交流永磁同步電動機伺服系統(tǒng)

1、交流永磁同步電動機伺服系統(tǒng)1伺服系統(tǒng)的基本概念1.1名詞伺服”司源于希臘語 奴隸”的意思。人們想把 伺服機構(gòu)”當(dāng)個得心應(yīng)手的馴服工具，服從 控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)訊 號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的伺服”性能，因此而得名一伺服系統(tǒng)。J 1.2定義伺服系統(tǒng)一是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求，對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝 置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活方便。1.3伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)如圖1所示，是具有反饋的閉環(huán)自動控制

2、系統(tǒng)。它由位置檢測部分、誤差放大 部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。1.4伺服系統(tǒng)的性能要求伺服系統(tǒng)必須具備可控性好，穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強等基本性能。說明一下，可控性好是 指訊號消失以后，能立即自行停轉(zhuǎn)；穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)距的增加而均勻下降；速應(yīng)性強是指 反應(yīng)快、靈敏、響態(tài)品質(zhì)好。1.5伺服系統(tǒng)的種類 通常根據(jù)伺服驅(qū)動機的種類來分類，有電氣式、油壓式或電氣一油壓式三種。伺服系統(tǒng)若按功能來分，則有計量伺服和功率伺服系統(tǒng)；模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)；位置伺服和 加速度伺服系統(tǒng)等。電氣式伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號可分為 de直流伺服系統(tǒng)和ac交流伺服系統(tǒng)二大類。ac交 流伺服系統(tǒng)又有異步電機伺服系統(tǒng)和同步電機伺服

3、系統(tǒng)兩種。|這里只討論電氣式伺服系統(tǒng)中的一種 一交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)。2交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)能夠忠實地跟隨控制命令而動作，例如數(shù)控機床和工業(yè)機人，伺服驅(qū)動技 術(shù)對產(chǎn)品的性能有重要影響，甚至起關(guān)鍵作用。故需進(jìn)一步認(rèn)識伺服驅(qū)動系統(tǒng)在其中的地位 和作用。2.1 ac伺服系統(tǒng)電氣伺服技術(shù)應(yīng)用最廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅(qū)動能源，沒有公害污 染，維護也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，它為電氣伺服技術(shù)的 發(fā)展提供了廣闊的前景。早在70年代，小慣量的伺服直流電動機已經(jīng)實用化了。到了 70年代末期交流伺服系統(tǒng) 開始發(fā)展，逐步實用化，ac伺服電動機的應(yīng)用越來越

4、廣，并且還有取代de伺服系統(tǒng)的趨勢成 為電氣伺服系統(tǒng)的主流。在ac伺服系統(tǒng)中，可分為同步和異步型 ac伺服系統(tǒng)兩種。ac伺服系統(tǒng)異步型一-f兩相異步機；三相異步機（力距電機）。f同步型f磁阻式（開關(guān)式）；磁滯式（反應(yīng)式）； f永磁式。永磁轉(zhuǎn)子的同步伺服電動機由于永磁材料不斷提高，價格不斷下降，控制又比異步電機簡單，容易實現(xiàn)高性能的緣故，所以永磁同步電機的ac伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。目前，在交流同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，普通應(yīng)用的交流永磁同步伺服電動機有兩大類。一 類稱為無刷直流電動機，它要求將方波電流直入定子繞組。詳見參改文獻(xiàn)；如一類稱為三相永磁同步電動機，它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。

5、詳見參改文獻(xiàn)。前者簡 稱為bldcm電機，后者簡稱pmsm電機。2.2以數(shù)控機床為例看ac永磁同步機伺服系統(tǒng)系統(tǒng)由計算機數(shù)字控制（cnc）、伺服驅(qū)動器（sd）、永磁同步伺服電動機（sm）及位置（速度）傳 感器（s）等組成。|cnc用來存儲零件加工程序、進(jìn)行各種插補運算和軟件實時控制，向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 發(fā)出各種控制命令。sd和sm接收到cnc的控制命令后，快速平滑調(diào)節(jié)運動速度并精確地進(jìn)行位置控制。s代表位置和速度傳感器（或檢測器）目前ac伺服系統(tǒng)常用的位置和速度檢測器有光電式和電磁式兩種。例如光電編碼器、磁編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器（br）以及多轉(zhuǎn)式絕對值編碼器。后面二種，可作多種檢測功能應(yīng)用，

