無刷永磁伺服電動機學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1無刷永磁伺服電動機無刷永磁伺服電動機第一頁，共114頁。2第1頁/共114頁第二頁，共114頁。3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的三種基本形式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的三種基本形式 ： 按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，無刷永磁伺服電動機的轉(zhuǎn)按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，無刷永磁伺服電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般可分為表面式（凸裝式）、嵌入式和內(nèi)置式三種基本子結(jié)構(gòu)一般可分為表面式（凸裝式）、嵌入式和內(nèi)置式三種基本形式。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是無刷永磁伺服電動機與其它電機最主要的區(qū)別形式。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是無刷永磁伺服電動機與其它電機最主要的區(qū)別，對其運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場合，對其運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場合(chng h)等等均具有重

2、要影響。均具有重要影響。 第2頁/共114頁第三頁，共114頁。4圖圖3-1 表面表面(biomin)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) b）永磁體為圓環(huán)形）永磁體為圓環(huán)形 a）永磁體為瓦片形）永磁體為瓦片形 第3頁/共114頁第四頁，共114頁。5圖圖3-2 嵌入式轉(zhuǎn)子嵌入式轉(zhuǎn)子(zhun z)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 對于高速運行的伺服電動機，對于高速運行的伺服電動機，采用表面式或嵌入式時，為了采用表面式或嵌入式時，為了防止離心力的破壞，常需在其防止離心力的破壞，常需在其外表面再套一非磁性金屬套筒外表面再套一非磁性金屬套筒或包以無緯玻璃絲帶作為保護(hù)或包以無緯玻璃絲帶作為保護(hù)層。層。第4頁/共114頁第五頁，共114頁。

3、6a）永磁體徑向充磁）永磁體徑向充磁 b）永磁體橫向充磁）永磁體橫向充磁 圖圖3-3 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)置式轉(zhuǎn)子(zhun z)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 相鄰的永磁體串聯(lián)相鄰的永磁體串聯(lián)相鄰的永磁體并聯(lián)相鄰的永磁體并聯(lián)第5頁/共114頁第六頁，共114頁。7 三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較 表面式的特點：表面式結(jié)構(gòu)的電機交、直軸電感相等，是表面式的特點：表面式結(jié)構(gòu)的電機交、直軸電感相等，是一種隱極式同步電動機；由于有效一種隱極式同步電動機；由于有效(yuxio)氣隙較大，繞組電氣隙較大，繞組電感低，有利于改善電機的動態(tài)性能；可使轉(zhuǎn)子做的直徑小，慣感低，有利于改善電機的動態(tài)性能；可使轉(zhuǎn)子做的直徑小，慣量低。因此

4、許多無刷永磁伺服電動機都采用這種結(jié)構(gòu)。量低。因此許多無刷永磁伺服電動機都采用這種結(jié)構(gòu)。 第6頁/共114頁第七頁，共114頁。8 a）直軸磁通路徑）直軸磁通路徑 b）交軸磁通路徑）交軸磁通路徑 圖圖3-4 內(nèi)置式無刷永磁伺服電動機的交、直軸磁路內(nèi)置式無刷永磁伺服電動機的交、直軸磁路(c l) 注意：注意：電勵磁凸極同步電電勵磁凸極同步電動機中直軸磁路磁阻小于交動機中直軸磁路磁阻小于交軸磁路，因此直軸同步電抗軸磁路，因此直軸同步電抗Xd（電感（電感Ld）大于交軸同步電）大于交軸同步電抗抗Xq（電感（電感Lq），而永磁同步），而永磁同步電動機中正好相反，其交、直電動機中正好相反，其交、直軸繞組電感

5、的關(guān)系是軸繞組電感的關(guān)系是Lq Ld。 第7頁/共114頁第八頁，共114頁。9對于伺服電動機而言，一對于伺服電動機而言，一個基本要求是其轉(zhuǎn)速能在寬廣個基本要求是其轉(zhuǎn)速能在寬廣(kungung)的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，因此無刷永磁伺服電動機通常因此無刷永磁伺服電動機通常由變頻電源供電，采用變頻調(diào)由變頻電源供電，采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。變頻電速技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。變頻電源供電的永磁同步伺服電動機，源供電的永磁同步伺服電動機，由于供電電源頻率可以由低頻由于供電電源頻率可以由低頻逐漸升高，可以直接利用同步逐漸升高，可以直接利用同步轉(zhuǎn)矩使電動機起動，故轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)矩使電動機起動，故轉(zhuǎn)子上一

6、般不設(shè)阻尼繞組。一般不設(shè)阻尼繞組。第8頁/共114頁第九頁，共114頁。10電流（電壓）的頻率和相位受電流（電壓）的頻率和相位受反映轉(zhuǎn)子磁極空間位置的轉(zhuǎn)子反映轉(zhuǎn)子磁極空間位置的轉(zhuǎn)子位置信號控制，是一種定子繞位置信號控制，是一種定子繞組供電電源的頻率和相位自動組供電電源的頻率和相位自動跟蹤轉(zhuǎn)子磁極空間位置的閉環(huán)跟蹤轉(zhuǎn)子磁極空間位置的閉環(huán)控制方式。由于電動機輸入電控制方式。由于電動機輸入電流的頻率始終和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保流的頻率始終和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持同步，采用自控變頻方式的持同步，采用自控變頻方式的同步電動機不會產(chǎn)生振蕩和失同步電動機不會產(chǎn)生振蕩和失步現(xiàn)象，故也稱為自同步電動步現(xiàn)象，故也稱為自同步電動機系

