10伺服電機教學版

1、電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系第三十三講：伺服電動機第三十三講：伺服電動機1.概述概述概念、分類及特點概念、分類及特點 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大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。伺服電動機和同步伺服電動機。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系第三十三講：伺服電動機第三十三

2、講：伺服電動機1.概述概述概念、分類及特點概念、分類及特點無論是伺服還是調速領域，無論是伺服還是調速領域，目前交流系統(tǒng)正在逐漸代目前交流系統(tǒng)正在逐漸代替直流系統(tǒng)。與直梳伺服替直流系統(tǒng)。與直梳伺服電機相比，交流伺服電機電機相比，交流伺服電機具有高可靠性、散熱好、具有高可靠性、散熱好、轉動慣量小、能工作于高轉動慣量小、能工作于高壓狀態(tài)下等優(yōu)點。因為無壓狀態(tài)下等優(yōu)點。因為無電刷和換向器，故交流伺電刷和換向器，故交流伺服系統(tǒng)也稱為無刷伺服系服系統(tǒng)也稱為無刷伺服系統(tǒng)，用于其中的電機是無統(tǒng)，用于其中的電機是無刷結構的籠型異步電機和刷結構的籠型異步電機和永磁同步型電機。永磁同步型電機。電機與拖動電機與拖動電

3、氣與電子系電氣與電子系第三十三講：伺服電動機第三十三講：伺服電動機1.概述概述概念、分類及特點概念、分類及特點電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系概念、分類及特點概念、分類及特點特點：特點：(1)調速范圍寬，改變控制電壓，要求伺服電動機調速范圍寬，改變控制電壓，要求伺服電動機的轉速在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)；的轉速在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)；(2)機械特性和調節(jié)特機械特性和調節(jié)特性為線性，線性的機械特性和調節(jié)特性有利于提高控制性為線性，線性的機械特性和調節(jié)特性有利于提高控制系統(tǒng)的精度；系統(tǒng)的精度；(3)無無“自轉自轉”現象，伺服電動機在控制電現象，伺服電動機在控制電壓消失后，應立即停轉；壓消失

4、后，應立即停轉；(4)動態(tài)響應快，伺服電動機的動態(tài)響應快，伺服電動機的機電時間常數要小，而它的堵轉轉矩要大，轉動慣量要機電時間常數要小，而它的堵轉轉矩要大，轉動慣量要小小，改變控制電壓時電機的轉速能快速響應。小小，改變控制電壓時電機的轉速能快速響應。第三十三講：伺服電動機第三十三講：伺服電動機1.概述概述電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機2.直流伺服電動機直流伺服電動機傳統(tǒng)型直流伺服電動機：結構形式與普通直流電動機相同，傳統(tǒng)型直流伺服電動機：結構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。只是它的容量和體積要小的多。低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動

5、機1）空心杯形轉子）空心杯形轉子外磁場式：外定子由永久磁鋼制成或外磁場式：外定子由永久磁鋼制成或通常的電磁式結構，內定子由軟磁材通常的電磁式結構，內定子由軟磁材料制成，空心杯電樞可以采用印制繞料制成，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組，也可采用環(huán)氧樹脂固化先行繞制的成型繞組。的成型繞組。內磁場式：內定子采用永久磁鋼，外內磁場式：內定子采用永久磁鋼，外定子采用軟磁材料的結構。定子采用軟磁材料的結構。類型及結構類型及結構電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系低慣量直流伺服電動機低慣量直流伺服電動機2）盤式電樞轉子：定子由永久磁鋼和前后軟磁鐵組成，磁鋼放置在圓盤）盤式電

6、樞轉子：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，并產生軸向磁場，一般制成的一側，并產生軸向磁場，一般制成6、8、10極電機；電樞繞組可以是極電機；電樞繞組可以是繞線式繞組或印制繞組。繞線式繞組或印制繞組。伺服電動機伺服電動機2.直流伺服電動機直流伺服電動機類型及結構類型及結構電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機2.直流伺服電動機直流伺服電動機控制方法控制方法電樞控制：通過改變電樞電壓來控制電機轉速。電樞控制：通過改變電樞電壓來控制電機轉速。1）機械特性（）機械特性（ua=常數時，常數時，n=f(te)）2）調節(jié)特性（）調節(jié)特性（tl=常數時，常數時，n

