伺服電機技術及其應用復習課程

伺服電機技術(jìshù)及應用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手的馴服工具，完全按照你的指令要求來實現任何動作(dòngzuò)。伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統中，用作執(zhí)行元件，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。伺服電機強調精確的速度控制、位置控制、轉矩控制。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，結構(jiégòu)簡單。但是需要維護，產生電磁干擾典型伺服驅動系統第二頁，共40頁。一、伺服電機的起源(qǐyuán)及分類火星探路者上應用了39個直流伺服電機，包括6個輪子上的驅動馬達。NASA起初預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據。

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模谔罩?，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用的是一個無刷直流馬達（提供驅動動力）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電動機。2.2同步型交流伺服電機轉子有永磁和非永磁之分。目前最具廣泛應用和發(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。在伺服電機的應用領域里，永磁同步伺服系統已經逐漸取代直流伺服系統

第五頁，共40頁。二、武漢直驅機電-產品(chǎnpǐn)說明特別需要說明的是，對于我們的產品，無須過分強調伺服1.應用與伺服電機是有差異的伺服電機強調精確的位置控制、速度控制、轉矩控制。即強調伺服特性。從我們目前的產品及今后可看到的市場應用，均不強調伺服特性，是以提供驅動動力(dònglì)為主，關注效率、節(jié)能、可靠性、體積、重量等要素。2.伺服電機產業(yè)的弊病伺服電機集中于傳統高端應用，市場很狹小。而且早已被很多傳統廠家所瓜分。國內“專門”做伺服電機的，沒有一個能成長為大公司，產值能做到幾千萬就很不錯了，而且國內的伺服電機產品，從來都是低端產品的代名詞。第六頁，共40頁。二、武漢直驅機電(jīdiàn)-產品說明反過來看，驅動動力應用的永磁同步電機市場巨大在永磁同步驅動系統的應用領域里，在最近五六年時間里，從無到有，從小到大，冒出了很多產值達到五、六個億的生產廠家，如沈陽藍光、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)做永磁同步驅動系統，我們是有可能做得過國外，比如現在的永磁同步曳引機，國內的發(fā)展水平遠遠好于國外。所以，對于我們的產品，不需要過度強調伺服電機，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，與傳統感應電機類似，轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成旋轉磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，轉動速度滿足公式60f/p的約束，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行(jìnxíng)比較，調整各項參數.永磁同步電機電流為正弦波波形，180度導通PWM控制第八頁，共40頁。四、永磁同步(tóngbù)伺服電機基本結構以下分別為兩種轉子形式(xíngshì)的永磁同步伺服電機剖面結構切向式轉子(zhuànzǐ)結構表貼式轉子結構第九頁，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,采用全數字控制方法,以永磁同步電機為控制對象的全數字交流驅動系統正在逐漸取代以直流電機為控制對象的直流驅動系統和采用模擬控制技術的模擬式交流驅動系統。全數字交流驅動系統采用矢量控制方法,可實現優(yōu)良的控制品質。利用高速DSP可實現對永磁同步電機運行的位置、速度和電機電樞電流（轉矩）的控制。矢量控制的基礎是兩次坐標(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生磁通的勵磁(lìcí)電流分量Id和產生轉矩的轉矩電流分量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(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)，全部是能夠產生轉矩的電流，其轉子磁場永遠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)結構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.冷卻風機7.顯示及調整按鈕部分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域。產品形式包括高速、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.永磁同步電機設計技術及工藝的快速發(fā)展各種研究永磁同步技術的文章占據了各專業(yè)期刊的主流位置，從設計技術上來說，國內并不亞于國外。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。稀土在國內外價格(jiàgé)的差異甚至會導致設計人員在設計思路上的不同，老外習慣于設計較薄的磁鋼，而國內設計人員選擇設計較厚的磁鋼，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用戶要購買和使用(shǐyòng)的是一個系統，變頻器和電機是鳥之兩翼，缺一不可。永磁同步電機產業(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，在電梯領域里，它幾乎有全面取代感應電機之勢。在這一領域里，出現了一批快速成長壯大的企業(yè)，如沈陽藍光、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，他們的產值幾乎從零開始，現在都達到了五、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)展武漢直驅機電-必須牢牢把握的兩類產品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研來看，目前國內還很少有以上兩類產品，這兩類電機在設計上、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品，但其轉矩多是峰值轉矩，而且是水冷，這使其設計轉矩并沒有(méiyǒu)標稱的那么大，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、武漢直驅機電技術有限公司產品(chǎnpǐn)介紹公司產品分為低速大扭矩直驅電機、常規(guī)永磁同步伺服電機兩大系列。功率范圍從13.5kW到900kW，轉速范圍從30RPM到3000RPM，轉矩范圍從100Nm到60000Nm。伺服電機由電機定子、轉子(zhuànzǐ)、結構件、反饋元件、冷卻系統等各部分組成，電機均使用釹鐵硼強磁材料，采用正弦波磁路設計。根據使用場合的不同，反饋元件有采用旋轉變壓器、編碼器、霍爾等，也有采用無傳感器方式。