7、統(tǒng)。機系統(tǒng)。第9頁/共114頁第十頁，共114頁。11圖圖3-5 無刷永磁電動機伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機伺服系統(tǒng)的組成(z chn) 組成：組成：主要由主要由永磁同永磁同步電動機步電動機MS、轉(zhuǎn)子位轉(zhuǎn)子位置檢測器置檢測器BQ、逆變器逆變器和和控制器控制器4個部分組成。個部分組成。第10頁/共114頁第十一頁，共114頁。12 圖中的逆變器通常為由電力圖中的逆變器通常為由電力MOSFET、IGBT等全控型等全控型器件構(gòu)成器件構(gòu)成(guchng)，并采用脈寬調(diào)制技術(shù)的，并采用脈寬調(diào)制技術(shù)的PWM逆變逆變器，可以直接將輸入的不可調(diào)直流電壓變成頻率和大小均器，可以直接將輸入的不可調(diào)直流電壓變成頻率

8、和大小均可調(diào)的變頻、變壓交流電輸出。在輸入為交流電源的場合，可調(diào)的變頻、變壓交流電輸出。在輸入為交流電源的場合，可由整流器將交流電整流，并經(jīng)電容濾波后，作為直流電可由整流器將交流電整流，并經(jīng)電容濾波后，作為直流電源提供給逆變器，此時整流器和逆變器結(jié)合起來構(gòu)成源提供給逆變器，此時整流器和逆變器結(jié)合起來構(gòu)成(guchng)了一臺交了一臺交-直直-交變頻器。交變頻器。 第11頁/共114頁第十二頁，共114頁。13簡稱永磁同步電動機簡稱永磁同步電動機（PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor）。）。定子繞組感應(yīng)電動勢為正弦波，定子繞組感應(yīng)電動勢為正弦波，為了產(chǎn)生

9、恒定轉(zhuǎn)矩，定子繞組為了產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，定子繞組應(yīng)通入正弦波電流。應(yīng)通入正弦波電流。第12頁/共114頁第十三頁，共114頁。14第13頁/共114頁第十四頁，共114頁。15第14頁/共114頁第十五頁，共114頁。16變器供電的，并且工作在自控變器供電的，并且工作在自控變頻方式或自同步方式下，因變頻方式或自同步方式下，因此又是一種自控變頻同步電動此又是一種自控變頻同步電動機系統(tǒng)。鑒于此，目前既有人機系統(tǒng)。鑒于此，目前既有人將其歸為直流電動機，也有人將其歸為直流電動機，也有人將其歸于同步電動機。將其歸于同步電動機。第15頁/共114頁第十六頁，共114頁。17統(tǒng)統(tǒng)3.2.5 無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩

10、脈無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動動第16頁/共114頁第十七頁，共114頁。18第17頁/共114頁第十八頁，共114頁。19第18頁/共114頁第十九頁，共114頁。20第19頁/共114頁第二十頁，共114頁。21 a)半橋電路半橋電路 b）繞組星形連接的橋式電路）繞組星形連接的橋式電路 c）繞組角形連接的橋式電路）繞組角形連接的橋式電路 圖圖3-6 三相無刷直流電動機三相無刷直流電動機(dngj)繞組連接方式繞組連接方式 第20頁/共114頁第二十一頁，共114頁。22第21頁/共114頁第二十二頁，共114頁。23工作工作(gngzu)情況情況分析：分析：圖圖3-7 三相無刷直流電動機原理圖

11、三相無刷直流電動機原理圖 設(shè)電機為設(shè)電機為2極，定子為三相極，定子為三相整距集中繞組，轉(zhuǎn)子采用表面整距集中繞組，轉(zhuǎn)子采用表面式結(jié)構(gòu)，永磁體寬度為式結(jié)構(gòu)，永磁體寬度為120電角度，轉(zhuǎn)子按逆時針方向電角度，轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，電角速度為旋轉(zhuǎn)，電角速度為 r 。 rt=0 換相前；換相后換相前；換相后 rt=60換相前；換相后換相前；換相后 第22頁/共114頁第二十三頁，共114頁。24圖圖3-8 無刷直流電動機工作無刷直流電動機工作(gngzu)原理原理 a） rt=0換相換相前前a） rt=0換相前換相前b） rt=0換相換相后后圖圖3-9 不同不同(b tn)時刻的電流路徑時刻的電流路徑

12、b） rt=0換相換相后后第23頁/共114頁第二十四頁，共114頁。25圖圖3-8 無刷直流電動機無刷直流電動機(dngj)工作原理工作原理 c） rt=60換相前換相前c） rt=60換相后換相后圖圖3-9 不同不同(b tn)時刻的電流路徑時刻的電流路徑 d） rt=60換相換相后后b） rt=60換相前換相前第24頁/共114頁第二十五頁，共114頁。26難得出，各難得出，各60區(qū)間同時導(dǎo)通的區(qū)間同時導(dǎo)通的功率開關(guān)依次為功率開關(guān)依次為V6V1V1V2V2V3V3V4 V4V5 V5V6。 由此可見，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，通過逆變器改變繞組電流由此可見，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，通過逆變