7、=f(ua)） 當電機的控制電壓大于相應的始動當電機的控制電壓大于相應的始動電壓，伺服電動機便能起動并在一定的轉速下運行。電壓，伺服電動機便能起動并在一定的轉速下運行。磁極控制：用調節(jié)磁通來控制電機轉速。磁極控制：用調節(jié)磁通來控制電機轉速。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機結構及特點結構及特點交流異步伺服電動機結構交流異步伺服電動機結構：傳統(tǒng)的交流伺服電機是指兩相伺：傳統(tǒng)的交流伺服電機是指兩相伺服電機，有籠型轉子和杯型轉子兩種。服電機，有籠型轉子和杯型轉子兩種。 定子鐵心中安放著空間互成定子鐵心中安放著空間互成90o電角度的

8、兩相繞組，其中一電角度的兩相繞組，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；另一相的交流電源上；另一相作為控制繞組，輸入控制電壓作為控制繞組，輸入控制電壓uc，電壓，電壓uc和和uf的頻率相同。的頻率相同。 轉子通常有兩種型式：高電阻率導條的籠式轉子、非磁性轉子通常有兩種型式：高電阻率導條的籠式轉子、非磁性空心杯形轉子?？招谋无D子。 1）高電阻率導條的籠型轉子：結構與普通鼠籠式異步電動機）高電阻率導條的籠型轉子：結構與普通鼠籠式異步電動機類似，但為了減少轉子的轉動慣量，做的細而長。導條及端環(huán)類似，但為了減少轉子的轉動慣量，做的細而長。導條及端環(huán)可

9、用高電阻率的導電材料（黃銅、青銅等），也可用鑄鋁轉子?？捎酶唠娮杪实膶щ姴牧希S銅、青銅等），也可用鑄鋁轉子。國產的國產的sl系列就采用這種結構形式。系列就采用這種結構形式。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系 2）非磁性空心杯形轉子：定子分外定子鐵心和內定子鐵心兩部分，由硅）非磁性空心杯形轉子：定子分外定子鐵心和內定子鐵心兩部分，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。電角度的兩相分布繞組。內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。內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

10、路的磁阻?？招谋D子用非磁性鋁或鋁合金制成，放在內、外定子鐵心之間，并固定空心杯轉子用非磁性鋁或鋁合金制成，放在內、外定子鐵心之間，并固定在轉軸上。在轉軸上。伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機結構及特點結構及特點電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機結構及特點結構及特點特點：異步伺服電動特點：異步伺服電動機與普通異步電動機的機與普通異步電動機的重要區(qū)別之一是重要區(qū)別之一是轉轉子電阻大子電阻大。其目的是：其目的是：1）為了）為了增大增大異步伺服電動機的異步伺服電動機的調速調速范圍范圍并滿足并滿足機械特性機

11、械特性更更接近于接近于線性線性的要求。的要求。2）防止防止出現出現“自轉自轉”現現象。象。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機結構及特點結構及特點2）防止出現防止出現“自轉自轉”現象現象:兩相異步伺服電動機在取消控制電壓（兩相異步伺服電動機在取消控制電壓（uc=0）后，便成）后，便成為單相異步電動機運行，氣隙中只有勵磁繞組產生的脈動磁場。當轉子電阻較小，為單相異步電動機運行，氣隙中只有勵磁繞組產生的脈動磁場。當轉子電阻較小，在電動機運行的轉差率范圍內，在電動機運行的轉差率范圍內，0s1,t1t2,合成的合成的te=t1 - t

12、20，只要，只要tl tem,電機轉子將一直運轉，并不會因為控制電壓的消失而停轉，這就是電機轉子將一直運轉，并不會因為控制電壓的消失而停轉，這就是“自轉自轉”，在自控系統(tǒng)中是絕不允許出現的。在自控系統(tǒng)中是絕不允許出現的。當轉子電阻足夠大，正序磁場產生的最大轉矩所對應的轉差率當轉子電阻足夠大，正序磁場產生的最大轉矩所對應的轉差率sm11，電機的，電機的tem在電動機運行范圍內均為負值，即在電動機運行范圍內均為負值，即te 0，如圖（，如圖（c），在某一控制電壓下，電機帶），在某一控制電壓下，電機帶有一定負載穩(wěn)定運行，當控制電壓消失，勵磁繞組所產生的有一定負載穩(wěn)定運行，當控制電壓消失，勵磁繞組所產

