工程科技伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)課件

運動控制系統(tǒng)哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院主講教師：許家忠運動控制系統(tǒng)哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室327十一月2022Positionsignal/位置信號Positionsignal/位置信號2005/1/1電機的種類及控制方法直流有刷電機直流無刷電機（帶霍爾位置傳感器）直流無刷電機（無位置傳感器）交流電機MMMM功率驅(qū)動控制電路Nopositionsignalfeedback/無位置信號反饋2001/6/14功率驅(qū)動功率驅(qū)動正弦波方波方波控制電路控制電路.控制電路功率驅(qū)動運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室326十一月2022P運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室427十一月2022伺服電機種類直流有刷電機直流無刷電機交流伺服電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室426十一月2022伺運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室527十一月2022交流伺服電機永磁無刷直流電機和永磁交流伺服電機都屬于交流永磁同步電機。按照反電動勢波形和驅(qū)動電流的波形，可以將永磁同步電機分為方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動型。前者就是我們常說的無刷直流電機，后者又稱為永磁同步交流伺服電機。主要用于伺服控制的場合。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室526十一月2022交運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室627十一月2022永磁交流伺服電機在交流伺服系統(tǒng)中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機（PMSM）和感應(yīng)異步交流伺服電機（IM）。永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。異步伺服電機雖然結(jié)構(gòu)堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。本文討論的重點將放在永磁同步交流伺服系統(tǒng)上。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室626十一月2022永運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室727十一月2022交流伺服的行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達(dá)控制。逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機床、機器人和其他廣義的數(shù)控機械，比如紡織機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、郵政機械、冶金機械、自動化流水線、各種專用設(shè)備等。其中伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過75％。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室726十一月2022交運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室827十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室826十一月2022永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1027十一月2022永磁無刷直流電機本質(zhì)上，無刷直流電機是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置反饋信息采用電子換相運行的交流永磁同步電機，與有刷直流電機相比具有一系列優(yōu)勢，近年得到了迅速發(fā)展，在許多領(lǐng)域的競爭中不斷取代直流有刷電機和異步電動機。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1127十一月2022永磁無刷直流電機直流有刷電機直流無刷電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1126十一月2022永磁直流無刷伺服電機PermanentMagnetBrushlessDCMotors永磁直流無刷伺服電機PermanentMagnet運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1327十一月2022一、問題的提出

直流電動機雖然具有優(yōu)良的調(diào)速和起動特性，但由于存在電刷和換向器，需要經(jīng)常性維護(hù)，并且會產(chǎn)生火花和電磁干擾，限制了它的應(yīng)用范圍。近年發(fā)展起來的無刷直流電動機就是為了克服換向器和電刷的滑動接觸而發(fā)展起來的新型直流電動機。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1427十一月2022二、無刷直流電動機的工作原理磁極靜止，電樞旋轉(zhuǎn)根據(jù)左手定則，線圈在電磁轉(zhuǎn)矩作用下將按逆時針方向旋轉(zhuǎn)當(dāng)載流導(dǎo)體轉(zhuǎn)過180度后，借助電刷-換向片改變導(dǎo)體中電流方向直流有刷電機多極運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1527十一月2022二、無刷直流電動機的工作原理

電樞靜止，磁極旋轉(zhuǎn)，且磁極為永久磁鐵。電樞繞組中電流的換向是借助于轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路來實現(xiàn)的。所以，無刷直流電機一般都是由電動機、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。無刷直流電動機原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1627十一月2022二、無刷直流電動機的工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1727十一月2022三、驅(qū)動部分