13、器改變繞組電流的通斷情況的通斷情況(qngkung)，實現(xiàn)繞組電流換相，在直流電流一定的，實現(xiàn)繞組電流換相，在直流電流一定的情況情況(qngkung)下，只要主磁極所覆蓋的空間足夠?qū)?，則任何時下，只要主磁極所覆蓋的空間足夠?qū)挘瑒t任何時刻永磁磁極所覆蓋線圈邊中的電流方向及大小均保持不變，導(dǎo)體所刻永磁磁極所覆蓋線圈邊中的電流方向及大小均保持不變，導(dǎo)體所受電磁力在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的反作用轉(zhuǎn)矩大小、方向也保持不變。受電磁力在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的反作用轉(zhuǎn)矩大小、方向也保持不變。 第25頁/共114頁第二十六頁，共114頁。27第26頁/共114頁第二十七頁，共114頁。28圖圖3-10 氣隙磁場的空間氣隙磁場的空間(

14、kngjin)分布分布 仍以轉(zhuǎn)子處于仍以轉(zhuǎn)子處于圖圖3-8a）所示時刻為所示時刻為t=0時刻，三相定子繞組感應(yīng)電動勢、時刻，三相定子繞組感應(yīng)電動勢、電流波形如電流波形如圖圖3-11所示，其中各量所示，其中各量的正方向參見的正方向參見圖圖3-7。 （以（以A相為例說明有關(guān)波形）相為例說明有關(guān)波形）第27頁/共114頁第二十八頁，共114頁。29ree PT （3-1） 式中，式中，r為轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)子(zhun z)機械角速度。機械角速度。 而三相無刷直流電動機的電磁功率瞬時值為而三相無刷直流電動機的電磁功率瞬時值為 CCBBAAeieieieP （3-2） 觀察觀察圖圖3-11可以發(fā)現(xiàn)，在理想情況下

15、任意時刻三相繞組中可以發(fā)現(xiàn)，在理想情況下任意時刻三相繞組中均有兩相導(dǎo)通，一相電動勢為均有兩相導(dǎo)通，一相電動勢為Ep、電流為、電流為Id；另一相電動勢為；另一相電動勢為-Ep、電流為、電流為-Id。以。以060區(qū)間為例，有：區(qū)間為例，有：eA=Ep，iA=Id，eB=-Ep，iB= -Id，而，而iC=0。故任意時刻均有。故任意時刻均有 第28頁/共114頁第二十九頁，共114頁。30dpCCBBAAe2IEieieieP （3-3） rdprCCBBAAe2IEieieieT （3-4） 可見，理想可見，理想(lxing)情況下無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是恒情況下無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是恒定的

16、，波形如圖定的，波形如圖3-11所示。所示。 考慮到繞組感應(yīng)電動勢幅值考慮到繞組感應(yīng)電動勢幅值Ep與轉(zhuǎn)速成正比，則應(yīng)有與轉(zhuǎn)速成正比，則應(yīng)有rppnKE （3-5） 式中，式中，nr為轉(zhuǎn)速，單位為為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；Kp為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，并和永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密數(shù)，并和永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密B 或每極磁通或每極磁通 成正比。成正比。 第29頁/共114頁第三十頁，共114頁。31rr602ndtdprdrpe602IKIKInKT （3-6） 式中，式中，Kt為電機為電機(dinj)的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，矩系數(shù)， pt60KK 式（式（3-6）表明，無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)

17、矩公式與普通有刷直流）表明，無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式與普通有刷直流電動機相同，若不計電樞反應(yīng)磁動勢對氣隙磁場的影響，轉(zhuǎn)矩系數(shù)電動機相同，若不計電樞反應(yīng)磁動勢對氣隙磁場的影響，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt為常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比，通過控制定子電流大小為常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比，通過控制定子電流大小就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，因此無刷直流電動機具有與有刷直流電動就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，因此無刷直流電動機具有與有刷直流電動機同樣優(yōu)良的控制性能。機同樣優(yōu)良的控制性能。第30頁/共114頁第三十一頁，共114頁。32ABdsBBsAAsd2)(eIReiReiRU （3-7） 式中，式中，Rs為定子為定子(dng

18、z)繞組每相電阻；繞組每相電阻；eAB為為A、B兩相兩相間的線電動勢，間的線電動勢， eAB=eA-eB 。 第31頁/共114頁第三十二頁，共114頁。33（3-8） 不難看出，式（不難看出，式（3-8）對其它區(qū)間同樣適用，即式（）對其它區(qū)間同樣適用，即式（3-8）就是三）就是三相無刷直流電動機的直流回路電壓平衡方程相無刷直流電動機的直流回路電壓平衡方程(fngchng)。將式（。將式（3-5）代入式（）代入式（3-8），并解出轉(zhuǎn)速），并解出轉(zhuǎn)速nr，可得無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速，可得無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速公式為公式為pdsd22EIRU dpspdpdsdr222IKRKUKIRUn （3-9）

19、 將式（將式（3-6）代入上式，可得機械特性方程式）代入上式，可得機械特性方程式 etpspdr2TKKRKUn （3-10） 第32頁/共114頁第三十三頁，共114頁。34 綜合以上分析，圖綜合以上分析，圖3-7所示的無刷直流電動機無論是轉(zhuǎn)矩所示的無刷直流電動機無論是轉(zhuǎn)矩公式公式(gngsh)、轉(zhuǎn)速公式、轉(zhuǎn)速公式(gngsh)，還是機械特性方程在形，還是機械特性方程在形式上均與他勵直流電動機相同，即其與直流電動機具有相同式上均與他勵直流電動機相同，即其與直流電動機具有相同的電磁關(guān)系和特性，若從圖的電磁關(guān)系和特性，若從圖3-7直流電源的正、負(fù)端子看進(jìn)直流電源的正、負(fù)端子看進(jìn)去，整個虛線框中的