13、生的tem為一制動轉矩而使為一制動轉矩而使電機迅速停轉。電機迅速停轉。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機控制方式控制方式1）幅值控制：保持勵磁電）幅值控制：保持勵磁電壓的幅值和相位不變，通壓的幅值和相位不變，通過調節(jié)控制電壓的大小來過調節(jié)控制電壓的大小來調節(jié)電機的轉速，而調節(jié)電機的轉速，而uc與與uf之間始終保持之間始終保持90度電角度電角度相位差。當度相位差。當uc=0時，電時，電機停轉；當控制電壓反相機停轉；當控制電壓反相時，電機反轉。時，電機反轉。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，而控制交流異

14、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磁場，由是變化的，一般來說得到的是橢圓形旋轉磁場，由此產生電磁轉矩驅動電機旋轉。若改變控制電壓的大小或改變它相對于勵磁此產生電磁轉矩驅動電機旋轉。若改變控制電壓的大小或改變它相對于勵磁電壓之間的相位差，就能改變氣隙中旋轉磁場的橢圓度，從而改變電磁轉矩。電壓之間的相位差，就能改變氣隙中旋轉磁場的橢圓度，從而改變電磁轉矩。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機控制方式控制方式2）相位控制：保）相位控

15、制：保持控制電壓的幅值持控制電壓的幅值不變，通過調節(jié)控不變，通過調節(jié)控制電壓的相位，即制電壓的相位，即改變控制電壓相對改變控制電壓相對勵磁電壓的相位角，勵磁電壓的相位角，實現對電機的控制。實現對電機的控制。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機控制方式控制方式3）幅值）幅值-相位控制（或稱電相位控制（或稱電容控制）：將勵磁繞組串聯(lián)容控制）：將勵磁繞組串聯(lián)電容電容c后，接到勵磁電源上，后，接到勵磁電源上，調節(jié)控制電壓的幅值來改變調節(jié)控制電壓的幅值來改變電動機的轉速時，由于轉子電動機的轉速時，由于轉子繞組的耦合作用，勵磁回路繞組的耦

16、合作用，勵磁回路中的電流中的電流if也發(fā)生變化，使也發(fā)生變化，使uf及及uca也隨之改變。也就也隨之改變。也就是說，控制電壓是說，控制電壓uc和和uf的的大小及它們之間的相位角也大小及它們之間的相位角也都跟著改變。是一種較常用都跟著改變。是一種較常用的控制方式。的控制方式。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機控制方式控制方式4）雙相控制：勵磁繞）雙相控制：勵磁繞組與控制繞組間的相組與控制繞組間的相位差固定為位差固定為90度電角度電角度，而勵磁繞組電壓度，而勵磁繞組電壓的幅值隨控制電壓的的幅值隨控制電壓的改變而同樣改變。也改變而

17、同樣改變。也就是說，不論控制電就是說，不論控制電壓的大小如何，伺服壓的大小如何，伺服電機始終在圓形旋轉電機始終在圓形旋轉磁場下工作，獲得的磁場下工作，獲得的輸出功率和效率最大。輸出功率和效率最大。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機機械特性和調節(jié)特性機械特性和調節(jié)特性信號系數信號系數=uc/uf=uc/u1；從圖中看出，幅值控制時異步伺服電動機的機；從圖中看出，幅值控制時異步伺服電動機的機械特性是一組曲線。只有當有效信號系數械特性是一組曲線。只有當有效信號系數e=1,即圓形旋轉磁場時，異步即圓形旋轉磁場時，異步伺服電動機的理想

18、空載轉速才是同步轉速。當有效信號系數伺服電動機的理想空載轉速才是同步轉速。當有效信號系數e1，即橢，即橢圓形旋轉磁場時，電機的理想空載轉速將低于同步轉速。圓形旋轉磁場時，電機的理想空載轉速將低于同步轉速。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機3.交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機機械特性和調節(jié)特性機械特性和調節(jié)特性電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)伺服控制技術基礎伺服控制技術基礎伺服控制技術中常遇到的概念伺服控制技術中常遇到的概念 1）閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制：位置指令表示要求伺服電動

