永磁交流伺服電機原理(共15頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上永磁交流伺服電機原理近年來由于無刷式伺服（馬達）電機(brushless servo motor)制造與控制技術的急速發(fā)展，再加上大規(guī)模集成電路與半導體功率組件的進步 ，使其商品化產品日益增多，在高性能伺服應用場合如計算機控制數(shù)值工具機、工業(yè)機器人等，均已逐漸取代了傳統(tǒng)式的有電刷的直流伺服電機(dc servo motor)。無刷式伺服 電動機主要可分為兩大類(表1) (1)無刷式直流伺服電機(brushless dc servo motor)，一般亦稱的為永磁式同步電機(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服 電機(PM ac servo mo

2、tor)，(2)感應式交流伺服電機(induction ac servo motor)。無刷式直流伺服電機采用內裝式的霍爾效應(Hall-effect)傳感器組件來檢測轉子的絕對位置以決定功率組件的觸發(fā)時序，其效用有如將直流伺服電機的機械式電刷換相(mechanical commutation)改為電子式換相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服 電動機因電刷所帶來的限制。目前一般永磁式交流伺服電機的回接組件多采用解角器(resolver) 或光電解編碼馬器(photo encoder)，前者可量測轉子絕對位置，后者則祇能測得轉子旋轉的相對位置，電子換相則設計于驅

3、動器內。表1伺服電機的分類永磁式直流伺服電動機如圖1(a)所示，其永久磁鐵在外，而會發(fā)熱的電樞線圈(armature winding)在內，因此散熱較為困難，降低了功率體積比，在應用于直接驅動(direct-drive)系統(tǒng)時，會因熱傳導而造成傳動軸(如導螺桿)的熱變形 。但對交流伺服電機而言，不論是永磁式或感應式，其造成旋轉磁場的電樞線圈，如圖1(b)所示，均置于電機的外層 ，因而散熱較佳，有較高的功率體積比，且可適用于直接驅動系統(tǒng)。交流電機依其扭矩產生方式可分為兩大類(1)同步交流電機(synchronous ac motor)與(2)感應交流 電機(induction ac motor)

4、，同步交流電機因其轉子可由外界電源或由本身磁鐵而造成的磁場與定子的旋轉磁場交互作用而達到同步轉速 ，但是感應交流電機的轉子則因定子與轉子間的變壓器效應(transformer effect)而產生轉子感應磁場，為了維持此感應磁場以產生旋轉扭矩，轉子與定子 的旋轉磁場間必須有一相對運動滑差(slip)，因此感應電機的轉速無法達到同步轉速。感應交流電機因其轉子結構又可分為(1)鼠籠式(squirrel-cage type)與(2)繞線式(wound-rotor type)。鼠籠式感應 電機因其結構簡單、堅固、不需磁性材料，容易大量制造，有較高的功率/體積比，較低的轉子慣量，較高的起動轉矩與轉速。同

5、時因為不需要做碳刷的維修，因而降低了維護費用，其堅固、耐溫、 防爆等特性均適合應用于環(huán)境惡劣的工作場所。由于上述 的優(yōu)點，鼠籠式感應電機已廣泛應用于工業(yè)界，而隨著交流伺服技術的快速發(fā)展，未來更將應用于高精度、高轉速、高容量的伺服機械系統(tǒng)。圖1(a)永磁式直流伺服電機與(b)永磁式交流伺服電機的剖面圖2.永磁式交流伺服 電機的工作原理電機的工作原理可以弗萊明左手定則來說明，弗萊明左手定則可用來判斷一根載有電流的導線置于磁場中時其受力的方向。若以左手的食指表示磁場方向，中指表示電流方向，則大姆指表示此導線受力的方向，如圖2所示 的電流方向，則環(huán)狀線圈受磁場的作用，將順正時鐘方向旋轉，產生的扭矩T可

6、以下式表示(1)其中K為比例常數(shù)，I 為流經線圈的電流，B 為永久磁鐵所造成的磁場強度。圖2電機的工作原理 圖3永磁式交流伺服電機控制方塊圖永磁式交流伺服電機的工作原理可以圖3說明，由晶體管三相換流器(inverter)經由脈寬調變(pulsewidth modulation) 在電機的定子造成一旋轉磁場，它與轉子永久磁鐵所造成的磁場相互作用而產生旋轉扭矩。電子換相器(electronic commutator) 的目的即在于使定子所造成的磁場方向與轉子永久磁鐵的磁場方向保持垂直，而產生最大的扭矩，為了達到這個目的可經由解角器的回授由電子換相器來達成。在解角器的初