20、部分就等同于一臺他勵直流電動機，施去，整個虛線框中的部分就等同于一臺他勵直流電動機，施加于逆變器的直流電壓和電流就相當(dāng)于直流電動機的電樞電加于逆變器的直流電壓和電流就相當(dāng)于直流電動機的電樞電壓和電流。由此可見，壓和電流。由此可見，“無刷直流電動機無刷直流電動機”這一術(shù)語應(yīng)該是指這一術(shù)語應(yīng)該是指永磁伺服電動機、逆變器、轉(zhuǎn)子位置檢測器及相應(yīng)換相控制永磁伺服電動機、逆變器、轉(zhuǎn)子位置檢測器及相應(yīng)換相控制電路的組合體，而并非僅指電動機本體。電路的組合體，而并非僅指電動機本體。 第33頁/共114頁第三十四頁，共114頁。35第34頁/共114頁第三十五頁，共114頁。36 假定三相無刷直流電動機定子繞組

21、假定三相無刷直流電動機定子繞組Y接，無中線引出；轉(zhuǎn)接，無中線引出；轉(zhuǎn)子采用表面子采用表面(biomin)式結(jié)構(gòu)，且無阻尼繞組；忽略鐵心磁式結(jié)構(gòu)，且無阻尼繞組；忽略鐵心磁滯和渦流損耗，并不計磁路飽和影響。采用圖滯和渦流損耗，并不計磁路飽和影響。采用圖3-7所示的正所示的正方向規(guī)定，對各相繞組分別列電壓方程并寫成矩陣形式，可方向規(guī)定，對各相繞組分別列電壓方程并寫成矩陣形式，可得得 第35頁/共114頁第三十六頁，共114頁。37 CBACBACCBCABCBBAACABACBAsssCBAdd000000eeeiiiLLLLLLLLLtiiiRRRuuu（3-11） 前已述及，表面前已述及，表面(

22、biomin)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷永磁伺服電動機是一種隱極式同步電式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷永磁伺服電動機是一種隱極式同步電機，其自感和互感均與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，為常值，同時考慮到定子三相繞組的對稱性，機，其自感和互感均與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，為常值，同時考慮到定子三相繞組的對稱性，故有故有 sCBALLLL mCBBCACCABAABLLLLLLL 式中，式中，Ls為每相繞組自感，為每相繞組自感，Lm為相間互感。為相間互感。 第36頁/共114頁第三十七頁，共114頁。38（3-12） 根據(jù)根據(jù)(gnj)式（式（3-13），無刷直流電動機的等效電路如圖），無刷直流電動機的等效電路如圖3-13所示。所示。 則式（則式（

23、3-11）變?yōu)椋┳優(yōu)?CBACBAsmmmsmmmsCBAsssCBAdd000000eeeiiiLLLLLLLLLtiiiRRRuuu CBACBAmsmsmsCBAsssCBA000000dd000000eeeiiiLLLLLLtiiiRRRuuu（3-13） 第37頁/共114頁第三十八頁，共114頁。39（3-14） 式（式（3-13）（3-15）構(gòu)成了無刷直流電動機）構(gòu)成了無刷直流電動機(dngj)電機本體電機本體的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真時還需與逆變器及控制電路相的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真時還需與逆變器及控制電路相結(jié)合。結(jié)合。 （3-15） )(1CCBBAAreieieieT

24、 機械運動方程為機械運動方程為tJTTddrLe 式中，式中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量。為轉(zhuǎn)動慣量。 圖圖3-13 三相無刷直流電動機的等效電路三相無刷直流電動機的等效電路第38頁/共114頁第三十九頁，共114頁。40第39頁/共114頁第四十頁，共114頁。41第40頁/共114頁第四十一頁，共114頁。42圖圖3-14轉(zhuǎn)子位置信號轉(zhuǎn)子位置信號(xnho)與換相控制與換相控制101 100 110 010 011 001 101第41頁/共114頁第四十二頁，共114頁。43 各功率開關(guān)的控制信號也可以各功率開關(guān)的控制信號也可以(ky)由硬件譯碼電路產(chǎn)生，如由硬件譯碼電路產(chǎn)

25、生，如圖圖3-14中中V1V6所示，由所示，由SA、SB、SC通過邏輯運算可得通過邏輯運算可得V1V6六個功率開關(guān)的導(dǎo)通信號分別為六個功率開關(guān)的導(dǎo)通信號分別為 、 、 、 、 、BASSCASSCBSSABSSACSSBCSS第42頁/共114頁第四十三頁，共114頁。44第43頁/共114頁第四十四頁，共114頁。45 下面以對應(yīng)于圖下面以對應(yīng)于圖3-14中的中的060區(qū)間為例，說明兩種斬波方式區(qū)間為例，說明兩種斬波方式(fngsh)的具體工作情況。的具體工作情況。 根據(jù)換相邏輯，在根據(jù)換相邏輯，在060區(qū)間區(qū)間V1、V6處于工作狀態(tài)，處于工作狀態(tài)，其它功率開關(guān)始終關(guān)斷。其它功率開關(guān)始終關(guān)斷

26、。 第44頁/共114頁第四十五頁，共114頁。46 圖圖3-15 PWM控制控制(kngzh)時的電流路徑時的電流路徑 a）PWM導(dǎo)通期間的電流路徑導(dǎo)通期間的電流路徑 b）PWM關(guān)斷期間的電流路徑（反饋）關(guān)斷期間的電流路徑（反饋） 第45頁/共114頁第四十六頁，共114頁。47 若若PWM周期為周期為T，每個開關(guān)周期中，每個開關(guān)周期中導(dǎo)通時間為導(dǎo)通時間為ton，則施加到定子繞組，則施加到定子繞組(roz)的電壓平均值為的電壓平均值為 ddondond) 12()(1UUtTUtTU （3-16） 式中，式中， =ton/T為導(dǎo)通占空比。為導(dǎo)通占空比。 反饋斬波方式時繞組反饋斬波方式時繞組(