19、機驅動的機構所：位置指令表示要求伺服電動機驅動的機構所期望的目標值，未知的實際值由位置傳感器來檢測。如果位置檢測器能直期望的目標值，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的位置，并把位置信息反饋到控制部分，控制電機帶動接檢測出運動機構的位置，并把位置信息反饋到控制部分，控制電機帶動負載向目標位置移動，這樣的閉環(huán)控制在工程上常稱為全閉環(huán)控制；如果負載向目標位置移動，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

20、式構成的閉環(huán)控制，通常稱為半閉地反映出運動機械的實際位置，這種方式構成的閉環(huán)控制，通常稱為半閉環(huán)控制。環(huán)控制。2）控制精度控制精度：輸出量跟蹤控制指令的過渡過程結束后進入穩(wěn)態(tài)，在輸出：輸出量跟蹤控制指令的過渡過程結束后進入穩(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。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）響應特性響應特性：系統(tǒng)跟蹤指令的速度，一般稱之為系統(tǒng)的響應。當系統(tǒng)的：系統(tǒng)跟蹤指令的速度，一般稱之為系統(tǒng)的響應。當系統(tǒng)的響應很快時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將變差，甚至可能產生震蕩。響應很快時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將變差，甚至可能產生震蕩。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與

21、電子系伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng) 現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現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。機兩種。后者在結構和原理上與一般的異步電動機相似，只是考慮到伺服后者在結構和原理上與一般的異步電動機相似，只是考慮到伺服技術的特點，要進行特殊的設計，由于相對效率較低，發(fā)熱較高，加上體技術的特點，要進行特殊的設計，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。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，已成為前者由于效率和體積方面的優(yōu)勢，已成為伺服技術的主流在中小功率的場

22、合，一般采用永磁同步型電機，在伺服伺服技術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。系統(tǒng)中一般稱之為永磁交流伺服電機。在系統(tǒng)中，按照不同的驅動方式，在系統(tǒng)中，按照不同的驅動方式，即根據電機繞組中的電流波形，把交流永磁伺服電機分為即根據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永磁方波伺服電機和永磁正弦波伺服電機機和永磁正弦波伺服電機。方波電流驅動的交流伺服電機實際上就是無刷。方波電流驅動的交流伺服電機實際上就是無刷直流電機，國外一般稱為直流電機，國外一般稱為bldcm。永磁正弦波伺服電機一般稱作。永磁正弦波伺服電機一般稱作pmsm。

23、這里主要介紹正弦波電流驅動的交流伺服電機。這里主要介紹正弦波電流驅動的交流伺服電機?，F代交流伺服電機的分類現代交流伺服電機的分類電機與拖動電機與拖動電氣與電子系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、功率驅動單元、交流永磁同步伺服系統(tǒng)主要由伺服控制單元、功率驅動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應的反饋檢測器件組成，其結通訊接口單元、伺服電動機及相應的反饋檢測器件組成，其結構組成如下圖所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度構組成如下圖所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器等等?？刂破鳌⑥D矩和電流控制器等等。 伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交

24、流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結構交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結構電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的控制形式伺服系統(tǒng)的控制形式控制方式：從被控制量來說，伺服控制形式主要有：控制方式：從被控制量來說，伺服控制形式主要有：轉矩控制轉矩控制/電流控制、電流控制、速度伺服和位置伺服速度伺服和位置伺服。1）轉矩控制）轉矩控制/電流控制：有些負載，例如螺栓緊固機構，只需要伺服電機提供電流控制：有些負載，例如螺栓緊固機構，只需要伺服電機提供必要的緊固力，并根據所需緊固力的大小來決定電機的轉矩控制和轉矩限制，必要的緊固力，并根據所需緊