7、級線圈施以90相位差的交流電壓 與(如圖3所示)，則在次級線圈隨轉子旋轉的角度，由變壓器效應產生的交流電壓，此交流電壓經由回授，由相位同步器將三相參考電壓、 、轉換為、 ，其中Vm為激磁電壓的最大值，為交流電壓的角頻率。、 即為三相換流器的調變信號(modulation signals)，換流器將相位差120的三相交流電壓施于電機的定子，如圖3所示A、B、C三相的電流分別以IA、 IB、IC表示，其最大值為Im，各相電流(phase current) 可表示為(2)(3)(4)設Bm為轉子永久磁鐵所造磁場強度的最大值，其與電機定子各相的電樞線圈

8、正交磁場強度為 BA、BB、BC，根據(jù)轉子角度可表示為(5)(6)(7) 各相電樞線圈電流IA、IB、IC 與其所承受的磁場強度BA、BB、BC 分別產生的旋轉扭矩TA、TB、TC可表示為:(8)(9)(10)其中K為比例常數(shù)。TA、TB與TC 分別為三相的電流與轉子的永久磁鐵所產生的扭矩，其合成扭矩T可表示為(11)各相電流(phase current)、電樞線圈所受的磁場大小、產生的扭矩、與電機的相對位置可參考圖4。由(11)式可得知，如果經由相位同步器(phase synchronizer)使得相電流(如) 與相對應 的磁場(如)保持同步

9、，則合成扭矩T與轉子 的角度無關。由(11)式可知K為定值，Bm為轉子永久磁鐵的磁場強度亦為定值，因此T正比于各相電流 的振幅Im，由此可知，控制Im 的大小，即可控制電機所產生的扭矩。 圖4永磁式交流伺服電機扭矩產生的原理。3.永磁式交流伺服驅動器的控制原理 圖5所示為一典型的永磁式交流伺服驅動器的系統(tǒng)方塊圖，本節(jié)將說明其控制原理。速度控制回路由速度參考電壓Vi與速度回授信號Vo比較 ，經由速度回路補償器(velocity-loop compensator)D(s)產生所需求的扭矩信號vc，假設D(s)為一比例積分補償器(PI - compensator)，則V

10、c可表式為 (12)vc 與由混合器(mixer)產生定子電流參考訊號、 ，此信號再經由相位同步器與回授相位信號比較產生各相 的參考電流訊號，由內環(huán)路電流控制回路產生晶體管換流器的脈寬調變信號，使得各相的電流能夠追隨參考電流，電流回路補償器可由比例積分器或遲滯控制器(hysteresis controller)來設計 ，圖6所示為一電流控制式脈寬調變換流器的系統(tǒng)方塊圖。 圖5永磁式交流伺服電機驅動器的系統(tǒng)方塊圖。 圖6電流控制式脈寬調變換流器系統(tǒng)方塊圖 圖7直流 電機的等效電路要掌握伺服電機的動態(tài)響應，則必須先建立其動態(tài)數(shù)學模型，在此

11、可先以直流伺服電機的數(shù)學模型來說明。圖7所示為一直流伺服電機的等效電路，在此忽略因旋轉產生 的摩擦力，其動態(tài)方程式可表示為(13) (14)將(13)、(14)式經由拉普拉斯轉換(Laplace Transform)可得(15)(16)由(15)、(16)式，直流伺服電機的方塊圖如圖8所示。 圖8直流伺服電機的系統(tǒng)方塊圖永磁式交流伺服電機的電流控制回路與直流伺服類似，其系統(tǒng)等效電路方塊圖如圖9所示。其中Ra、 La分別為各相電樞線圈 的等效電阻與電感。Ki 為電流回接增益，Kp為誤差放大增益。參考電流經由相移位器(phase shifter) 產生三相參

12、考電流、。再經由電流回路調節(jié)電樞 的電流，其結構與直流伺服電機類似，系統(tǒng)方塊圖因而可簡化為如圖10所示的結構。圖中虛線所示部份為永磁交流伺服電機的等效方塊圖。 圖9永磁式交流伺服 電機控制系統(tǒng)方塊圖 圖10簡化的永磁式交流伺服 電機方塊圖圖11所示為一典型的永磁交流伺服驅動系統(tǒng)方塊圖，其回路補償器的設計 ，動態(tài)響應的分析與仿真均與直流伺服電機驅動系統(tǒng)相同，唯一需要特別注意的即為相位同步器的設計。圖11永磁式交流伺服驅動器系統(tǒng)方塊圖。4.交流感應伺服電機的工作原理對感應電機而言，由三相交流電源在定子造成的旋轉磁場與轉子的感應磁場交互作用，產生扭矩使轉子旋轉。交流電機的轉速與造

