了解伺服電動機

1、中國電機工程學(xué)報ProceedingsoftheCSEE了解伺服電動機技術(shù)XXX(XXXXXXXX,XXXXXXXXX)ServoMotorTechnologyLIXue-zhou(XXXXXXXX,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX)ABSTRACT:Servomotorisalsocalledexecutivemotor.Intheautomaticcontrolsystem,itisusedasanexecutivecomponenttoconvertthereceivedelectricalsignalsintoangulardisplacementorangularveloc

2、ityoutputofthemotorshaft.Servomotoremphasizesprecisespeedcontrol,positioncontrol,torquecontrolandseveralclosed-loopcontrol.KEYWORDS:Electricalsignal,actuator,automaticcontrolsystem,precisecontrol摘要：伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機強調(diào)精確的速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制和有幾個閉環(huán)控制。關(guān)鍵詞：電信號，執(zhí)行元件，自動控

3、制系統(tǒng)，精確控制1伺服電機的起源及分類“伺服”源于希臘語，我們希望它是一個得心應(yīng)手的馴服工具，完全按照你的指令要求來實現(xiàn)任何動作。伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，交流伺服電動機又分為異步伺服電動機和同步伺服電動機。永磁方波伺雇電機永殿正弦波伺服電機伺服電動機的分類1.1 直流伺服電機1）有刷直流伺服電機有碳刷裝置，成本低，結(jié)構(gòu)簡單。但是需要維護，產(chǎn)生電磁干擾。2）無刷直流伺服電機顧名思義沒有碳刷裝置。無刷直流伺服電機去掉了碳刷裝置，使用電子換向，實現(xiàn)了電機免維護,電磁干擾小。壽命更長。1.2 交流伺服電機1）異步型交流伺服電動機異步型交流伺服電動機指的是交流感應(yīng)電動機。它有三相和單相之

4、分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式感應(yīng)電動機。2）同步型交流伺服電機轉(zhuǎn)子有永磁和非永磁之分。目前最具廣泛應(yīng)用和發(fā)展前景的是永磁同步交流伺服電機。永磁同步交流伺服電機，定子上一般是三相繞組，轉(zhuǎn)子上是永磁體，電機一般帶反饋元件，形成閉環(huán)控制。我們通常所說的交流伺服電機，一般就是指永磁同步伺服電機。在伺服電機的應(yīng)用領(lǐng)域里，永磁同步伺服系統(tǒng)已經(jīng)逐漸取代直流伺服系統(tǒng)伺服電動機的比較、內(nèi)容機種交流永磁伺服電動機交流異步伺服電動機直流伺服電動機電機結(jié)構(gòu)比較簡單簡單復(fù)雜最大轉(zhuǎn)矩約束永磁體去磁無特殊要求火花、永磁去磁發(fā)熱情況只有定子線圈發(fā)熱定轉(zhuǎn)子均發(fā)熱轉(zhuǎn)子發(fā)熱高速化比較容易容易困難大容量化稍微困難容易困難制

5、動容易困難容易控制方法稍微復(fù)雜復(fù)雜簡單環(huán)境適應(yīng)性好好受火花限制維護性不需維護不需維護較麻煩中國電機工程學(xué)報2直流伺服電動機傳統(tǒng)型直流伺服電動機：結(jié)構(gòu)形式與普通直流電動機相同，只是它的容量和體積要小的多。常用的是低慣量直流伺服電動機。2.1 低慣量直流伺服電動機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)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)?？招谋沃绷魉欧妱訖C結(jié)構(gòu)檢圖】一,內(nèi)定子；1-外定于*3空心杯電樞.4一電e1；5一換向黯2）盤式電樞轉(zhuǎn)子定子由永久磁鋼和前后

6、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；電樞繞組可以是繞線式繞組或印制繞組。立式電樞直城伺服電動電集構(gòu)圖一軾礁鳳，K例*電用疏膽：42.1 控制方法2.1.1 電樞控制通過改變電樞電壓來控制電機轉(zhuǎn)速。1）機械特性（毒=常數(shù)時，n=f（Te）電樞控制時直流伺服電動機的機械特性2）調(diào)節(jié)特性（口二常數(shù)時，n=f（Ua）當(dāng)電機的控制電壓大于相應(yīng)的始動電壓，伺服電動機便能起動并在一定的轉(zhuǎn)速下運行。電樞控制時直菰伺服電動機的蠲節(jié)特性2.1.2 磁極控制用調(diào)節(jié)磁通來控制電機轉(zhuǎn)速。3交流異步伺服電動機3.1 交流異步伺服電動機結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的交流伺服電機是指兩相伺服電機，有籠型