驅(qū)動電路：驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅(qū)動電路由大功率開關(guān)器件組成。正是由于晶閘管的出現(xiàn)，直流電動機才從有刷實現(xiàn)到無刷的飛躍。但由于晶閘管是只具備控制接通，而無自關(guān)斷能力的半控性開關(guān)器件，其開關(guān)頻率較低，不能滿足無刷直流電動機性能的進(jìn)一步提高。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1827十一月2022三、驅(qū)動部分隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了全控型的功率開關(guān)器件，其中有可關(guān)斷晶體管（GTO）、電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、金屬柵雙極性晶體管IGBT模塊、集成門極換流晶閘管（IGCT）及近年新開發(fā)的電子注入增強柵晶體管（IEGT）。隨著這些功率器件性能的不斷提高，相應(yīng)的無刷電動機的驅(qū)動電路也獲得了飛速發(fā)展。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1826十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1927十一月2022三、驅(qū)動部分運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1926十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2027十一月2022三、驅(qū)動部分運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2127十一月20222005/1/1abcabcY形連接形連接三、驅(qū)動部分運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2126十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2227十一月2022VDCA+A-B+B-C+C-NSAA’BB’CC’三、驅(qū)動部分運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2327十一月2022四.轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測電路永磁無刷電動機是一閉環(huán)的機電一體化系統(tǒng)，它是通過轉(zhuǎn)子磁極位置信號作為電子開關(guān)線路的換相信號，因此，準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時對功率器件進(jìn)行切換，是無刷直流電動機正常運行的關(guān)鍵。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2427十一月2022四.轉(zhuǎn)子位置傳感器

用位置傳感器來作為轉(zhuǎn)子的位置檢測裝置是最直接有效的方法。一般將位置傳感器安裝于轉(zhuǎn)子的軸上，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的實時檢測。最早的位置傳感器是磁電式的，既笨重又復(fù)雜，已被淘汰。目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應(yīng)用于無刷直流電動機中，另外還有光電式的位置傳感器。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2527十一月2022四、轉(zhuǎn)子位置傳感器運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2627十一月2022四、轉(zhuǎn)子位置傳感器運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2727十一月2022工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2827十一月2022工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2826十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2927十一月2022工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2926十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3027十一月2022工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3127十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3126十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3227十一月2022控制方法運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3327十一月2022有刷控制器系統(tǒng)框圖霍爾轉(zhuǎn)把調(diào)速把手供電電路預(yù)驅(qū)動電路電流采樣PWM生成/調(diào)制電路M功率輸出電路2E72GA2E72GSSAC2E72GSSAC直流有刷電機電池組2005/1/1運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3427十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3527十一月2022PWM電壓

電機直流供電電壓

dVTT調(diào)速的基本原理22005/1/1調(diào)壓調(diào)速模式運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3627十一月2022控制方式運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3727十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3827十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3826十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3927十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3926十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4027十一月2022無位置傳感器技術(shù)位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動機的重量和結(jié)構(gòu)尺寸，不利于電機的小型化；旋轉(zhuǎn)時傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)；同時，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機的運行性能；另一方面，由于傳輸線太多，容易引入干擾信號；由于是硬件采集信號，更降低了系統(tǒng)的可靠性。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4127十一月2022無位置傳感器技術(shù)為適應(yīng)無刷電動機的進(jìn)一步發(fā)展，無位置傳感器應(yīng)運而生，它一般利用電樞繞組的感應(yīng)反電動勢來間接獲得轉(zhuǎn)子磁極位置，與直接檢測法相比，省去了位置傳感器，簡化了電動機本體結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。但對于靠反電動勢進(jìn)行位置檢測的無位置傳感器無刷電動機，由于靜止時不產(chǎn)生反電動勢，因而如何順利啟動是該電機需要解決的問題。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4126十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4227十一月2022無位置傳感器運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4327十一月2022無位置傳感器運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4427十一月2022無位置傳感器技術(shù)運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4527十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4627十一月2022智能有刷控制器典型應(yīng)用圖22005/1/1運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4727十一月2022U1,V1,W1,_U1,_V1,_W1U,V,WPDU,PDV,PDWM功率驅(qū)動控制電路DC2005/1/1無刷電機的譯碼/驅(qū)動時序圖1（帶位置傳感器/120度相位）2001/6/15轉(zhuǎn)子位置信號反饋電機相線端電壓功率管驅(qū)動電壓電機霍爾輸出電壓位置信號采樣點運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4827十一月20222005/1/1無刷電機的譯碼/驅(qū)動時序圖2（無位置傳感器）PositionsignalcircuitU1,V1,W1,_U1,_V1,_W1DC+-Ref.VU,V,WPDU,PDV,PDWM功率驅(qū)動控制電路RxRy2001/6/14電機相線端電壓功率管驅(qū)動電壓電機反電動勢輸出電壓位置信號采樣點位置信號生成電路運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4826十一月2022永磁交流伺服電機永磁交流伺服電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5027十一月2022安川松下三菱運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5127十一月2022基本結(jié)構(gòu)