低速大扭矩直驅電機，去掉了傳統傳動系統中的減速機構，改為直接驅動客戶負載，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計，電機轉速一般在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?；?jīyú)多領域分析與仿真的永磁同步電機系統優(yōu)化設計十一、武漢直驅機電-先進的設計和分析(fēnxī)手段第十九頁，共40頁。對于永磁同步伺服電機，在多領域擁有先進的設計和分析方法和手段：公司擁有基于多領域分析與仿真的開發(fā)手段，對電機及控制系統進行應力場分析，電磁場分析和溫度場分析及仿真。確保開發(fā)出來的電機及驅動系統的最優(yōu)化，同時最大限度的縮短設計和開發(fā)周期(zhōuqī)，在最短的周期(zhōuqī)內提供給客戶最好的產品。十一、武漢直驅機電-先進(xiānjìn)的設計和分析手段第二十頁，共40頁。應力場分析(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（FOS）為60.8倍，最大應力為每平米4070000牛，最大位移為5微米。分析(fēnxī)結果顯示止口設計是一個安全的設計。具有足夠的強度確保在重載之下不會出任何問題。十一、武漢直驅機電-先進(xiānjìn)的設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：從電磁場分析的結果，可以看出磁路設計是否正確，磁密分布是否合理，電機(diànjī)的反電勢和效率等關鍵指標是否最優(yōu)化十一、武漢直驅機電-先進的設計和分析(fēnxī)手段第二十二頁，共40頁。電機溫度場分析及仿真(fǎnɡzhēn)：聯合電磁場分析的結果，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、武漢直驅機電-先進的設計(shèjì)和分析手段第二十三頁，共40頁。十二、永磁同步交流(jiāoliú)伺服電機的應用-抽油機直驅塔式抽油機1.直接驅動，去掉減速環(huán)節(jié)(huánjié)，可靠性高。2.旋轉電機設計，電機除需定期補充潤滑脂外，無需其他維護。3.系統效率高，節(jié)能顯著。4.良好的系統可調節(jié)性。第二十四頁，共40頁。十三、永磁同步交流(jiāoliú)伺服電機的應用-頂驅鉆機控制(kòngzhì)房第二十五頁，共40頁。十三、永磁同步(tóngbù)交流伺服電機的應用-頂驅鉆機第二十六頁，共40頁。十三、永磁同步交流伺服電機的應用(yìngyòng)-頂驅鉆機第二十七頁，共40頁。十四、永磁同步交流伺服電機的應用(yìngyòng)-磕頭機改造項目以節(jié)能為目的直接替換原有感應電機，數量(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)交流伺服電機的應用-曳引機系列一個從無到有的市場(shìchǎng)，已經發(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用-電動汽車第三十三頁，共40頁。十八、傳統交流感應(gǎnyìng)電機結構傳統的交流感應電機(diànjī)可分為鼠籠式和繞線式兩種。鼠籠式轉子的異步電動機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用。繞線式三相異步電動機的轉子和定子一樣也設置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調節(jié)變阻器電阻可以改善電動機的起動性能和調節(jié)電動機的轉速。

第三十四頁，共40頁。十九、傳統交流(jiāoliú)感應電機運行原理簡介當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，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組是閉合通路），載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，從而在電機轉軸上形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，并且電機旋轉方向(fāngxiàng)與旋轉磁場方向(fāngxiàng)相同。

第三十五頁，共40頁。二十、交流感應電機變頻系統(xìtǒng)VS永磁同步驅動系統(xìtǒng)感應電機+變頻器Vs永磁同步（伺服）電機+變頻器：1.由于不需要從電網吸收無功電流，轉子上既無銅耗又無鐵耗，所以(suǒyǐ)永磁同步電機在很寬的負載范圍內能保持接近于1的功率因素，而感應電機的功率因素較低，尤其在負載較小的情況下。2.永磁同步電機效率比同容量的感應電機效率高，同時高效區(qū)寬廣。3.永磁同步電動機的功率密度遠比感應電機高4.感應電機低速運轉時轉矩變小，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逼近交流感應電機。其性能又是感應電機+變頻器的組合無法超越的。第三十六頁，共40頁。二十、交流感應電機變頻系統VS永磁同步(tóngbù)驅動系統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