7、轉(zhuǎn)子和杯型轉(zhuǎn)子兩種。定子鐵心中安放著空間互成90°電角度的兩相繞組，其中一相作為勵磁繞組，運行時接至電壓為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機類似，但為了減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，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。2）非磁性空心杯形轉(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

8、。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)不同轉(zhuǎn)子電阻時的機械特性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。蘢形轉(zhuǎn)子異步何服電動機結(jié)枸示意圖I一定子編組i2一定子鐵心；3塞陰桿子小，在電動機運行的轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，0vsv1,T1>T2,合成的Te=T1-T2>0,只要TLvTem,電機轉(zhuǎn)子將一直運轉(zhuǎn)，并不會因為控制電壓的消失而停轉(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Sm1>1,電機的Tem在電動機運行范圍內(nèi)均為負(fù)值，即Te<0,如圖(c),在某一控制

9、電壓下，電機帶有一定負(fù)載穩(wěn)定運行，當(dāng)控制電壓消失，勵磁繞組所產(chǎn)生的Tem為一制動轉(zhuǎn)矩而使電機迅速停轉(zhuǎn)。非趣性杯形轉(zhuǎn)子異步伺服電劭機結(jié)構(gòu)圖1機殼w2一外定子；3-杯形轉(zhuǎn)4-內(nèi)定45-瞄蓋(a)轉(zhuǎn)子電阻為正值(b)增大轉(zhuǎn)子電阻單Sm1<1(c)增大轉(zhuǎn)子電阻至Sm1>13.2 交流異步伺服電動機特點異步伺服電動機與普通異步電動機的重要區(qū)別之一是一一轉(zhuǎn)子電阻大。其目的是：1)為了增大異步伺服電動機的調(diào)速范圍并滿足機械特性更接近于線性的要求。轉(zhuǎn)子電阻對單相異步電機機械特性的影響3.3 交流異步伺服電動機控制方式1)幅值控制：保持勵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)電機的轉(zhuǎn)速

10、，而Uc與Uf之間始終保持90°電角度相位差。當(dāng)Uc=0時，電機停轉(zhuǎn)；當(dāng)控制電壓反相時，電機反轉(zhuǎn)。2)防止出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。兩相異步伺服電動機在取消控制電壓(Uc=0)后，便成為單相異步電動機運行，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較交流異步伺服電動機運行時，勵磁繞組接至電壓值恒定的勵磁電源，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)動電機旋轉(zhuǎn)。若改變控制電壓的大小或改變它相對于勵磁電壓之間的中國電機工程學(xué)報加功a期相位控制原理電群圍；i切電庫相量圖3.4交流異步伺服電動機機械特性和調(diào)節(jié)特性交流異步伺服電動機的機械特性（a）幅值

11、特性（b）相位特性（c）幅值-相位特性（d）雙相控制相位差，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。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磁電壓的相位角，實現(xiàn)對電機的控制。3）幅值-相位控制（或稱電容控制）：將勵磁繞組串聯(lián)電容C后，接到勵磁電源上，調(diào)節(jié)控制電壓的幅值來改變電動機的轉(zhuǎn)速時，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，勵磁回路中的電流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。幅值一相位控制（電容控制）（a）解理電路圖（b）電壓相嫌圖雙相控制打）原理電路圖s（h

12、）電壓相量圖交流異步伺服電動機的調(diào)節(jié)特性（a）幅值特性（b）相位特性（c）幅值-相位特性（d）雙相控制4）雙相控制：勵磁繞組與控制繞組間的相位差固定為90度電角度，而勵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。1/0口控制i/o口II顯示接口11接口速度控制片沖矢T基控制4交流永磁伺服系統(tǒng)4.1 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機驅(qū)動的機構(gòu)所期望的目標(biāo)值，未知的實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動機構(gòu)的位置，并把位置信息反饋到控制部分，

13、控制電機帶動負(fù)載向目標(biāo)位置移動，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機的軸上，通過檢測電動機軸的角位移，間接地反映出運動機械的實際位置，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，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將變差，甚至可能產(chǎn)生震蕩。4.2 現(xiàn)代交流伺服電機的分類現(xiàn)代的交流伺服電機多為三相，有交流永磁伺服電機和交流異步伺服電機兩種。后者在結(jié)構(gòu)和原理上與一般的異步電動機相似，只是考慮到伺服技