27、roz)電壓波形如圖電壓波形如圖3-16a）所示。）所示。圖3-16 a）反饋方式時的繞組電壓波形 第46頁/共114頁第四十七頁，共114頁。48 圖圖3-15 PWM控制時的電流控制時的電流(dinli)路路徑徑 a）PWM導(dǎo)通期間的電流路徑導(dǎo)通期間的電流路徑 c）PWM關(guān)斷期間的電流路徑（續(xù)流）關(guān)斷期間的電流路徑（續(xù)流） 第47頁/共114頁第四十八頁，共114頁。49定子定子(dngz)繞組的電壓平均值為繞組的電壓平均值為 （3-17） 續(xù)流斬波方式時繞組續(xù)流斬波方式時繞組(roz)電壓波形如圖電壓波形如圖3-16b）所示。）所示。ddondUUTtU 可見采用可見采用PWM方式時，在

28、直流電壓方式時，在直流電壓Ud一定的條件下，通過改變一定的條件下，通過改變PWM信號的占空比信號的占空比 ，就可以改變加到無刷直流電動機定，就可以改變加到無刷直流電動機定子繞組的電壓平均值，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，此時式子繞組的電壓平均值，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，此時式（3-9）、（）、（3-10）轉(zhuǎn)速公式和機械特性方程中的）轉(zhuǎn)速公式和機械特性方程中的Ud應(yīng)代入應(yīng)代入Ud。 圖圖3-16 b）續(xù)流方式）續(xù)流方式時的繞組電壓波形時的繞組電壓波形 第48頁/共114頁第四十九頁，共114頁。50 續(xù)流斬波方式中，在每個續(xù)流斬波方式中，在每個60區(qū)間既可以對上橋臂功率開關(guān)進(jìn)行區(qū)間既可以對上橋臂功率開關(guān)進(jìn)行P

29、WM控制，也可以對下橋臂開關(guān)進(jìn)行控制，也可以對下橋臂開關(guān)進(jìn)行PWM控制；在各個控制；在各個60區(qū)間區(qū)間既可以始終只對上橋臂或下橋臂開關(guān)進(jìn)行既可以始終只對上橋臂或下橋臂開關(guān)進(jìn)行PWM控制，也可以交替對控制，也可以交替對上、下橋臂進(jìn)行上、下橋臂進(jìn)行PWM控制。為了實現(xiàn)簡單，常采用前者。僅對上橋控制。為了實現(xiàn)簡單，常采用前者。僅對上橋臂進(jìn)行臂進(jìn)行PWM控制時，控制時，6個功率開關(guān)的控制信號波形如圖個功率開關(guān)的控制信號波形如圖3-17所示。所示。這種控制方式的不足之處是，開關(guān)損耗在各功率開關(guān)之間分配不均這種控制方式的不足之處是，開關(guān)損耗在各功率開關(guān)之間分配不均勻，當(dāng)各橋臂使用相同的功率器件勻，當(dāng)各橋臂

30、使用相同的功率器件(qjin)時，其電流容量不能得到時，其電流容量不能得到充分利用。充分利用。 第49頁/共114頁第五十頁，共114頁。51第50頁/共114頁第五十一頁，共114頁。52l采用反饋斬波對直流側(cè)電流進(jìn)行采用反饋斬波對直流側(cè)電流進(jìn)行PWM電流控制電流控制(kngzh)的原理的原理l 設(shè)在設(shè)在A相正向?qū)?、相正向?qū)ā相反向?qū)ǖ南喾聪驅(qū)ǖ?0區(qū)間，若區(qū)間，若IdId*，則使，則使V1、V6關(guān)斷，繞組電壓關(guān)斷，繞組電壓uAB=-Ud，電流迅速下降。由此，根據(jù)，電流迅速下降。由此，根據(jù)實測電流與給定值的偏差控制實測電流與給定值的偏差控制(kngzh)相應(yīng)功率開關(guān)的通斷，相應(yīng)功率

31、開關(guān)的通斷，可以使實際電流可以使實際電流Id在給定值在給定值Id*附近的小范圍內(nèi)波動。在性能要附近的小范圍內(nèi)波動。在性能要求較高的伺服系統(tǒng)中，常采用求較高的伺服系統(tǒng)中，常采用PWM電流控制電流控制(kngzh)方式。方式。 第51頁/共114頁第五十二頁，共114頁。53圖圖3-18 三相三相(sn xin)無刷直流電動機控制系統(tǒng)舉例無刷直流電動機控制系統(tǒng)舉例第52頁/共114頁第五十三頁，共114頁。54圖圖3-19 解碼器輸出解碼器輸出(shch)信號波形信號波形第53頁/共114頁第五十四頁，共114頁。55際系統(tǒng)中也可以由一個傳感器際系統(tǒng)中也可以由一個傳感器同時完成位置和轉(zhuǎn)速的檢測。同