交流伺服電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子鐵心通常用硅鋼片疊壓而成。定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組是勵磁繞組，另一相繞組是控制繞組，兩相繞組在空間位置上互差90°電角度。工作時勵磁繞組就j與交流勵磁電源相連，控制繞組k加控制信號電壓。1—外定子鐵心；2—杯形轉(zhuǎn)子；3—內(nèi)定子鐵心；4—轉(zhuǎn)軸；5—軸承；6—定子繞組

杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)圖運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5126十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5227十一月2022交流伺服電動機

交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5327十一月2022

轉(zhuǎn)子的形式有兩種，一種是籠式轉(zhuǎn)子，其繞組由高電阻率的材料制成，繞組的電阻較大，籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，但其轉(zhuǎn)動慣量較大。另一種是空心杯轉(zhuǎn)子，它由非磁性材料制成杯形，可看成是導(dǎo)條數(shù)很多的籠式轉(zhuǎn)子，其杯壁很薄，因而其電阻值較大。轉(zhuǎn)子在內(nèi)外定子之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)，因空氣隙較大而需要較大的勵磁電流?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較小，響應(yīng)迅速。交流伺服電動機原理圖運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5427十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5527十一月2022

工作原理

交流伺服電動機在沒有控制電壓時，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子上沒有啟動轉(zhuǎn)矩而靜止不動。當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流不同相時，則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。但是對伺服電動機要求不僅是在控制電壓作用下就能啟動，且電壓消失后電動機應(yīng)能立即停轉(zhuǎn)。如果伺服電動機控制電壓消失后像一般單相異步電動機那樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則出現(xiàn)失控現(xiàn)象，我們把這種因失控而自行旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5627十一月2022放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組勵磁繞組+++–––1

勵磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。

適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。交流伺服電動機的接線圖和相量圖(a）接線圖1(b)相量圖運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5727十一月2022

控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組

交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。

勵磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時，電機無起動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵磁電流和控制繞組電流不同相時，因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動起來。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5827十一月2022控制方法

可采用下列幾種方法來控制伺服電動機的轉(zhuǎn)速高低及旋轉(zhuǎn)方向。（1）幅值控制保持控制電壓與勵磁電壓間的相位差不變，僅改變控制電壓的幅值。（2）相位控制保持控制電壓的幅值不變，僅改變控制電壓與勵磁電壓間的相位差。（3）幅-相控制同時改變控制電壓的幅值和相位。（4）雙相控制

運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5826十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5927十一月2022同步電動機

前面討論過的伺服電動機，其轉(zhuǎn)速是隨控制信號或負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化的。而在傳真機、磁帶錄音機和各種精確的計時或記錄裝置中，往往需要一種能在電源電壓波動或負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時仍可保持轉(zhuǎn)速恒定不變的電動機。額定功率從零點幾瓦到數(shù)百瓦的各種同步電動機就是在一定的輸出功率范圍內(nèi)具有這種恒速特性的微型同步電動機。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5926十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6027十一月2022矢量控制運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6026十一月2022特殊電機特殊電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6227十一月2022力矩電機直接驅(qū)動電機直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)電機直接驅(qū)動技術(shù)消除了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)平臺所遇到的齒輪磨損、轉(zhuǎn)矩變化和背隙誤差等這些缺點運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6327十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6427十一月2022高轉(zhuǎn)矩高速度