25、固力的大小來決定電機的轉矩控制和轉矩限制，而對電機的速度和位置沒有要求。這種情況一般采用轉矩控制形式。由于在伺而對電機的速度和位置沒有要求。這種情況一般采用轉矩控制形式。由于在伺服系統(tǒng)中，電動機的永磁轉子磁極位置通過位置傳感器測量出來，并以此作為服系統(tǒng)中，電動機的永磁轉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，實現矢量控制。電流控制的依據，實現矢量控制。2）速度伺服：在速度伺服控制中，要求對電機在各種運行狀態(tài)下的速度加以）速度伺服：在速度伺服控制中，要求對電機在各種運行狀態(tài)下的速度加以控制，以滿足負載的工作要求，這是應用范圍很廣的倚重控制形式。通常采用控制，以滿足負載的工作要

26、求，這是應用范圍很廣的倚重控制形式。通常采用比例積分控制。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）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，實現全閉環(huán)控制，但在實際應用中多采用半閉環(huán)控制方裝在要定位的機械上，實現全閉環(huán)控制，但在實際應用中多采用半閉環(huán)控制方式，通過測量電機軸的轉角，來間接測量負載的實際位移，從而實現位置伺服式，通過測量電機軸的轉角，來間接測量負載的實際位移，從而實現位置伺服控制。目前應用較為普遍的位置傳感器有各類編碼器和旋轉變壓器?？刂啤Ｄ壳皯幂^為普遍的位置傳感器有各類編碼器和旋轉變壓器。電

27、機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的控制形式伺服系統(tǒng)的控制形式模擬控制與數字控制：確定了控制形式之后，就提出了如何實現控制要模擬控制與數字控制：確定了控制形式之后，就提出了如何實現控制要求，從控制信號的形式來分有求，從控制信號的形式來分有模擬控制和數字控制模擬控制和數字控制兩種。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）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。連續(xù)作用到被控對象。優(yōu)點：對控制信號響應很快、系統(tǒng)內部和輸出狀態(tài)及變化容易用儀器儀表優(yōu)點：對控制

28、信號響應很快、系統(tǒng)內部和輸出狀態(tài)及變化容易用儀器儀表觀察；觀察； 缺點：系統(tǒng)調整困難一致性較差、容易產生漂移、系統(tǒng)缺乏柔性，缺點：系統(tǒng)調整困難一致性較差、容易產生漂移、系統(tǒng)缺乏柔性，缺乏復雜的計算能力。缺乏復雜的計算能力。2）數字控制：控制信號是離散化的，其控制作用是離散進行的。有時在）數字控制：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。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：由于用數字信號傳送信息，所以不易受溫度影響；容易實現與上位優(yōu)點：由于用數字信號傳送信息，所以不易受溫度影響；容易實現與

29、上位機通訊；具有復雜的計算能力，系統(tǒng)具有較高的柔性。機通訊；具有復雜的計算能力，系統(tǒng)具有較高的柔性。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系交流永磁伺服系統(tǒng)的矢量控制交流永磁伺服系統(tǒng)的矢量控制伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)與系統(tǒng)中的電機相對應，永磁交流伺服系統(tǒng)可分為永磁方波交流伺服系與系統(tǒng)中的電機相對應，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)。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)要求電機的電磁轉矩與輸入轉矩指令信號必須是作為伺服電動機，系統(tǒng)要求電機的電磁轉矩與輸入轉矩指令信號必須是線性關系，通過矢量控制可以得到交流永磁電機的

30、這種線性關系數學模型。線性關系，通過矢量控制可以得到交流永磁電機的這種線性關系數學模型。1）向量（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。）向量（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。可采用的控制方法有多種，其中可采用的控制方法有多種，其中id=0的控制最為簡單，且調速性能好。的控制最為簡單，且調速性能好。2）當永磁體的勵磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電機的轉矩就取決于定）當永磁體的勵磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電機的轉矩就取決于定子電流的空間向量子電流的空間向量is,而而is的大小和相位又取決于的大小和相位又取決于id和和iq，也就是說控制，也就是說控制id和

31、和iq便可以控制電動機的轉矩。一定的轉速和轉矩對應于一定的便可以控制電動機的轉矩。一定的轉速和轉矩對應于一定的id和和iq，通，通過這兩個電流的控制，使實際的過這兩個電流的控制，使實際的id和和iq跟蹤指令值跟蹤指令值id和和iq ，便實現了電動，便實現了電動機的轉矩和轉速控制。機的轉矩和轉速控制。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系交流永磁伺服系統(tǒng)的矢量控制交流永磁伺服系統(tǒng)的矢量控制伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)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）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