13、成旋轉磁場電源的振幅、頻率有關，頻率愈高，則轉速愈快，但轉速增加時 ，由轉子造成的反抗電動勢(back emf)亦隨的增加，因而降低了產生的扭矩，所以必須提高電壓，保持定值的氣隙磁通量(air-gap flux)，在忽略因定子線圈電阻所造成 的降壓的情況，可維持一固定的電壓/頻率比，以達成此一目的。傳統(tǒng)上交流感應電機的變速控制，由變頻器以開路控制(open-loop control)方式達成，如圖12所示 ，變頻器的功能即在于將直流電源轉換為交流電源，以提供電機的變速控制。由于開路控制方式無法對電機因參數(shù)變化與負載波動等因素所造成的轉速變化提供閉路補償，因而無法達到準確的轉速控制 ，同時在低速

14、控制范圍，因無法有效補償定子電阻電壓降，因此速度控制范圍有限，僅能應用于低精度的變速控制場合。 圖12交流 電機換流器開路驅動系統(tǒng)。由于工業(yè)應用上對于交流感應電機速度控制精度要求的提高，因而發(fā)展出了各種型式的閉路控制(closed-loop control)系統(tǒng)。其中最重要的即為一種稱 的為磁場向量控制(field-oriented vector control)的方式，在下一節(jié)將對此一控制方式加以說明 ，現(xiàn)在先對鼠籠式感應電機扭矩產生的過程作一說明。圖13三相二極鼠籠式交流感應電機的結構圖13所示為一理想的三相二極鼠籠式感應電機，定子各相的線圈均以同心方式環(huán)繞，各相的電阻電感亦平均

15、分怖。定子由三相交流電源造成一旋轉磁場，經由變壓器作用，在轉子形成感應電流，此感應電流與定子旋轉磁場切割產生扭矩 ，使得轉子旋轉。假設由電機的非正弦波分布繞線與非正弦波的電流所造成的諧波效應(harmonic effect)可忽略不計，則交流電流在定子與轉子間的氣隙(air-gap)造成一正弦波分布的旋轉磁場，其同步轉速(synchronous speed)可表式為(17)其中Ne為每分鐘轉速(rpm)，fe為定子電源頻率(hertz)，P為電機的極數(shù) 。就交流電機而言，經由氣隙磁通量(air-gap flux)與轉子磁動力(rotor magnetomotive force)的交互作用而產生

16、扭矩 ，其過程如圖14所示。 圖14交流感應 電機的扭矩產生原理當電機以同步轉速旋轉時，轉子無法經由感應作用而產生扭矩，在其它轉速時，同步轉速與轉子轉速的差定義為滑差(slip)，滑差比(slip ratio)則定義為 (18)Nr為轉子的每分鐘轉速(rpm)，e、r與st 分別為定子、 轉子與滑差的旋轉角頻率(angular frequency)。氣隙磁通量(air-gap flux)相對于轉子以滑差st 的轉速旋轉，因而在轉子感應出滑差頻率電壓 (slip frequency voltage)，進而在轉子形成滑差頻率電流(slip frequency

17、 current)。圖14中正弦氣隙磁通波以e 的角頻率旋轉，在轉子產生感應電壓如圖中垂直線所示。轉子感應電流落后于轉子感應電壓的角度定義為轉子功率因子角r(rotor power factor angle)。圖14(c)中由轉子感應電流所造成 的梯狀轉子磁動勢(rotor mmf)，可用虛線正弦波近似，由于轉子的圓形結構，因此轉子感應電流與其所造成的轉子磁動勢有一90的相位差。因為轉子以r的角頻率旋轉 ，而轉子電流相對于轉子以st 的速度旋轉，因此轉子磁動勢與氣隙磁通量均以同步轉速旋轉。轉子每極的表面積(pole surface area)Ap可表示為(19)由氣隙磁通與

18、轉子磁動勢的交互作用，所產生的扭矩可表示為(20)其中P為電機的極數(shù)，L為轉子的長度，R為半徑，Bm為氣隙磁通密度的峰值，F(xiàn)m為轉子磁動勢 的峰值，r 為轉子功率因子角。(20)亦可表示為:(21)其中為單極氣隙磁通量(air-gap flux)的峰值，為轉子電流的峰值。5.磁場向量控制原理磁場向量控制法可應用于同步電機或感應電機的電壓源或電流源換流器的伺服驅動系統(tǒng)。其基本觀念在于將定子的三相電流向量經由坐標轉換成為兩等效且互相垂直 的分量，其一相當于磁場電流(magnetizing current)，另一則相當于扭矩電流(torque current)，磁場向量控制法即在于控制定子三相電流 的大小、 頻率與