●輸出轉(zhuǎn)矩6Nm~600Nm

●輸出轉(zhuǎn)速250RPM~500RPM

結(jié)構(gòu)緊湊

●電機尺寸較小，節(jié)省安裝空間

●中空式設(shè)計，便于安裝和配線

高精度

●20位高分辨率編碼器：1048576P/R

●定位精度和轉(zhuǎn)矩控制精度顯著提高

使用簡便

●平滑無噪聲驅(qū)動

●采用串行編碼器，減少了配線數(shù)量

●內(nèi)部無齒輪傳動，不需要校正維護(hù)或磨損檢測

●具有速度、轉(zhuǎn)矩、位置控制方式

運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6527十一月2022直線電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6627十一月2022直線電機指標(biāo)牽引力體積移動系統(tǒng)的范圍額定電壓移動全程所需要的時間運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6727十一月2022直線電機特點及其應(yīng)用高速響應(yīng)精度剛度高速度快、加減速短噪聲低效率高散熱性好裝配靈活度大運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室6726十一月2022運動控制系統(tǒng)哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院主講教師：許家忠運動控制系統(tǒng)哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室7027十一月2022Positionsignal/位置信號Positionsignal/位置信號2005/1/1電機的種類及控制方法直流有刷電機直流無刷電機（帶霍爾位置傳感器）直流無刷電機（無位置傳感器）交流電機MMMM功率驅(qū)動控制電路Nopositionsignalfeedback/無位置信號反饋2001/6/14功率驅(qū)動功率驅(qū)動正弦波方波方波控制電路控制電路.控制電路功率驅(qū)動運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室326十一月2022P運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室7127十一月2022伺服電機種類直流有刷電機直流無刷電機交流伺服電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室426十一月2022伺運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室7227十一月2022交流伺服電機永磁無刷直流電機和永磁交流伺服電機都屬于交流永磁同步電機。按照反電動勢波形和驅(qū)動電流的波形，可以將永磁同步電機分為方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動型。前者就是我們常說的無刷直流電機，后者又稱為永磁同步交流伺服電機。主要用于伺服控制的場合。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室526十一月2022交運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室7327十一月2022永磁交流伺服電機在交流伺服系統(tǒng)中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機（PMSM）和感應(yīng)異步交流伺服電機（IM）。永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。異步伺服電機雖然結(jié)構(gòu)堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。本文討論的重點將放在永磁同步交流伺服系統(tǒng)上。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室626十一月2022永運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室7427十一月2022交流伺服的行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達(dá)控制。逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機床、機器人和其他廣義的數(shù)控機械，比如紡織機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、郵政機械、冶金機械、自動化流水線、各種專用設(shè)備等。其中伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過75％。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室726十一月2022交運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室7527十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室826十一月2022永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室7727十一月2022永磁無刷直流電機本質(zhì)上，無刷直流電機是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置反饋信息采用電子換相運行的交流永磁同步電機，與有刷直流電機相比具有一系列優(yōu)勢，近年得到了迅速發(fā)展，在許多領(lǐng)域的競爭中不斷取代直流有刷電機和異步電動機。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室7827十一月2022永磁無刷直流電機直流有刷電機直流無刷電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1126十一月2022永磁直流無刷伺服電機PermanentMagnetBrushlessDCMotors永磁直流無刷伺服電機PermanentMagnet運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8027十一月2022一、問題的提出

