ)償定子電阻電壓降，因此速度控制范圍有限，僅能應(yīng)用于低精度的變速控制場合。debus由于工業(yè)應(yīng)用上對于交流感應(yīng)電機(jī)速度控制精度要求的提高，因而發(fā)展出了各種型式的閉路控制(closed-loopcontrol)系統(tǒng)。其中最重要的即為一種稱的為磁場向量控制(field-oriented資

16、料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處,請聯(lián)系改正或者刪除vectorcontrol)的方式，在下一節(jié)將對此一控制方式加以說明，現(xiàn)在先對鼠籠式感應(yīng)電機(jī)扭矩產(chǎn)生的過程作一說明.statoraxis11 / 21(b)(a)圖13三相二極鼠籠式交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖13所示為一理想的三相二極鼠籠式感應(yīng)電機(jī)，定子各相的線圈均以同心方式環(huán)繞，各相的電阻電感亦平均分怖.定子由三相交流電源造成一旋轉(zhuǎn)磁場，經(jīng)由變壓器作用，在轉(zhuǎn)子形成感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場切割產(chǎn)生扭矩，使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。假設(shè)由電機(jī)的非正弦波分布繞線與非正弦波的電流所造成的諧波效應(yīng)(harmoniceffect)可忽略不計，則交流電流在定子與

17、轉(zhuǎn)子間的氣隙(air-gap)造成一正弦波分布的旋轉(zhuǎn)磁場，其同步轉(zhuǎn)速(synchronousspeed)可表式為(17)其中A/e為每分鐘轉(zhuǎn)速(pm),為定子電源頻率(hertz),P為電機(jī)的極數(shù)。就交流電機(jī)而言，經(jīng)由氣隙磁通量(airgapflux)與轉(zhuǎn)子磁動力(rotormagnetomotiveforce)的交互作用而產(chǎn)生扭矩，其過程如圖14所示.(a)(b)(c)圖14交流感應(yīng)電機(jī)的扭矩產(chǎn)生原理當(dāng)電機(jī)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子無法經(jīng)由感應(yīng)作用而產(chǎn)生扭矩，在其它轉(zhuǎn)速時，同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差定義為滑差(slip),滑差比(slipatio)則定義為838電子V二&-嗎二必凡 色 /(

18、18)/Vr為轉(zhuǎn)子的每分鐘轉(zhuǎn)速(pm),-與共分別為定子、轉(zhuǎn)子與滑差的旋轉(zhuǎn)角頻率(angularfrequency)o資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請聯(lián)系改正或者刪除氣隙磁通量(air-gapflux)相對于轉(zhuǎn)子以滑差外的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因而在轉(zhuǎn)子感應(yīng)出滑差頻率電壓(slipfrequencyvoltage)t進(jìn)而在轉(zhuǎn)子形成滑差頻率電流(slipfrequency15 / 21資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請聯(lián)系改正或者刪除(23)14 / 21current).圖14中正弦氣隙磁通波以e的角頻率旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電壓如圖中垂直線所示。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流落后于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的角度定義為轉(zhuǎn)子

19、功率因子角(rotorpowerfactorangle)(>圖14(c)中由轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流所造成的梯狀轉(zhuǎn)子磁動勢(rotormmf),可用虛線正弦波近似，由于轉(zhuǎn)子的圓形結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與其所造成的轉(zhuǎn)子磁動勢有一90的相位差。因為轉(zhuǎn)子以的角頻率旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子電流相對于轉(zhuǎn)子以式的速度旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子磁動勢與氣隙磁通量均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子每極的表而積(polesurfacearea)Ap可表示為,2瓶丁1(19)由氣隙磁通與轉(zhuǎn)子磁動勢的交互作用，所產(chǎn)生的扭矩可表示為2(20)其中P為電機(jī)的極數(shù)，L為轉(zhuǎn)子的長度,R為半徑，Bm為氣隙磁通密度的峰值，尸e為轉(zhuǎn)子磁動勢的峰值,5 = 90° + ，為轉(zhuǎn)子功率因子角。(20)亦可表示為:Te=匣Irsinc0o諭r乙L(21)ItI|zI其中町為單極氣隙磁通量(air-gapflux)的峰值，,為轉(zhuǎn)子電流的峰值,5O磁場向量控制原理磁場向量控制法可應(yīng)用于同步電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)的電壓源或電流源換流器的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。其基本觀念在于將定子的三相電流向量經(jīng)由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為兩等效且互相垂直的分量，其一相當(dāng)于磁場電(magnetizingcurrent),另一則相當(dāng)于扭矩電流(torquecurrent),磁場向量控制法即在于控制定子三相電流的大小、頻率與相位使其磁場電流分量維持在最大容許值，而調(diào)節(jié)扭矩電流分量以控制