伺服電機技術(shù)及其應(yīng)用復(fù)習(xí)課程

伺服電機技術(shù)(jìshù)及應(yīng)用AcServoMotorTechnologyandApplication第一頁，共40頁。一、伺服電機的起源(qǐyuán)及分類“伺服”一詞源于希臘語，我們希望它是一個得心應(yīng)手的馴服工具，完全按照你的指令要求來實現(xiàn)任何動作(dòngzuò)。伺服電機又稱執(zhí)行電機，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(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機強調(diào)精確的速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制。有幾個閉環(huán)控制。

伺服電機分為交流伺服電機及直流伺服電機兩大類1.直流伺服電機1.1有刷直流伺服電機：有碳刷裝置，成本低，結(jié)構(gòu)(jiégòu)簡單。但是需要維護，產(chǎn)生電磁干擾典型伺服驅(qū)動系統(tǒng)第二頁，共40頁。一、伺服電機的起源(qǐyuán)及分類火星探路者上應(yīng)用了39個直流伺服電機，包括6個輪子上的驅(qū)動馬達。NASA起初預(yù)計這兩個機器人只能工作(gōngzuò)三個月，但五年過去了，這六輪的車輛還在繼續(xù)繞火星旅行，并一直在向地球回傳激動人心的數(shù)據(jù)。

可清晰(qīngxī)看見的碳刷第三頁，共40頁。一、伺服電機的起源(qǐyuán)及分類1.2無刷直流伺服電機(diànjī)：顧名思義沒有碳刷裝置。無刷直流伺服電機(diànjī)去掉了碳刷裝置，使用電子換向，實現(xiàn)了電機(diànjī)免維護，電磁干擾小。壽命更長。我們的神五神六上面用的都是無刷直流伺服電機(diànjī)。原因并不是

我們比美國更先進，而是說我們沒有(méiyǒu)辦法解決在太空環(huán)境中碳刷的可靠性，所以只好使用無刷直流伺服電機來代替有刷電機?？煽啃允窍鄬Φ?，在太空中，帶著一個電子換向裝置的無刷直流伺服電機可靠性毫無疑問比不上不帶電子換向的有刷直流伺服電機。

鋰電池的電動自行車應(yīng)用的是一個無刷直流馬達（提供驅(qū)動動力）第四頁，共40頁。一、伺服電機的起源(qǐyuán)及分類2.交流伺服電機2.1異步型交流伺服電動機指的是交流感應(yīng)電動機。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式感應(yīng)電動機。2.2同步型交流伺服電機轉(zhuǎn)子有永磁和非永磁之分。目前最具廣泛應(yīng)用和發(fā)展前景的是永磁同步交流伺服電機。永磁同步交流伺服電機，定子上一般是三相繞組，轉(zhuǎn)子上是永磁體，電機一般帶反饋元件，形成閉環(huán)控制。我們(wǒmen)通常所說的交流伺服電機，一般就是指永磁同步伺服電機。在伺服電機的應(yīng)用領(lǐng)域里，永磁同步伺服系統(tǒng)已經(jīng)逐漸取代直流伺服系統(tǒng)