32、負載的變化而變化。如果能保證定、轉子兩個磁通勢，它們之間的夾角隨負載的變化而變化。如果能保證定、轉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。通勢總是正交，那么就能夠具有優(yōu)良的控制品質。 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在dq旋轉坐標系的交軸上，即電樞電流僅有旋轉坐標系的交軸上，即電樞電流僅有q軸電流分量而沒有軸電流分量而沒有d軸交軸交流分量，使得電樞電流始終保持超前于磁通勢流分量，使得電樞電流始終保持超前于磁通勢90度電角度，這就是交流度電角度，這就是交流永磁伺服電動機轉子磁極定向式向量控制方法

33、。永磁伺服電動機轉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子轉速決定，正）向量控制的永磁同步電機的反電勢和相電流頻率由轉子轉速決定，正弦相電流是由電路強制產生并使得相電流與該相反電勢同相，它是通過檢弦相電流是由電路強制產生并使得相電流與該相反電勢同相，它是通過檢測轉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。測轉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。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系交流永磁伺服電機的向量控制原理的實現方法交流永磁伺服電機的向量控制原理的實現方法伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)一般的速度

34、伺服控制系統(tǒng)是由速度外環(huán)和電流內環(huán)組成，一般的速度伺服控制系統(tǒng)是由速度外環(huán)和電流內環(huán)組成，類似直流調速系統(tǒng)。速度指令和速度反饋信號經比較之后通類似直流調速系統(tǒng)。速度指令和速度反饋信號經比較之后通過速度控制輸出轉矩指令過速度控制輸出轉矩指令tm，而，而tm與電流幅值指令與電流幅值指令iq成比成比例，例， iq與電流反饋與電流反饋iq在電流環(huán)里進行電流調節(jié)，在電流環(huán)里進行電流調節(jié)， iq是實際電是實際電流流iu、 iv 、iw （ iv由由iu+ iv+ iw =0得到）反饋后經得到）反饋后經3/2變換得變換得到的交軸分量，再將電流調節(jié)器的輸出和磁極位置檢測得到到的交軸分量，再將電流調節(jié)器的輸出和

35、磁極位置檢測得到的的r送入送入spwm調制部分，得到調制部分，得到6路輸出控制脈沖，經隔離驅路輸出控制脈沖，經隔離驅動后送到逆變器，逆變器的輸出電流送到電機的定子繞組，動后送到逆變器，逆變器的輸出電流送到電機的定子繞組，實現對電機繞組的電流控制。實現對電機繞組的電流控制。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系交流永磁伺服電機交流永磁伺服電機伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)系統(tǒng)中的交流永磁伺服電系統(tǒng)中的交流永磁伺服電機實際上是一臺機組，一機實際上是一臺機組，一般有下列各部分組成：般有下列各部分組成：交交流永磁伺服電機本體流永磁伺服電機本體，轉轉子位置傳感器子位置傳感

36、器和和速度傳感速度傳感器器，如系統(tǒng)有位置要求時，如系統(tǒng)有位置要求時還應有提供位置環(huán)反饋信還應有提供位置環(huán)反饋信息的位置傳感器。為了保息的位置傳感器。為了保護電機，很多伺服電機的護電機，很多伺服電機的繞組中都埋入繞組中都埋入溫度傳感器溫度傳感器。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系交流永磁伺服電機交流永磁伺服電機伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)1）交流永磁伺服電機本體：主要）交流永磁伺服電機本體：主要由轉子和定子兩部分組成，在轉由轉子和定子兩部分組成，在轉子上裝有特殊性能的永磁體（采子上裝有特殊性能的永磁體（采用稀土永磁材料），用以產生恒用稀土永磁材料），用以產生