6、既可 檢測系統(tǒng)位置和轉(zhuǎn)子速度，又可檢測系統(tǒng)位置和轉(zhuǎn)子速度，又可檢測轉(zhuǎn)子磁極位置。它堅固 耐用，不怕震動，耐高溫，惟存在信號處理電路復(fù)雜缺點。無刷直流電動機（bl、dem）中轉(zhuǎn)子磁極位置檢測方法，一般都做到無接觸式，常用的有電 磁式、光電式和間接檢測方式。（1）電磁式:a.差動變壓器式；b接近開關(guān)式；（2）磁敏式:霍爾元件集成電路及模快； 光電式:a.簡單光電式（光敏晶體管）；b. 絕對式光電編碼盤；c. 增量式光電編碼盤。（4）間接式:利用電樞繞組的感應(yīng)電動勢（電壓）間接檢測轉(zhuǎn)子磁極位置。它用于精度要求不高的 場合。數(shù)控機床用于精密機械加工，所以對伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)精度有很高的要求，并具有

7、寬廣的調(diào)速范圍和定位精度而工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，但伺機服電動機sm作為工業(yè)機器人手臂和腰、腿的驅(qū)動執(zhí)行元件，要求其體積小，重量輕，且能產(chǎn)生大轉(zhuǎn)距。又由于 工業(yè)機器人不同的運動姿態(tài)，伺服電機軸上慣量和力矩將發(fā)生很大變化，因此，適應(yīng)性有更 咼要求。2.3交流永磁同步電動機ac伺服系統(tǒng)交流永磁同步電動機ac伺服系統(tǒng)由永磁同步伺服電動機 sm1速度和位置傳感器br、pwm 功率逆變器ui以及具有pi功能的速度控制器asr和電流控制器acr等部分組成。ac伺服系統(tǒng)工作原理如下：速度指令和速度反饋信號在asr速度控制器的輸入端比較，asr輸出 信號為電流指令信號在乘法器中相乘就得到交流電流指令。交

8、流電流指令值與電流反饋信號 相比較后，差值送入acr電流控制器。pwm或spwm（正弦脈沖寬度調(diào)制）波形生成電路及功率逆變器，輸出三相變壓變頻的交流 電給永磁同步電動機sm的定子繞組，并使輸入電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。（sm 轉(zhuǎn)子裝有特殊形狀的永磁體，產(chǎn)生恒定磁場，因此提高sm的效率）。交流三相永磁同步電動機伺服系統(tǒng)舉例無刷直流電動機bldcm可以用作ac伺服系統(tǒng)，但不是它唯一的應(yīng)用，主要用作大型設(shè)備 起動和調(diào)速裝置。同樣pm、sm也不僅僅可以用作ac伺服系統(tǒng)，主要還是用于他控式永磁同 步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。但是三相spwm、pm、sm交流伺服系統(tǒng)具有更優(yōu)越的低速伺服性能， 因而廣

9、泛用于數(shù)控機慶，工業(yè)機器人等到高性能伺服系統(tǒng)中。現(xiàn)以某公司的ac伺服系統(tǒng)產(chǎn)品為例說明asr-速度調(diào)節(jié)器，n乘法器，acr-電流調(diào)節(jié)器，6加法器，旋轉(zhuǎn)變壓器在該系統(tǒng)中用來檢測磁極位置和轉(zhuǎn)子速度。旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁信號的角頻率 要求遠(yuǎn)大于pm、sm電動機轉(zhuǎn)子角速度，并且頻率必須非常穩(wěn)定，正弦、余弦勵磁信號相位 應(yīng)該嚴(yán)格正交關(guān)系，才能提高檢測精度和可靠性，因此，系統(tǒng)中采用3.795mhz晶體振蕩器。系統(tǒng)中還有轉(zhuǎn)子磁極位置信號的解調(diào)環(huán)節(jié)及轉(zhuǎn)子速度信號的解調(diào)環(huán)節(jié)。該伺服系統(tǒng)控制將靜止坐標(biāo)系中的直流量工 q（轉(zhuǎn)矩電流）工d（去磁電流）變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系中的二相交流量工 a、工B,然后通過2/3變換為三相電流

10、工 a工b、工c、再利用電流 負(fù)反饋構(gòu)成電流閉環(huán)，使pm、sm電動機定子繞組中三相電流與指令保持一致。spwm、pm、sm交流伺服系統(tǒng)，在定子繞組內(nèi)通入三相正弦電流以便獲得更好的平穩(wěn)性 以及優(yōu)越低速的伺服特性。3西門子公司同步伺服電動機1fk6/1ft6系列（sieme ns synchronous servomotors）3.1西門子公司伺服電動機siemens伺服電動機有同步伺服電動機1fk6/1ft6和異步伺服電動機ipa6/ipl6兩種。這里只討論同步伺服電動機1fk6/1ft6系列。1fk6伺服電動機是標(biāo)準(zhǔn)伺服電動機，無法蘭聯(lián)接的永磁同步電動機。自然冷卻，防護等級ip64。 功率 0