32、時完成位置和轉(zhuǎn)速的檢測。第54頁/共114頁第五十五頁，共114頁。56第55頁/共114頁第五十六頁，共114頁。57 對于對于(duy)圖圖3-18所示的系統(tǒng)，正向電動運行狀態(tài)下所示的系統(tǒng)，正向電動運行狀態(tài)下轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的相電流幅值給定值轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的相電流幅值給定值Id*為正；若為正；若Id*變變?yōu)樨?fù)值，則各相電流反相，電機即工作在正向制動運行為負(fù)值，則各相電流反相，電機即工作在正向制動運行狀態(tài)。狀態(tài)。 無刷直流電動機在反向轉(zhuǎn)矩作用下也可以反向旋轉(zhuǎn)，在反無刷直流電動機在反向轉(zhuǎn)矩作用下也可以反向旋轉(zhuǎn)，在反向運轉(zhuǎn)時同樣可以通過換相控制實現(xiàn)反向電動運行和反向制向運轉(zhuǎn)時同樣可以通過換相控制實

33、現(xiàn)反向電動運行和反向制動運行，即動運行，即無刷直流電動機通過改變逆變器功率開關(guān)通斷無刷直流電動機通過改變逆變器功率開關(guān)通斷信號與轉(zhuǎn)子位置信號的邏輯關(guān)系，可以方便地實現(xiàn)四象限信號與轉(zhuǎn)子位置信號的邏輯關(guān)系，可以方便地實現(xiàn)四象限運行。運行。 第56頁/共114頁第五十七頁，共114頁。58 感應(yīng)電動勢波形既與永磁磁場感應(yīng)電動勢波形既與永磁磁場的空間的空間(kngjin)分布有關(guān)，又與分布有關(guān)，又與定子繞組結(jié)構(gòu)及是否采用斜槽等定子繞組結(jié)構(gòu)及是否采用斜槽等有關(guān)，典型電動勢波形如圖有關(guān)，典型電動勢波形如圖3-20所所示，平頂寬度小于示，平頂寬度小于120電角度。電角度。當(dāng)定子為整距集中繞組，且無定當(dāng)定子為

34、整距集中繞組，且無定子斜槽和轉(zhuǎn)子斜極時，波形畸變子斜槽和轉(zhuǎn)子斜極時，波形畸變較小。較小。 圖圖3-20 典型的感應(yīng)電動勢典型的感應(yīng)電動勢和繞組電流波形和繞組電流波形 第57頁/共114頁第五十八頁，共114頁。59圖圖3-20 典型典型(dinxng)的的感應(yīng)電動勢和繞組電流波感應(yīng)電動勢和繞組電流波形形 感應(yīng)電動勢和繞組電流波形與理想波形的偏差均會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電動勢和繞組電流波形與理想波形的偏差均會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩脈動。其中電流換相影響最大，可能產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩尖峰。而由脈動。其中電流換相影響最大，可能產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩尖峰。而由PWM控制產(chǎn)生的電流紋波由于頻率較高（一般大于控制產(chǎn)生的電流紋波由于頻

35、率較高（一般大于5kHz），考），考慮到電機機械慣性的濾波作用，由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動對轉(zhuǎn)速影響很慮到電機機械慣性的濾波作用，由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動對轉(zhuǎn)速影響很小，一般可不必考慮。小，一般可不必考慮。第58頁/共114頁第五十九頁，共114頁。60 無刷直流電動機與正弦波永磁同步電動機相比，控制無刷直流電動機與正弦波永磁同步電動機相比，控制要求及控制系統(tǒng)都相對簡單，成本較低，而且具有更高要求及控制系統(tǒng)都相對簡單，成本較低，而且具有更高的功率密度，因此得到的功率密度，因此得到(d do)了廣泛應(yīng)用。但由于轉(zhuǎn)矩了廣泛應(yīng)用。但由于轉(zhuǎn)矩脈動較大，使其在高性能伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到一定限脈動較大，使其在高性能伺服

36、系統(tǒng)中的應(yīng)用受到一定限制。制。第59頁/共114頁第六十頁，共114頁。61第60頁/共114頁第六十一頁，共114頁。62第61頁/共114頁第六十二頁，共114頁。63磁體基波勵磁磁磁體基波勵磁磁場軸線（磁極軸場軸線（磁極軸線）為線）為d軸（直軸（直軸），順著旋轉(zhuǎn)軸），順著旋轉(zhuǎn)方向超前方向超前d軸軸90為為q軸（交軸（交軸），軸），dq坐標(biāo)系坐標(biāo)系隨同轉(zhuǎn)子一道以隨同轉(zhuǎn)子一道以電角速度電角速度r在在空間旋轉(zhuǎn)?？臻g旋轉(zhuǎn)。圖圖3-21 dq坐標(biāo)系中的永磁同步坐標(biāo)系中的永磁同步(tngb)電動機電動機 第62頁/共114頁第六十三頁，共114頁。64立正弦波永磁同步電動機的動立正弦波永磁同步電動機

37、的動態(tài)方程。態(tài)方程。電壓方程電壓方程 參考第參考第2.6節(jié)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系節(jié)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系MT中三相感應(yīng)電動機定子繞組電中三相感應(yīng)電動機定子繞組電壓方程的建立壓方程的建立(jinl)過程及式（過程及式（2-91）不難得到，永磁同步電動機）不難得到，永磁同步電動機定子繞組電壓方程應(yīng)為定子繞組電壓方程應(yīng)為 第63頁/共114頁第六十四頁，共114頁。65磁鏈方程磁鏈方程(fngchng) 由圖由圖3-21，定子繞組磁鏈方程，定子繞組磁鏈方程(fngchng)為為 drqqsqqrddsdpiRupiRu (3-18) qqqfdddiLiL (3-19) 式中,Ld、Lq為d、q軸繞組的自感； f為