第五頁，共40頁。二、武漢直驅(qū)機電-產(chǎn)品(chǎnpǐn)說明特別需要說明的是，對于我們的產(chǎn)品，無須過分強調(diào)伺服1.應(yīng)用與伺服電機是有差異的伺服電機強調(diào)精確的位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。即強調(diào)伺服特性。從我們目前的產(chǎn)品及今后可看到的市場應(yīng)用，均不強調(diào)伺服特性，是以提供驅(qū)動動力(dònglì)為主，關(guān)注效率、節(jié)能、可靠性、體積、重量等要素。2.伺服電機產(chǎn)業(yè)的弊病伺服電機集中于傳統(tǒng)高端應(yīng)用，市場很狹小。而且早已被很多傳統(tǒng)廠家所瓜分。國內(nèi)“專門”做伺服電機的，沒有一個能成長為大公司，產(chǎn)值能做到幾千萬就很不錯了，而且國內(nèi)的伺服電機產(chǎn)品，從來都是低端產(chǎn)品的代名詞。第六頁，共40頁。二、武漢直驅(qū)機電(jīdiàn)-產(chǎn)品說明反過來看，驅(qū)動動力應(yīng)用的永磁同步電機市場巨大在永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域里，在最近五六年時間里，從無到有，從小到大，冒出了很多產(chǎn)值達到五、六個億的生產(chǎn)廠家，如沈陽藍(lán)光、順德KDS、寧波興達、常熟曳引機廠、西子富沃德等公司。他們的產(chǎn)品都是永磁同步電機，但沒有叫交流伺服電機的。做伺服電機坦率的說我們是做不過國外的，但是(dànshì)做永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)，我們是有可能做得過國外，比如現(xiàn)在的永磁同步曳引機，國內(nèi)的發(fā)展水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于國外。所以，對于我們的產(chǎn)品，不需要過度強調(diào)伺服電機，叫永磁同步電機更為合適。以下，兼顧各種看法，均簡稱(jiǎnchēng)永磁同步（伺服）電機(PMSM)第七頁，共40頁。三、永磁同步(tóngbù)（伺服）電機(PMSM)基本原理永磁同步電機定子是三相繞組，與傳統(tǒng)感應(yīng)電機類似，轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度滿足公式60f/p的約束，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行(jìnxíng)比較，調(diào)整各項參數(shù).永磁同步電機電流為正弦波波形，180度導(dǎo)通PWM控制第八頁，共40頁。四、永磁同步(tóngbù)伺服電機基本結(jié)構(gòu)以下分別為兩種轉(zhuǎn)子形式(xíngshì)的永磁同步伺服電機剖面結(jié)構(gòu)切向式轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)結(jié)構(gòu)表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)第九頁，共40頁。五、永磁同步電機控制方法(fāngfǎ)及理論-矢量控制矢量控制-目前最流行的控制方法近年來,采用全數(shù)字控制方法,以永磁同步電機為控制對象的全數(shù)字交流驅(qū)動系統(tǒng)正在逐漸取代以直流電機為控制對象的直流驅(qū)動系統(tǒng)和采用模擬控制技術(shù)的模擬式交流驅(qū)動系統(tǒng)。全數(shù)字交流驅(qū)動系統(tǒng)采用矢量控制方法,可實現(xiàn)優(yōu)良的控制品質(zhì)。利用高速DSP可實現(xiàn)對永磁同步電機運行的位置、速度和電機電樞電流（轉(zhuǎn)矩）的控制。矢量控制的基礎(chǔ)是兩次坐標(biāo)(zuòbiāo)變換第十頁，共40頁。五、永磁同步電機控制方法(fāngfǎ)及理論-矢量控制Clarke變換從靜止三相到靜止兩相，原則(yuánzé)是磁場等效Park變換從靜止兩相到運動兩相將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁(lìcí)電流分量Id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量Iq，并使兩分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)。

