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1、電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 第 三 十 三 講 ： 伺 服 電 動 機1.概 述概 念 、 分 類 及 特 點 伺 服 電 動 機 又 稱 執(zhí) 行 電 動 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 。分 為 直 流 和 交 流 伺 服 電 動 機 兩 大類 ， 交 流 伺 服 電 動 機 又 分 為 異 步伺 服 電 動 機 和 同 步 伺 服 電 動 機 。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 第 三 十 三 講 ： 伺 服 電 動 機1.概

2、 述概 念 、 分 類 及 特 點無論是伺服還是調(diào)速領(lǐng)域，目前交流系統(tǒng)正在逐漸代替直流系統(tǒng)。與直梳伺服電機相比，交流伺服電機具有高可靠性、散熱好、轉(zhuǎn)動慣量小、能工作于高壓狀態(tài)下等優(yōu)點。因為無電刷和換向器，故交流伺服系統(tǒng)也稱為無刷伺服系統(tǒng)，用于其中的電機是無 刷結(jié)構(gòu)的籠型異步電機和永磁同步型電機。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 第 三 十 三 講 ： 伺 服 電 動 機1.概 述概 念 、 分 類 及 特 點 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 概 念 、 分 類 及 特 點特 點 ： (1)調(diào) 速 范 圍 寬 ， 改 變 控 制 電 壓 ， 要 求 伺 服 電 動 機的

3、轉(zhuǎn) 速 在 寬 廣 的 范 圍 內(nèi) 連 續(xù) 調(diào) 節(jié) ； (2)機 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特性 為 線 性 ， 線 性 的 機 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性 有 利 于 提 高 控 制系 統(tǒng) 的 精 度 ； (3)無 “ 自 轉(zhuǎn) ” 現(xiàn) 象 ， 伺 服 電 動 機 在 控 制 電壓 消 失 后 ， 應(yīng) 立 即 停 轉(zhuǎn) ； (4)動 態(tài) 響 應(yīng) 快 ， 伺 服 電 動 機 的機 電 時 間 常 數(shù) 要 小 ， 而 它 的 堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 要 大 ， 轉(zhuǎn) 動 慣 量 要小 小 ， 改 變 控 制 電 壓 時 電 機 的 轉(zhuǎn) 速 能 快 速 響 應(yīng) 。第 三 十 三 講 ： 伺 服 電 動 機1.

4、概 述 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機2.直 流 伺 服 電 動 機 傳 統(tǒng) 型 直 流 伺 服 電 動 機 ： 結(jié) 構(gòu) 形 式 與 普 通 直 流 電 動 機 相 同 ，只 是 它 的 容 量 和 體 積 要 小 的 多 。 低 慣 量 直 流 伺 服 電 動 機1） 空 心 杯 形 轉(zhuǎn) 子外 磁 場 式 ： 外 定 子 由 永 久 磁 鋼 制 成 或通 常 的 電 磁 式 結(jié) 構(gòu) ， 內(nèi) 定 子 由 軟 磁 材料 制 成 ， 空 心 杯 電 樞 可 以 采 用 印 制 繞組 ， 也 可 采 用 環(huán) 氧 樹 脂 固 化 先 行 繞 制的 成 型 繞 組 。 內(nèi)

5、 磁 場 式 ： 內(nèi) 定 子 采 用 永 久 磁 鋼 ， 外定 子 采 用 軟 磁 材 料 的 結(jié) 構(gòu) 。類 型 及 結(jié) 構(gòu) 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 低 慣 量 直 流 伺 服 電 動 機2） 盤 式 電 樞 轉(zhuǎn) 子 ： 定 子 由 永 久 磁 鋼 和 前 后 軟 磁 鐵 組 成 ， 磁 鋼 放 置 在 圓 盤的 一 側(cè) ， 并 產(chǎn) 生 軸 向 磁 場 ， 一 般 制 成 6、 8、 10極 電 機 ； 電 樞 繞 組 可 以 是繞 線 式 繞 組 或 印 制 繞 組 。 伺 服 電 動 機2.直 流 伺 服 電 動 機類 型 及 結(jié) 構(gòu) 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電

6、 子 系 伺 服 電 動 機2.直 流 伺 服 電 動 機控 制 方 法 電 樞 控 制 ： 通 過 改 變 電 樞 電 壓 來 控 制 電 機 轉(zhuǎn) 速 。1） 機 械 特 性 （ Ua=常 數(shù) 時 ， n=f(Te)）2） 調(diào) 節(jié) 特 性 （ TL=常 數(shù) 時 ， n=f(Ua)） 當(dāng) 電 機 的 控 制 電 壓 大 于 相 應(yīng) 的 始 動電 壓 ， 伺 服 電 動 機 便 能 起 動 并 在 一 定 的 轉(zhuǎn) 速 下 運 行 。 磁 極 控 制 ： 用 調(diào) 節(jié) 磁 通 來 控 制 電 機 轉(zhuǎn) 速 。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電