直流電動機雖然具有優(yōu)良的調(diào)速和起動特性，但由于存在電刷和換向器，需要經(jīng)常性維護(hù)，并且會產(chǎn)生火花和電磁干擾，限制了它的應(yīng)用范圍。近年發(fā)展起來的無刷直流電動機就是為了克服換向器和電刷的滑動接觸而發(fā)展起來的新型直流電動機。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8127十一月2022二、無刷直流電動機的工作原理磁極靜止，電樞旋轉(zhuǎn)根據(jù)左手定則，線圈在電磁轉(zhuǎn)矩作用下將按逆時針方向旋轉(zhuǎn)當(dāng)載流導(dǎo)體轉(zhuǎn)過180度后，借助電刷-換向片改變導(dǎo)體中電流方向直流有刷電機多極運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8227十一月2022二、無刷直流電動機的工作原理

電樞靜止，磁極旋轉(zhuǎn)，且磁極為永久磁鐵。電樞繞組中電流的換向是借助于轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路來實現(xiàn)的。所以，無刷直流電機一般都是由電動機、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。無刷直流電動機原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8327十一月2022二、無刷直流電動機的工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8427十一月2022三、驅(qū)動部分

驅(qū)動電路：驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅(qū)動電路由大功率開關(guān)器件組成。正是由于晶閘管的出現(xiàn)，直流電動機才從有刷實現(xiàn)到無刷的飛躍。但由于晶閘管是只具備控制接通，而無自關(guān)斷能力的半控性開關(guān)器件，其開關(guān)頻率較低，不能滿足無刷直流電動機性能的進(jìn)一步提高。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8527十一月2022三、驅(qū)動部分隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了全控型的功率開關(guān)器件，其中有可關(guān)斷晶體管（GTO）、電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、金屬柵雙極性晶體管IGBT模塊、集成門極換流晶閘管（IGCT）及近年新開發(fā)的電子注入增強柵晶體管（IEGT）。隨著這些功率器件性能的不斷提高，相應(yīng)的無刷電動機的驅(qū)動電路也獲得了飛速發(fā)展。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1826十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8627十一月2022三、驅(qū)動部分運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室1926十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8727十一月2022三、驅(qū)動部分運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8827十一月20222005/1/1abcabcY形連接形連接三、驅(qū)動部分運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2126十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室8927十一月2022VDCA+A-B+B-C+C-NSAA’BB’CC’三、驅(qū)動部分運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9027十一月2022四.轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測電路永磁無刷電動機是一閉環(huán)的機電一體化系統(tǒng)，它是通過轉(zhuǎn)子磁極位置信號作為電子開關(guān)線路的換相信號，因此，準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時對功率器件進(jìn)行切換，是無刷直流電動機正常運行的關(guān)鍵。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9127十一月2022四.轉(zhuǎn)子位置傳感器

用位置傳感器來作為轉(zhuǎn)子的位置檢測裝置是最直接有效的方法。一般將位置傳感器安裝于轉(zhuǎn)子的軸上，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的實時檢測。最早的位置傳感器是磁電式的，既笨重又復(fù)雜，已被淘汰。目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應(yīng)用于無刷直流電動機中，另外還有光電式的位置傳感器。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9227十一月2022四、轉(zhuǎn)子位置傳感器運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9327十一月2022四、轉(zhuǎn)子位置傳感器運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9427十一月2022工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9527十一月2022工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2826十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9627十一月2022工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室2926十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9727十一月2022工作原理運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9827十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3126十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室9927十一月2022控制方法運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10027十一月2022有刷控制器系統(tǒng)框圖霍爾轉(zhuǎn)把調(diào)速把手供電電路預(yù)驅(qū)動電路電流采樣PWM生成/調(diào)制電路M功率輸出電路2E72GA2E72GSSAC2E72GSSAC直流有刷電機電池組2005/1/1運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10127十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10227十一月2022PWM電壓