第十一頁，共40頁。六、永磁同步電機控制策略同一個永磁同步電機，矢量控制時在采取不同的控制策略的情況下，表現(xiàn)(biǎoxiàn)出的性能有一定的差別。永磁同步電機工作時的等效電路，可以得到電勢平衡關(guān)系。Id=0的控制策略D軸電流為0，繞組中的電流沒有去磁分量(fènliàng)，全部是能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流，其轉(zhuǎn)子磁場永遠(yuǎn)垂直定子磁場第十二頁，共40頁。七、永磁同步(tóngbù)伺服電機控制器框圖第十三頁，共40頁。八、永磁同步伺服電機控制器（變頻器）基本(jīběn)結(jié)構(gòu)分布變頻器通常有以下幾部分組成：1.控制板（含DSP處理器）2.驅(qū)動板3.功率模塊高壓通常為IGBT模塊，低壓很多為MOS,將功率器件(qìjiàn)封裝起來，同時模塊上有很多保護功能，如過溫保護、過流保護等4.接口板（各種接口）5.冷卻底板（模塊安裝底板）6.冷卻風(fēng)機7.顯示及調(diào)整按鈕部分8.殼體第十四頁，共40頁。九、永磁同步(tóngbù)伺服電機的快速發(fā)展進入本世紀(jì)以來，永磁同步電機在中國獲得了飛速發(fā)展，包括電梯電機、工業(yè)控制電機、節(jié)能高效電機等廣泛領(lǐng)域。產(chǎn)品形式包括高速、低速大扭矩（DDR）各種范圍。不論是高速、低速（DDR）永磁同步電機的快速發(fā)展，都有共同的原因是基于以下三個因素：1.永磁同步電機設(shè)計技術(shù)及工藝的快速發(fā)展各種研究永磁同步技術(shù)的文章占據(jù)了各專業(yè)期刊的主流位置，從設(shè)計技術(shù)上來說，國內(nèi)并不亞于國外。2.磁性材料釹鐵硼防止氧化及高溫特性問題的解決，材料成本的大幅下降。這是國內(nèi)最具優(yōu)勢的地方，而且隨著國家政策收緊稀土出口，這個優(yōu)勢會越來越大。稀土在國內(nèi)外價格(jiàgé)的差異甚至?xí)?dǎo)致設(shè)計人員在設(shè)計思路上的不同，老外習(xí)慣于設(shè)計較薄的磁鋼，而國內(nèi)設(shè)計人員選擇設(shè)計較厚的磁鋼，少用漆包線的也很多，因為較厚的磁鋼對于防止退磁方面也有一定的好處。第十五頁，共40頁。九、永磁同步(tóngbù)（伺服）電機的快速發(fā)展3.可靠、價格便宜的永磁同步通用變頻器的出現(xiàn)用戶要購買和使用(shǐyòng)的是一個系統(tǒng)，變頻器和電機是鳥之兩翼，缺一不可。永磁同步電機產(chǎn)業(yè)化的代表是永磁同步曳引機，從全球來說，曳引機在中國的發(fā)展最好，在電梯領(lǐng)域里，它幾乎有全面取代感應(yīng)電機之勢。在這一領(lǐng)域里，出現(xiàn)了一批快速成長壯大的企業(yè)，如沈陽藍(lán)光、順德KDS、寧波欣達、常熟曳引機廠、西子富沃德等。短短幾年時間，他們的產(chǎn)值幾乎從零開始，現(xiàn)在都達到了五、六個億的規(guī)模。足以說明中國這個市場的發(fā)展多么迅猛。中國稀土材料及制造費用的低廉，是我們發(fā)展永磁同步伺服電機的巨大優(yōu)勢。第十六頁，共40頁。九、永磁同步(tóngbù)（伺服）電機的快速發(fā)展武漢直驅(qū)機電-必須牢牢把握的兩類產(chǎn)品1.低速大扭矩永磁同步電機（DDR電機）2.大功率永磁同步電機基于我們對市場的了解以及公司進行的一些市場調(diào)研來看，目前國內(nèi)還很少有以上兩類產(chǎn)品，這兩類電機在設(shè)計上、工藝上、制造上均存在較高的進入門檻。如DDR電機，國際上有少量的類似產(chǎn)品，但其轉(zhuǎn)矩多是峰值轉(zhuǎn)矩，而且是水冷，這使其設(shè)計轉(zhuǎn)矩并沒有(méiyǒu)標(biāo)稱的那么大，而且其偏重于精確的速度及位置控制、動態(tài)性能等,即伺服特性，與我們的產(chǎn)品注重效率及節(jié)能并不一樣，兩者有不同的市場和需求。第十七頁，共40頁。十、武漢直驅(qū)機電技術(shù)有限公司產(chǎn)品(chǎnpǐn)介紹公司產(chǎn)品分為低速大扭矩直驅(qū)電機、常規(guī)永磁同步伺服電機兩大系列。功率范圍從13.5kW到900kW，轉(zhuǎn)速范圍從30RPM到3000RPM，轉(zhuǎn)矩范圍從100Nm到60000Nm。伺服電機由電機定子、轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)、結(jié)構(gòu)件、反饋元件、冷卻系統(tǒng)等各部分組成，電機均使用釹鐵硼強磁材料，采用正弦波磁路設(shè)計。根據(jù)使用場合的不同，反饋元件有采用旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器、霍爾等，也有采用無傳感器方式。