11、.55.2kw轉(zhuǎn)矩 0.8T6.5nm（2）1ft6伺服電動機是永磁同步電動機。防護等級ip64自然冷卻 0.515.5kw，0.888nm。強迫通風(fēng) 6.934.6kw, 17160nm。水冷卻 1127.6kw, 1778 nm.詳見 siemens產(chǎn)品樣本資料，da65.3、1998（p. 2/12/8）3.2 1fk6/1ft6同步伺服電動機特點：1fk6/1ft6是三相稀土永磁同步電動機。高靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，大過載能力，可以很快加速。mmcx=1.63.0me（額定力矩）。動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)良?？梢陨仙龝r間短，到達(dá)預(yù)期位置沒有超調(diào)具有很精確的位置分辨率一般情況下,1fk6用于小功率范圍（ 5.2

12、kw）1ft6用于較大功率范圍（ 27.6kw）3.3西門子永磁同步伺服電動機功率的選擇根據(jù)轉(zhuǎn)矩來選擇電機功率轉(zhuǎn)矩均方根值轉(zhuǎn)速平均值式中:t周期,a-起始,e 終結(jié),i 某瞬時, 伺服電機選擇原則：負(fù)載曲線上所有mrms必須在電機轉(zhuǎn)矩極限曲線si的下方;負(fù)載曲線上所有nmean必須小于電機的額定轉(zhuǎn)速。3.4變頻器容量如何與同步電動機匹配？孌頻器種類可以選用多種型式 sieme ns master drives v ifx6 sieme ns master drives mifk6/ift6 sieme ns simo drives 1ft6變頻器容量選用原則： 對于同步伺服電動機1fk6/1f

13、t6。同步伺服電動機平均電流計算公式： 式中:ktn 電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)變頻器容量（額定電流）選用公式：iO ivn式中:i0 電動機轉(zhuǎn)停車時的電流， ivn 變頻器的額定電流。實際上，siemens公式有表格提供可查到1fk6/iet6什么電機應(yīng)匹配什么變頻器。無需具體計算 詳見 siemens技術(shù)資料 da65.11 1999（p4/4 4/13）4三相正弦波永磁同步伺服系統(tǒng)（spwm、pm、sm）和無刷直流電動機（bldcm）的比較 三相永磁同步電動機（pm、sm）是 ac伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要有二大類：（1）無刷直流電動機（bldcm），用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機的定子磁極，將

14、 原直流電動機的電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯 形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動機（bldcm）是將方波電流（實際上也是梯形波）直接輸入定子。將有刷直流電動機的定子和轉(zhuǎn)子顛倒一下，并采用永磁轉(zhuǎn)子，就可以省去機 械換向器和電刷，由此得名無刷直流電動機。上述兩類永磁同步伺服電動機也可從永磁體轉(zhuǎn)子磁場定子相繞組中感應(yīng)電動勢力波形來 區(qū)分。bldcm定子每相感應(yīng)電動勢為梯形波，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求功率逆變器向 bldcm定子輸入三相對稱方波電流，而 spwm、pm、sm定子每相感應(yīng)電動勢為近似正弦波， 需要向spwm、pm、sm定子輸入三相對稱正弦

15、波電流。圖7為pm、sm和bldcm兩種電動機對比波形。 圖中，bm永磁體磁通密度， ea-定子每相感應(yīng)電動勢， ia定子每相電流，pa,pb, pc定子每相功率，p 總功率。|綜上所述兩類永磁ac同步伺服電動機的差異歸納如下：表1控制原理相似，給定指令信 號加到ac伺服系統(tǒng)的輸入端，電動機軸上位置反饋信號與給定位置相比較，根據(jù)比較結(jié)果控 制伺服的運動，直至達(dá)到所要求的位置為止。pm、sm和bldcm二類伺服系統(tǒng)構(gòu)成的基本思路是一致的。但pm、sm伺服系統(tǒng)要求定子輸入三相正弦波電流，可以獲得更好的平穩(wěn)性， 具有更優(yōu)越的低速伺服性能。因而廣泛用于數(shù)控機床，工業(yè)機器人等高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)中5、結(jié)語（ac伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢）(1)伺服驅(qū)動技術(shù)由de伺服系統(tǒng)迅速地向ac