38、轉(zhuǎn)子(zhun z)永磁體在d軸繞組中產(chǎn)生的永磁勵磁磁鏈。 注意：注意：對于三相感應(yīng)電動機由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對稱，M、T繞組的自感相同，均為L11。而在永磁同步伺服電動機中，由于d、q軸轉(zhuǎn)子磁路不一定對稱，故分別用Ld、Lq表示。 第64頁/共114頁第六十五頁，共114頁。66轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程 參考參考(cnko)式（式（2-96)，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩方程應(yīng)，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩方程應(yīng)為為 (3-20) (3-21) 將式（3-19）代入式（3-20），得電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩的另一表達(dá)形式 由上式可以看出，正弦波永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩包含兩個部分，第一部分對應(yīng)于式(3-21)等號右邊第一項，是

39、由定子電流與永磁體勵磁磁場相互作用產(chǎn)生的，稱為永磁轉(zhuǎn)矩永磁轉(zhuǎn)矩或勵磁轉(zhuǎn)勵磁轉(zhuǎn)矩矩；第二部分對應(yīng)于式(3-21)等號右邊第二項，是由轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)引起的，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩磁阻轉(zhuǎn)矩。磁阻轉(zhuǎn)矩只有在交、直軸磁路磁阻不等，即LdLq時才會產(chǎn)生。 )(dqqdneiipT)(dqqdqfneiiLLipT第65頁/共114頁第六十六頁，共114頁。67磁阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 如轉(zhuǎn)子采用表面式結(jié)構(gòu)，由于永磁體的磁導(dǎo)率與氣隙相近，如轉(zhuǎn)子采用表面式結(jié)構(gòu)，由于永磁體的磁導(dǎo)率與氣隙相近，轉(zhuǎn)子交、直軸磁路對稱，轉(zhuǎn)子交、直軸磁路對稱，Ld=Lq，故磁阻轉(zhuǎn)矩為零；如轉(zhuǎn)子為，故磁阻轉(zhuǎn)矩為零；如轉(zhuǎn)子為嵌入式或內(nèi)置式

40、，直軸上由于永磁體的存在使磁阻增大，故嵌入式或內(nèi)置式，直軸上由于永磁體的存在使磁阻增大，故LdLq，則當(dāng)，則當(dāng)id、iq均不為零時，就要產(chǎn)生均不為零時，就要產(chǎn)生(chnshng)磁阻轉(zhuǎn)磁阻轉(zhuǎn)矩?？紤]到（矩?？紤]到（Ld-Lq）0，為使磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩方向相同，為使磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩方向相同，應(yīng)使電動機的直軸電流分量應(yīng)使電動機的直軸電流分量id0。 (3-22) 穩(wěn)態(tài)方程穩(wěn)態(tài)方程 當(dāng)電機穩(wěn)態(tài)運行當(dāng)電機穩(wěn)態(tài)運行(ynxng)時，考慮到時，考慮到d、q均為常數(shù)，由式均為常數(shù)，由式（3-18）和式（）和式（3-19）可得）可得 ddrfrqsqqqrdsdiLiRuiLiRu第66頁/共114頁第六

41、十七頁，共114頁。68由于實際饋入電動機電樞繞組的電流是三相(sn xin)交流電流iA、iB、iC，因此實現(xiàn)時一般需將dq坐標(biāo)系中的電流給定值id*，iq*，經(jīng)二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相(sn xin)靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換得到三相(sn xin)電流的給定值iA*、iB*、iC*。由附錄A中式（A-19），考慮到i0=0，可得 qdCBA)240sin()240cos()120sin()120cos(sincos32*iiiii（3-23） 式中，為d軸領(lǐng)先定子A相繞組軸線的電角度。 第67頁/共114頁第六十八頁，共114頁。69 控制策略 正弦波永磁同步(tngb)電動機因結(jié)構(gòu)或用途不同，所

42、采用的控制策略也有所不同，其中最簡單，也是伺服驅(qū)動系統(tǒng)中最常用的是id=0控制。 第68頁/共114頁第六十九頁，共114頁。70 由于f恒定，式（3-24）表明，采用id=0控制的正弦波永磁同步電動機中，電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成正比，控制定子電流的大小就能很好地控制電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩，和直流電動機完全相同。sfnqfneipipT (3-24) 式中，is為定子電流矢量is的模， ，對于id=0控制，有is=iq。is與定子繞組電流的幅值相對應(yīng)。 2q2dsiii第69頁/共114頁第七十頁，共114頁。71 (3-25) 相應(yīng)(xingyng)定子電壓矢量us的模為frqq

43、qrduiLu2f2qqr2q2ds)(iLuuu (3-26) 圖圖3-22 id=0控制時的矢量圖控制時的矢量圖第70頁/共114頁第七十一頁，共114頁。72第71頁/共114頁第七十二頁，共114頁。73圖圖3-23 采用采用id=0控制控制(kngzh)的正弦波永磁同步電動機矢量控制的正弦波永磁同步電動機矢量控制(kngzh)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 第72頁/共114頁第七十三頁，共114頁。74 但永磁同步(tngb)電動機轉(zhuǎn)子為永磁體勵磁，無法象直流電動機那樣通過調(diào)節(jié)勵磁電流實現(xiàn)弱磁。第73頁/共114頁第七十四頁，共114頁。75圖圖3-24 弱磁控制弱磁控制(kngzh)時的矢量圖