低速大扭矩直驅(qū)電機，去掉了傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)中的減速機構(gòu)，改為直接驅(qū)動客戶負(fù)載，是永磁同步電機發(fā)展(fāzhǎn)的方向之一，該電機一般采用多極設(shè)計，電機轉(zhuǎn)速一般在500RPM以下。常規(guī)永磁同步伺服電機，在Y系列的機座號上設(shè)計，可以直接替代用戶原有使用的異步電機系列，降低用戶的替代成本。第十八頁，共40頁。基于(jīyú)多領(lǐng)域分析與仿真的永磁同步電機系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計十一、武漢直驅(qū)機電-先進的設(shè)計和分析(fēnxī)手段第十九頁，共40頁。對于永磁同步伺服電機，在多領(lǐng)域擁有先進的設(shè)計和分析方法和手段：公司擁有基于多領(lǐng)域分析與仿真的開發(fā)手段，對電機及控制系統(tǒng)進行應(yīng)力場分析，電磁場分析和溫度場分析及仿真。確保開發(fā)出來的電機及驅(qū)動系統(tǒng)的最優(yōu)化，同時最大限度的縮短設(shè)計和開發(fā)周期(zhōuqī)，在最短的周期(zhōuqī)內(nèi)提供給客戶最好的產(chǎn)品。十一、武漢直驅(qū)機電-先進(xiānjìn)的設(shè)計和分析手段第二十頁，共40頁。應(yīng)力場分析(fēnxī)：以下是一個鑄鋼的前端蓋，在殼體承重之下，端蓋止口的最低安全系數(shù)（FOS）為60.8倍，最大應(yīng)力為每平米4070000牛，最大位移為5微米。分析(fēnxī)結(jié)果顯示止口設(shè)計是一個安全的設(shè)計。具有足夠的強度確保在重載之下不會出任何問題。十一、武漢直驅(qū)機電-先進(xiānjìn)的設(shè)計和分析手段第二十一頁，共40頁。電磁場有限元分析及仿真：從電磁場分析的結(jié)果，可以看出磁路設(shè)計是否正確，磁密分布是否合理，電機(diànjī)的反電勢和效率等關(guān)鍵指標(biāo)是否最優(yōu)化十一、武漢直驅(qū)機電-先進的設(shè)計和分析(fēnxī)手段第二十二頁，共40頁。電機溫度場分析及仿真(fǎnɡzhēn)：聯(lián)合電磁場分析的結(jié)果，對電機的溫度場進行初步的仿真(fǎnɡzhēn)分析，可以觀察到，特定情況下電機的發(fā)熱情況。十一、武漢直驅(qū)機電-先進的設(shè)計(shèjì)和分析手段第二十三頁，共40頁。十二、永磁同步交流(jiāoliú)伺服電機的應(yīng)用-抽油機直驅(qū)塔式抽油機1.直接驅(qū)動，去掉減速環(huán)節(jié)(huánjié)，可靠性高。2.旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計，電機除需定期補充潤滑脂外，無需其他維護。3.系統(tǒng)效率高，節(jié)能顯著。4.良好的系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性。第二十四頁，共40頁。十三、永磁同步交流(jiāoliú)伺服電機的應(yīng)用-頂驅(qū)鉆機控制(kòngzhì)房第二十五頁，共40頁。十三、永磁同步(tóngbù)交流伺服電機的應(yīng)用-頂驅(qū)鉆機第二十六頁，共40頁。十三、永磁同步交流伺服電機的應(yīng)用(yìngyòng)-頂驅(qū)鉆機第二十七頁，共40頁。十四、永磁同步交流伺服電機的應(yīng)用(yìngyòng)-磕頭機改造項目以節(jié)能為目的直接替換原有感應(yīng)電機，數(shù)量(shùliàng)巨大第二十八頁，共40頁。十五、永磁同步交流伺服電機的應(yīng)用(yìngyòng)-螺桿泵項目第二十九頁，共40頁。十六、永磁同步(tóngbù)交流伺服電機的應(yīng)用-曳引機系列一個從無到有的市場(shìchǎng)，已經(jīng)發(fā)展非常之好第三十頁，共40頁。十七(shíqī)、永磁同步伺服電機的應(yīng)用-電動汽車世界石油供需(ɡònɡxū)缺口第三十一頁，共40頁。十七、永磁同步(tóngbù)伺服電機的應(yīng)用-電動汽車第三十二頁，共40頁。十七(shíqī)、永磁同步伺服電機的應(yīng)用-電動汽車第三十三頁，共40頁。十八、傳統(tǒng)交流感應(yīng)(gǎnyìng)電機結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的交流感應(yīng)電機(diànjī)可分為鼠籠式和繞線式兩種。鼠籠式轉(zhuǎn)子的異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用。繞線式三相異步電動機的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設(shè)置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動機的起動性能和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。

第三十四頁，共40頁。十九、傳統(tǒng)交流(jiāoliú)感應(yīng)電機運行原理簡介當(dāng)電動機的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向(fāngxiàng)與旋轉(zhuǎn)磁場方向(fāngxiàng)相同。

第三十五頁，共40頁。二十、交流感應(yīng)電機變頻系統(tǒng)(xìtǒng)VS永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)(xìtǒng)感應(yīng)電機+變頻器Vs永磁同步（伺服）電機+變頻器：1.由于不需要從電網(wǎng)吸收無功電流，轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以(suǒyǐ)永磁同步電機在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持接近于1的功率因素，而感應(yīng)電機的功率因素較低，尤其在負(fù)載較小的情況下。2.永磁同步電機效率比同容量的感應(yīng)電機效率高，同時高效區(qū)寬廣。3.永磁同步電動機的功率密度遠(yuǎn)比感應(yīng)電機高4.感應(yīng)電機低速運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩變小，發(fā)熱厲害。而永磁同步電機沒有此問題。5.永磁同步電機的控制精度高。而中國豐富的稀土資源使永磁同步電機價格已經(jīng)逼近交流感應(yīng)電機。其性能又是感應(yīng)電機+變頻器的組合無法超越的。第三十六頁，共40頁。二十、交流感應(yīng)電機變頻系統(tǒng)VS永磁同步(tóngbù)驅(qū)動系統(tǒng)一臺注塑機永磁同步伺服電機在運行(yùnxíng)時的功率曲線兩臺注塑機的測試時間均為一個小時，注塑循環(huán)周期為19.0s，其中冷卻時間為3s，托模進退停頓時間為2秒。通過電度表實際