14、術(shù)的特點，要進行特殊的設(shè)計，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，在伺服系統(tǒng)中一般稱之為永磁交流伺服電機。在系統(tǒng)中，按照不同的驅(qū)動方式，即根據(jù)電機繞組中的電流波形，把交流永磁伺服電機分為永磁方波伺服電機和永磁正弦波伺服電機。方波電流驅(qū)動的交流伺服電機實際上就是無刷直流電機，國外一般稱為BLDCM。永磁正弦波伺服電機一般稱作PMSM。這里主要介紹正弦波電流驅(qū)動的交流伺服電機。4.3 交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)交流永磁同步伺服系統(tǒng)主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服

15、電動機及相應(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。位置反饋基本結(jié)構(gòu)組成4.4 伺服系統(tǒng)的控制形式從被控制量來說，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，例如螺栓緊固機構(gòu)，只需要伺服電機提供必要的緊固力，并根據(jù)所需緊固力的大小來決定電機的轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)矩限制，而對電機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，電動機的永磁轉(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)，實現(xiàn)矢量控制。2）速度伺服：在速度伺服控制中，要求對電機在各種運行狀

16、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直接安裝在要定位的機械上，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，但在實際應(yīng)用中多采用半閉環(huán)控制方式，通過測量電機軸的轉(zhuǎn)角，來間接測量負(fù)載的實際位移，從而實現(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。4.5 伺服系統(tǒng)的控制信號確定了控制形式之后，就提出了如何實現(xiàn)控制要求，從控制信號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：對控制信號響應(yīng)很快、系統(tǒng)內(nèi)部和輸

17、出狀態(tài)及變化容易用儀器儀表觀察；缺點：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)雜的計算能力。2）數(shù)字控制：控制信號是離散化的，其控制作用是離散進行的。有時在一個伺服系統(tǒng)中，兼用連續(xù)和離散兩種信號形式，組成混合式伺服控制。優(yōu)點：由于用數(shù)字信號傳送信息，所以不易受溫度影響；容易實現(xiàn)與上位機通訊；具有復(fù)雜中國電機工程學(xué)報的計算能力，系統(tǒng)具有較高的柔性。4.6 交流永磁伺服系統(tǒng)的矢量控制與系統(tǒng)中的電機相對應(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)。作為伺服電動機，系統(tǒng)要求電機的電磁轉(zhuǎn)矩與輸入轉(zhuǎn)矩指令信號必須是線性關(guān)系，通過矢量控制可以得到交流永磁電機的這種

18、線性關(guān)系數(shù)學(xué)模型。1）矢量控制實際上是對電動機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)永磁體的勵磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電機的轉(zhuǎn)矩就取決于定子電流的空間向量Is,而Is的大小和相位又取決于Id和iq,也就是說控制Id和iq便可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于一定的I'd和I'q,通過這兩個電流的控制，使實際的Id和iq跟蹤指令值I'd和I'q,便實現(xiàn)了電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制。3）對于永磁同步電機來說，它和直流電動機一樣具有兩個相互獨立的磁通勢，它們之間的夾角隨負(fù)載的變化而變化。如果能保證

19、定、轉(zhuǎn)子兩個磁通勢總是正交，那么就能夠具有優(yōu)良的控制品質(zhì)?？梢酝ㄟ^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d-q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機轉(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的反電勢和相電流頻率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定，正弦相電流是由電路強制產(chǎn)生并使得相電流與該相反電勢同相，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)的電流換來實現(xiàn)。4.4 向量控制原理的實現(xiàn)方法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經(jīng)比較

20、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)里進行電流調(diào)節(jié)，Iq是實際電流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的0r送入SPWM調(diào)制部分，得到6路輸出控制脈沖,經(jīng)隔離驅(qū)動后送到逆變器，逆變器的輸出電流送到電機的定子繞組，實現(xiàn)對電機繞組的電流控制。4.5 交流永磁伺服電機系統(tǒng)中的交流永磁伺服電機實際上是一臺機組，一般有下列各部分組成：交流永磁伺服電機本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和速度傳感器，如系統(tǒng)有位置要求時還應(yīng)有提供位置環(huán)反饋信息的位置傳感器。為了保護電機，很多伺服電機的繞組中都埋入溫度傳感器。交流永磁伺服用機結(jié)構(gòu)示立圖；一起度傳域輔；2-T.尤孔；甘一可逃出軸給構(gòu)：4一軸用檔圈；5一低軾員禍上轉(zhuǎn)子：緞絕球鴕維；了一0柩檔回；8系統(tǒng)傳盤器tA本體傳感器1）交流永磁伺服電機本體：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。在電機定子鐵心上的三相電樞繞組，接在驅(qū)動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