7、 動 機結(jié) 構(gòu) 及 特 點交流異步伺服電動機結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)的交流伺服電機是指兩相伺服電機，有籠型轉(zhuǎn)子和杯型轉(zhuǎn)子兩種。 定子鐵心中安放著空間互成90o電角度的兩相繞組，其中一相作為勵磁繞組，運行時接至電壓為Uf的交流電源上；另一相作為控制繞組，輸入控制電壓Uc，電壓Uc和Uf的頻率相同。 轉(zhuǎn)子通常有兩種型式：高電阻率導(dǎo)條的籠式轉(zhuǎn)子、非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子。 1）高電阻率導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子：結(jié)構(gòu)與普通鼠籠式異步電動機類似，但為了減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，做的細而長。導(dǎo)條及端環(huán)可用高電阻率的導(dǎo)電材料（黃銅、青銅等），也可用鑄鋁轉(zhuǎn)子。國產(chǎn)的SL系列就采用這種結(jié)構(gòu)形式。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 2）非

8、磁性空心杯形轉(zhuǎn)子：定子分外定子鐵心和內(nèi)定子鐵心兩部分，由硅鋼片沖制后疊成。外定子鐵心槽中放置空間相距90電角度的兩相分布繞組。內(nèi)定子鐵心中不放繞組，僅作為磁路的一部分，以減小主磁通磁路的磁阻?？招谋D(zhuǎn)子用非磁性鋁或鋁合金制成，放在內(nèi)、外定子鐵心之間，并固定在轉(zhuǎn)軸上。 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機結(jié) 構(gòu) 及 特 點 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機結(jié) 構(gòu) 及 特 點特點：異步伺服電動機與普通異步電動機的重要區(qū)別之一是轉(zhuǎn)子電阻大。其目的是：1）為了增大異步伺服電動機的調(diào)速范圍并滿足機械特性更接近于線性的

9、要求。2）防止出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機結(jié) 構(gòu) 及 特 點2）防止出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象:兩相異步伺服電動機在取消控制電壓（Uc=0）后，便成為單相異步電動機運行，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小，在電動機運行的轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，0s1,T1T2,合成的Te=T1 - T20，只要TL Tem,電機轉(zhuǎn)子將一直運轉(zhuǎn)，并不會因為控制電壓的消失而停轉(zhuǎn)，這就是“自轉(zhuǎn)”，在自控系統(tǒng)中是絕不允許出現(xiàn)的。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻足夠大，正序磁場產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率Sm11，電機的Tem在電動機運行范圍內(nèi)均為負值，即

10、Te 0，如圖（c），在某一控制電壓下，電機帶有一定負載穩(wěn)定運行，當(dāng)控制電壓消失，勵磁繞組所產(chǎn)生的Tem為一制動轉(zhuǎn)矩而使電機迅速停轉(zhuǎn)。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機控 制 方 式1）幅值控制：保持勵磁電壓的幅值和相位不變，通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，而Uc與Uf之間始終保持90度電角度相位差。當(dāng)Uc=0時，電機停轉(zhuǎn)；當(dāng)控制電壓反相時，電機反轉(zhuǎn)。交流異步伺服電動機運行時，勵磁繞組接至電壓值恒定的勵磁電源，而控制 繞組所加的控制電壓Uc是變化的，一般來說得到的是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，由此產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。若改變控

11、制電壓的大小或改變它相對于勵磁電壓之間的相位差，就能改變氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度，從而改變電磁轉(zhuǎn)矩。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機控 制 方 式2）相位控制：保持控制電壓的幅值不變，通過調(diào)節(jié)控制電壓的相位，即改變控制電壓相對勵磁電壓的相位角，實現(xiàn)對電機的控制。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機控 制 方 式3）幅值-相位控制（或稱電容控制）：將勵磁繞組串聯(lián)電容C后，接到勵磁電源上，調(diào)節(jié)控制電壓的幅值來改變電動機的轉(zhuǎn)速時，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，勵磁回路中的電

12、流If也發(fā)生變化，使Uf及Uca也隨之改變。也就是說，控制電壓Uc和Uf的大小及它們之間的相位角也 都跟著改變。是一種較常用的控制方式。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機控 制 方 式4）雙相控制：勵磁繞組與控制繞組間的相位差固定為90度電角度，而勵磁繞組電壓的幅值隨控制電壓的改變而同樣改變。也就是說，不論控制電壓的大小如何，伺服電機始終在圓形旋轉(zhuǎn)磁場下工作，獲得的輸出功率和效率最大。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機機 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性信號系數(shù)