電機直流供電電壓

dVTT調(diào)速的基本原理22005/1/1調(diào)壓調(diào)速模式運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10327十一月2022控制方式運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10427十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10527十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3826十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10627十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室3926十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10727十一月2022無位置傳感器技術(shù)位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動機的重量和結(jié)構(gòu)尺寸，不利于電機的小型化；旋轉(zhuǎn)時傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)；同時，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機的運行性能；另一方面，由于傳輸線太多，容易引入干擾信號；由于是硬件采集信號，更降低了系統(tǒng)的可靠性。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10827十一月2022無位置傳感器技術(shù)為適應(yīng)無刷電動機的進(jìn)一步發(fā)展，無位置傳感器應(yīng)運而生，它一般利用電樞繞組的感應(yīng)反電動勢來間接獲得轉(zhuǎn)子磁極位置，與直接檢測法相比，省去了位置傳感器，簡化了電動機本體結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。但對于靠反電動勢進(jìn)行位置檢測的無位置傳感器無刷電動機，由于靜止時不產(chǎn)生反電動勢，因而如何順利啟動是該電機需要解決的問題。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4126十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室10927十一月2022無位置傳感器運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11027十一月2022無位置傳感器運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11127十一月2022無位置傳感器技術(shù)運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11227十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11327十一月2022智能有刷控制器典型應(yīng)用圖22005/1/1運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4626十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11427十一月2022U1,V1,W1,_U1,_V1,_W1U,V,WPDU,PDV,PDWM功率驅(qū)動控制電路DC2005/1/1無刷電機的譯碼/驅(qū)動時序圖1（帶位置傳感器/120度相位）2001/6/15轉(zhuǎn)子位置信號反饋電機相線端電壓功率管驅(qū)動電壓電機霍爾輸出電壓位置信號采樣點運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4726十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11527十一月20222005/1/1無刷電機的譯碼/驅(qū)動時序圖2（無位置傳感器）PositionsignalcircuitU1,V1,W1,_U1,_V1,_W1DC+-Ref.VU,V,WPDU,PDV,PDWM功率驅(qū)動控制電路RxRy2001/6/14電機相線端電壓功率管驅(qū)動電壓電機反電動勢輸出電壓位置信號采樣點位置信號生成電路運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室4826十一月2022永磁交流伺服電機永磁交流伺服電機運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11727十一月2022安川松下三菱運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5026十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11827十一月2022基本結(jié)構(gòu)

交流伺服電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子鐵心通常用硅鋼片疊壓而成。定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組是勵磁繞組，另一相繞組是控制繞組，兩相繞組在空間位置上互差90°電角度。工作時勵磁繞組就j與交流勵磁電源相連，控制繞組k加控制信號電壓。1—外定子鐵心；2—杯形轉(zhuǎn)子；3—內(nèi)定子鐵心；4—轉(zhuǎn)軸；5—軸承；6—定子繞組

杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)圖運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5126十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室11927十一月2022交流伺服電動機

交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5226十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室12027十一月2022

轉(zhuǎn)子的形式有兩種，一種是籠式轉(zhuǎn)子，其繞組由高電阻率的材料制成，繞組的電阻較大，籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，但其轉(zhuǎn)動慣量較大。另一種是空心杯轉(zhuǎn)子，它由非磁性材料制成杯形，可看成是導(dǎo)條數(shù)很多的籠式轉(zhuǎn)子，其杯壁很薄，因而其電阻值較大。轉(zhuǎn)子在內(nèi)外定子之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)，因空氣隙較大而需要較大的勵磁電流。空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較小，響應(yīng)迅速。交流伺服電動機原理圖運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5326十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室12127十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5426十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室12227十一月2022

工作原理

交流伺服電動機在沒有控制電壓時，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子上沒有啟動轉(zhuǎn)矩而靜止不動。當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流不同相時，則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。但是對伺服電動機要求不僅是在控制電壓作用下就能啟動，且電壓消失后電動機應(yīng)能立即停轉(zhuǎn)。如果伺服電動機控制電壓消失后像一般單相異步電動機那樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則出現(xiàn)失控現(xiàn)象，我們把這種因失控而自行旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)。運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室5526十一月2022運動控制系統(tǒng)第九次課-404教研室12327十一月2022放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組勵磁繞組+++–––1

勵磁繞組串聯(lián)電