37、恒定磁場。在電機定子鐵心上的三定磁場。在電機定子鐵心上的三相電樞繞組，接在驅動控制器的相電樞繞組，接在驅動控制器的逆變器的輸出部分。逆變器的輸出部分。2）傳感器：為了對轉子磁極定向，首先必須有轉子位置檢測器，以此為依據）傳感器：為了對轉子磁極定向，首先必須有轉子位置檢測器，以此為依據實現矢量控制；為了檢測電機的實際運行速度，通常需加裝速度傳感器，它實現矢量控制；為了檢測電機的實際運行速度，通常需加裝速度傳感器，它和位置傳感器一起安裝在電機的非負載端。實際上，檢測電機的轉子旋轉速和位置傳感器一起安裝在電機的非負載端。實際上，檢測電機的轉子旋轉速度、磁極位置和系統(tǒng)的閉環(huán)的位置這三種信號可由一個編碼

38、器或一個旋轉變度、磁極位置和系統(tǒng)的閉環(huán)的位置這三種信號可由一個編碼器或一個旋轉變壓器來完成。壓器來完成。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服驅動器伺服驅動器伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)伺服驅動器大體可以劃伺服驅動器大體可以劃分為功能比較獨立的分為功能比較獨立的功率功率板和控制板板和控制板兩個模塊。如兩個模塊。如右圖所示右圖所示功率板功率板（驅動板）（驅動板）是強電部分，其中包括兩是強電部分，其中包括兩個單元，一是功率驅動單個單元，一是功率驅動單元元ipm用于電機的驅動，二用于電機的驅動，二是開關電源單元為整個系是開關電源單元為整個系統(tǒng)提供數字和模擬電源；

39、統(tǒng)提供數字和模擬電源；電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服驅動器伺服驅動器伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)控制板控制板是弱電部分，是是弱電部分，是電機的控制核心也是伺服電機的控制核心也是伺服驅動器技術核心控制算法驅動器技術核心控制算法的運行載體?？刂瓢逋ㄟ^的運行載體。控制板通過相應的算法輸出相應的算法輸出pwm信信號，作為驅動電路的驅動號，作為驅動電路的驅動信號，來改逆變器的輸出信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相永功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的磁式同步交流伺服電機的目的。目的。 電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服驅動器伺服

40、驅動器伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)1）功率驅動單元功率驅動單元：功率驅動單元首先通過：功率驅動單元首先通過三相全橋整流三相全橋整流電路對輸入的三相電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦通過三相正弦pwm電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是ac-dc-ac的過程。整流單元的過程。整流單元（ac-dc）主要的拓撲

41、電路是三相全橋不控整流電路。）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。 逆變部分（逆變部分（dc-ac）采用的功率器件集驅動電路，保護電路和功率開關）采用的功率器件集驅動電路，保護電路和功率開關于一體的智能功率模塊于一體的智能功率模塊(ipm)，主要拓撲結構是采用了三相橋式電路原理圖，主要拓撲結構是采用了三相橋式電路原理圖見后圖，利用了脈寬調制技術即見后圖，利用了脈寬調制技術即pwm(pulse width modulation)通過改變功通過改變功率晶體管交替導通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率率晶體管交替導通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率,改變每半周期內晶體改變每半周期內晶體管的通斷時間比

42、管的通斷時間比,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到調節(jié)功率的目的。小以達到調節(jié)功率的目的。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服驅動器伺服驅動器伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)spwm的調試原理是使的調試原理是使逆變器的輸出脈沖電壓逆變器的輸出脈沖電壓的面積與所希望輸出的的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等，改變調制波面積相等，改變調制波的頻率和幅值即可調節(jié)的頻率和幅值即可調節(jié)逆變器輸出電壓的頻率逆變器輸出電

43、壓的頻率和幅值。和幅值。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服驅動器伺服驅動器伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)2） 控制單元控制單元 ：控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心,實現系統(tǒng)位置控制、實現系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉矩和電流控制。所采用的數字信號處理器速度控制、轉矩和電流控制。所采用的數字信號處理器(dsp)除具有快速除具有快速的數據處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如的數據處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如a/d轉換器、轉換器、pwm發(fā)生器、定時計數器電路、異步通訊電路、發(fā)生器、定時