44、時的矢量圖 對于表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于電機有效氣隙較大，電感Ld數(shù)值很小，電樞反應(yīng)作用較弱，弱磁調(diào)速范圍不大。 第74頁/共114頁第七十五頁，共114頁。76 不足：由圖3-22可見，電流is總是滯后電壓us一個角，這意味著電動機的功率因數(shù)總是滯后的，而且隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，電流iq增大(zn d)，角增大(zn d)，功率因數(shù)降低。另外隨負(fù)載增加，所需定子電壓也相應(yīng)增大(zn d)，因此對變頻器的容量要求較高。不過對于表面式電機，由于有效氣隙大，電感Ld=Lq的值很小，因此角始終較小，上述問題并不嚴(yán)重。 第75頁/共114頁第七十六頁，共114頁。77 對于內(nèi)置式正弦波永磁同步電動機，由于q

45、軸電感(din n)Lq較大，隨著負(fù)載增加會導(dǎo)致角顯著增大，功率因數(shù)明顯降低，而且同樣情況下所需的定子電壓也較大，考慮逆變器輸出電壓限制時的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍減少，可見內(nèi)置式永磁同步電動機采用id=0控制時性能不如表面式。 內(nèi)置式永磁電動機經(jīng)適當(dāng)設(shè)計可獲得較大的弱磁調(diào)速范圍。 第76頁/共114頁第七十七頁，共114頁。78 概述概述 性能比較性能比較1成本成本(chngbn)2轉(zhuǎn)矩慣量和功率密度轉(zhuǎn)矩慣量和功率密度3轉(zhuǎn)速范圍轉(zhuǎn)速范圍4轉(zhuǎn)矩電流轉(zhuǎn)矩電流5脈動轉(zhuǎn)矩脈動轉(zhuǎn)矩 其它差異其它差異第77頁/共114頁第七十八頁，共114頁。79第78頁/共114頁第七十九頁，共114頁。80 性能比較性能比較

46、 1成本成本 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要包括三大組成部分：伺服電動機、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要包括三大組成部分：伺服電動機、變頻裝置、控制系統(tǒng)。對于由三相感應(yīng)電動機、無刷直流電變頻裝置、控制系統(tǒng)。對于由三相感應(yīng)電動機、無刷直流電動機和正弦波永磁同步電動機組成的伺服驅(qū)動系統(tǒng)而言，后動機和正弦波永磁同步電動機組成的伺服驅(qū)動系統(tǒng)而言，后兩部分的成本差不多，因為兩部分的成本差不多，因為(yn wi)逆變器和控制器的功能逆變器和控制器的功能幾乎是相同的，而就電動機本身來講，無刷永磁伺服電動機幾乎是相同的，而就電動機本身來講，無刷永磁伺服電動機要比三相感應(yīng)伺服電動機昂貴得多。要比三相感應(yīng)伺服電動機昂貴得多。 第79

47、頁/共114頁第八十頁，共114頁。81第80頁/共114頁第八十一頁，共114頁。82第81頁/共114頁第八十二頁，共114頁。83 5脈動轉(zhuǎn)矩 三相感應(yīng)伺服電動機和正弦波永磁同步電動機中，定子繞組電流除了正弦基波分量之外，還不可避免地存在諧波，它們(t men)與轉(zhuǎn)子磁場相互作用將產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，稱為紋波轉(zhuǎn)矩。對于正弦波永磁同步電動機，除了紋波轉(zhuǎn)矩外，定子齒槽與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用還會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。 第82頁/共114頁第八十三頁，共114頁。84 第3.2.5節(jié)專門討論過無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動問題，在無刷直流電動機中，感應(yīng)電動勢波形的畸變、PWM控制引起的電流紋波及繞組電流換相均會使轉(zhuǎn)矩

48、產(chǎn)生脈動，此外作為永磁電動機還要受到齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。特別是電流換相會產(chǎn)生幅值較大的6倍基波頻率的脈動轉(zhuǎn)矩，使無刷直流電動機在高性能伺服領(lǐng)域中的應(yīng)用(yngyng)受到一定限制。 第83頁/共114頁第八十四頁，共114頁。85第84頁/共114頁第八十五頁，共114頁。86第85頁/共114頁第八十六頁，共114頁。87圖圖3-1 表面式轉(zhuǎn)子表面式轉(zhuǎn)子(zhun z)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) a）永磁體為瓦片(w pin)形 b）永磁體為圓環(huán)形 第86頁/共114頁第八十七頁，共114頁。88圖圖3-2 嵌入式轉(zhuǎn)子嵌入式轉(zhuǎn)子(zhun z)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第87頁/共114頁第八十八頁，共114頁。89 a）永磁體徑

49、向充磁(chng c) b）永磁體橫向充磁(chng c) 圖圖3-3 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)置式轉(zhuǎn)子(zhun z)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第88頁/共114頁第八十九頁，共114頁。90 a）直軸磁通路徑(ljng) b）交軸磁通路徑(ljng) 圖圖3-4 內(nèi)置式無刷永磁伺服電動機的交、直軸磁路內(nèi)置式無刷永磁伺服電動機的交、直軸磁路(c l) 第89頁/共114頁第九十頁，共114頁。91圖圖3-5 無刷永磁電動機伺服系統(tǒng)的組成無刷永磁電動機伺服系統(tǒng)的組成(z chn)第90頁/共114頁第九十一頁，共114頁。92 a)半橋電路(dinl)； b）繞組星形連接的橋式電路(dinl)；c）繞組角形連接的橋式電路(dinl) 圖圖3-6 三相無刷直流電動機繞組三相無刷直流電動機繞組(roz)連接方式連接方式 第91頁/共114頁第九十二頁，共114頁。93圖圖3-7 三相三相(sn xin)無刷直