13、=Uc/Uf=Uc/U 1；從圖中看出，幅值控制時異步伺服電動機的機械特性是一組曲線。只有當(dāng)有效信號系數(shù)e=1,即圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，異步伺服電動機的理想空載轉(zhuǎn)速才是同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)有效信號系數(shù)e1，即橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，電機的理想空載轉(zhuǎn)速將低于同步轉(zhuǎn)速。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機3.交 流 異 步 伺 服 電 動 機機 械 特 性 和 調(diào) 節(jié) 特 性 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)伺 服 控 制 技 術(shù) 基 礎(chǔ)伺服控制技術(shù)中常遇到的概念 1）閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制：位置指令表示要求伺服電動機驅(qū)動的機構(gòu)

14、所期望的目標(biāo)值，未知的實際值由位置傳感器來檢測。如果位置檢測器能直接檢測出運動機構(gòu)的位置，并把位置信息反饋到控制部分，控制電機帶動負載向目標(biāo)位置移動，這樣的閉環(huán)控制在工程上常稱為全閉環(huán)控制；如果位置檢測器安裝在伺服電動機的軸上，通過檢測電動機軸的角位移，間接地反映出運動機械的實際位置，這種方式構(gòu)成的閉環(huán)控制，通常稱為半閉環(huán)控制。2）控制精度：輸出量跟蹤控制指令的過渡過程結(jié)束后進入穩(wěn)態(tài)，在輸出 量與控制指令間所具有的恒定偏差，就是控制精度的量度。3）響應(yīng)特性：系統(tǒng)跟蹤指令的速度，一般稱之為系統(tǒng)的響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)的響應(yīng)很快時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將變差，甚至可能產(chǎn)生震蕩。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電

15、子 系 伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 現(xiàn)代的交流伺服電機多為三相，有交流永磁伺服電機和交流異步伺服電機兩種。后者在結(jié)構(gòu)和原理上與一般的異步電動機相似，只是考慮到伺服技術(shù)的特點，要進行特殊的設(shè)計，由于相對效率較低，發(fā)熱較高，加上體積較大，故使用場合越來越少。前者由于效率和體積方面的優(yōu)勢，已成為伺服技術(shù)的主流在中小功率的場合，一般采用永磁同步型電機，在伺服系統(tǒng)中一般稱之為永磁交流伺服電機。在系統(tǒng)中，按照不同的驅(qū)動方式，即根據(jù)電機繞組中的電流波形，把交流永磁伺服電機分為永磁方波伺服電機和永磁正弦波伺服電機。方波電流驅(qū)動的交流伺服電機實際上就是無刷 直流電機，國外一般稱為BLD

16、CM。永磁正弦波伺服電機一般稱作PMSM。這里主要介紹正弦波電流驅(qū)動的交流伺服電機?，F(xiàn) 代 交 流 伺 服 電 機 的 分 類 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系交流永磁同步伺服系統(tǒng)主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如下圖所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。 伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)伺 服 系 統(tǒng) 的 控 制 形 式控

17、制方式：從被控制量來說，伺服控制形式主要有：轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、速度伺服和位置伺服。1）轉(zhuǎn)矩控制/電流控制：有些負載，例如螺栓緊固機構(gòu)，只需要伺服電機提供必要的緊固力，并根據(jù)所需緊固力的大小來決定電機的轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)矩限制，而對電機的速度和位置沒有要求。這種情況一般采用轉(zhuǎn)矩控制形式。由于在伺服系統(tǒng)中，電動機的永磁轉(zhuǎn)子磁極位置通過位置傳感器測量出來，并以此作為電流控制的依據(jù)，實現(xiàn)矢量控制。2）速度伺服：在速度伺服控制中，要求對電機在各種運行狀態(tài)下的速度加以控制，以滿足負載的工作要求，這是應(yīng)用范圍很廣的倚重控制形式。通常采用比例積分控制。3）位置伺服：從位置伺服控制的定位要求來看，最好是將位置傳感器

18、直接安 裝在要定位的機械上，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，但在實際應(yīng)用中多采用半閉環(huán)控制方式，通過測量電機軸的轉(zhuǎn)角，來間接測量負載的實際位移，從而實現(xiàn)位置伺服控制。目前應(yīng)用較為普遍的位置傳感器有各類編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)伺 服 系 統(tǒng) 的 控 制 形 式模擬控制與數(shù)字控制：確定了控制形式之后，就提出了如何實現(xiàn)控制要求，從控制信號的形式來分有模擬控制和數(shù)字控制兩種。1）模擬控制：控制系統(tǒng)的信號是連續(xù)變化的，控制作用也是連續(xù)發(fā)生并連續(xù)作用到被控對象。優(yōu)點：對控制信號響應(yīng)很快、系統(tǒng)內(nèi)部和輸出狀態(tài)及變化容易用儀器儀表觀察