44、計數器電路、異步通訊電路、can總線收總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)ram和大容量的程序存儲器等。伺服驅動器通和大容量的程序存儲器等。伺服驅動器通過采用磁場定向的控制原理過采用磁場定向的控制原理( foc) 和坐標變換和坐標變換,實現矢量控制實現矢量控制(vc) ,同時結同時結合正弦波脈寬調制合正弦波脈寬調制(spwm)控制模式對電機進行控制控制模式對電機進行控制 。永磁同步電動機的。永磁同步電動機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉子磁通的位置及幅值來控制定子電流矢量控制一般通過檢測或估計電機轉子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉矩便只和磁通、電流有關

45、，與直流電機的控制方或電壓，這樣，電機的轉矩便只和磁通、電流有關，與直流電機的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉子磁通位置與法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉子磁通位置與轉子機械位置相同，這樣通過檢測轉子的實際位置就可以得知電機轉子的轉子機械位置相同，這樣通過檢測轉子的實際位置就可以得知電機轉子的磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。簡化。 電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服驅動器伺服驅動器伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系

46、統(tǒng)伺服驅動器控制交流永磁伺服電機伺服驅動器控制交流永磁伺服電機( pmsm)伺服驅動器在控制交流永磁伺服驅動器在控制交流永磁伺服電機時伺服電機時,可分別工作在電流可分別工作在電流(轉矩轉矩) 、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結構框圖如下圖所示。制結構框圖如下圖所示。電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系伺服驅動器伺服驅動器伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng) 由于交流永磁伺服電機由于交流永磁伺服電機(pmsm) 采用的是永久磁鐵勵磁采用的是永久磁鐵勵磁,其磁場可以視為其磁場可以視為是恒定，同時交流永磁伺服電機的電機轉速就是同步轉速即其

47、轉差為零，是恒定，同時交流永磁伺服電機的電機轉速就是同步轉速即其轉差為零，這些條件使得交流伺服驅動器在驅動交流永磁伺服電機時的數學模型的復這些條件使得交流伺服驅動器在驅動交流永磁伺服電機時的數學模型的復雜程度得以大大的降低。從圖中可以看出雜程度得以大大的降低。從圖中可以看出,系統(tǒng)是基于測量電機的兩相電流系統(tǒng)是基于測量電機的兩相電流反饋反饋( la、lb) 和電機位置。將測得的相電流和電機位置。將測得的相電流(la 、lb ) 結合位置信息結合位置信息,經坐標經坐標變化變化(從從a ,b ,c 坐標系轉換到轉子坐標系轉換到轉子d ,q 坐標系坐標系) ,得到得到 ld,lq 分量分量,分別進入各

48、分別進入各自的電流調節(jié)器。電流調節(jié)器的輸出經過反向坐標變化自的電流調節(jié)器。電流調節(jié)器的輸出經過反向坐標變化(從從d ,q 坐標系轉換坐標系轉換到到a ,b ,c 坐標系坐標系) ,得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令,經過經過反向、延時后反向、延時后,得到得到6 路路pwm 波輸出到功率器件波輸出到功率器件,控制電機運行。系統(tǒng)在不控制電機運行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下同指令輸入方式下,指令和反饋通過相應的控制調節(jié)器指令和反饋通過相應的控制調節(jié)器,得到下一級的參考指得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中令。在電流環(huán)中,d ,q 軸的轉矩電流分量軸的轉

49、矩電流分量( lq)是速度控制調節(jié)器的輸出或外是速度控制調節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下部給定。而一般情況下,磁通分量為零磁通分量為零( ld= 0) ，但是當速度大于限定值時，但是當速度大于限定值時,可以通過弱磁可以通過弱磁( ld 0) ,得到更高的速度值。得到更高的速度值。 電機與拖動電機與拖動電氣與電子系電氣與電子系編碼器編碼器伺服電動機伺服電動機4.交流永磁伺服系統(tǒng)交流永磁伺服系統(tǒng)編碼器（編碼器（encoder）是將信號或數據進行編制、）是將信號或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。備。編碼器把角位移或直線位移轉換

50、成電信號，編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺。前者成為碼盤，后者稱碼尺。按照讀出方式編碼按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式接觸式采用采用電刷輸出，以電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代電刷輸出，以電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是碼的狀態(tài)是“”還是還是“”；非接觸式非接觸式的接受的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是還是“”，通過，通過“”和和“”的二進制編碼的二進制編碼來將采集來的物理信號轉換為機器碼可讀取的電來將采集來的物