19、； 缺點：系統(tǒng)調(diào)整困難一致性較差、容易產(chǎn)生漂移、系統(tǒng)缺乏柔性，缺乏復(fù)雜的計算能力。2）數(shù)字控制：控制信號是離散化的，其控制作用是離散進行的。有時在一個伺服系統(tǒng)中，兼用連續(xù)和離散兩種信號形式，組成混合式伺服控制。 優(yōu)點：由于用數(shù)字信號傳送信息，所以不易受溫度影響；容易實現(xiàn)與上位機通訊；具有復(fù)雜的計算能力，系統(tǒng)具有較高的柔性。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 的 矢 量 控 制伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)與系統(tǒng)中的電機相對應(yīng)，永磁交流伺服系統(tǒng)可分為永磁方波交流伺服系統(tǒng)和永磁正弦波交流伺服系統(tǒng)。作為伺服電動機，系統(tǒng)要求電機的電磁轉(zhuǎn)矩

20、與輸入轉(zhuǎn)矩指令信號必須是線性關(guān)系，通過矢量控制可以得到交流永磁電機的這種線性關(guān)系數(shù)學(xué)模型。1）向量（矢量）控制實際上是對電動機定子電流向量相位和幅值的控制?？刹捎玫目刂品椒ㄓ卸喾N，其中Id=0的控制最為簡單，且調(diào)速性能好。2）當(dāng)永磁體的勵磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電機的轉(zhuǎn)矩就取決于定子電流的空間向量I s,而Is的大小和相位又取決于Id和iq，也就是說控制Id和iq便可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于一定的Id和Iq，通過這兩個電流的控制，使實際的Id和iq跟蹤指令值Id和Iq ，便實現(xiàn)了電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 交 流 永 磁 伺 服

21、系 統(tǒng) 的 矢 量 控 制伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)3）對于永磁同步電機來說，它和直流電動機一樣具有兩個相互獨立的磁通勢，它們之間的夾角隨負載的變化而變化。如果能保證定、轉(zhuǎn)子兩個磁通勢總是正交，那么就能夠具有優(yōu)良的控制品質(zhì)。 可以通過向量控制法，通過外加的位置檢測器，將定子電樞電流控制在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的交軸上，即電樞電流僅有q軸電流分量而沒有d軸交流分量，使得電樞電流始終保持超前于磁通勢90度電角度，這就是交流永磁伺服電動機轉(zhuǎn)子磁極定向式向量控制方法。4）向量控制的永磁同步電機的反電勢和相電流頻率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定，正弦相電流是由電路強制產(chǎn)生并使得相電流與該相反電勢同相，

22、它是通過檢測轉(zhuǎn)子相對與定子的絕對位置，并由控制系統(tǒng)的電流換來實現(xiàn)。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 交 流 永 磁 伺 服 電 機 的 向 量 控 制 原 理 的 實 現(xiàn) 方 法伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)一般的速度伺服控制系統(tǒng)是由速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，類似直流調(diào)速系統(tǒng)。速度指令和速度反饋信號經(jīng)比較之后通過速度控制輸出轉(zhuǎn)矩指令Tm，而Tm與電流幅值指令I(lǐng)q成比例， Iq與電流反饋Iq在電流環(huán)里進行電流調(diào)節(jié)， Iq是實際電流IU、 IV 、IW （ IV由IU+ IV+ IW =0得到）反饋后經(jīng)3/2變換得到的交軸分量，再將電流調(diào)節(jié)器的輸出和磁極位置檢測得到

23、的 r送入SPWM調(diào)制部分，得到6路輸出控制脈沖，經(jīng)隔離驅(qū)動后送到逆變器，逆變器的輸出電流送到電機的定子繞組，實現(xiàn)對電機繞組的電流控制。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系交 流 永 磁 伺 服 電 機 伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)系統(tǒng)中的交流永磁伺服電機實際上是一臺機組，一般有下列各部分組成：交流永磁伺服電機本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和速度傳感器，如系統(tǒng)有位置要求時還應(yīng)有提供位置環(huán)反饋信息的位置傳感器。為了保 護電機，很多伺服電機的繞組中都埋入溫度傳感器。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 交 流 永 磁 伺 服 電 機伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁

24、 伺 服 系 統(tǒng)1）交流永磁伺服電機本體：主要由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，在轉(zhuǎn)子上裝有特殊性能的永磁體（采用稀土永磁材料），用以產(chǎn)生恒定磁場。在電機定子鐵心上的三相電樞繞組，接在驅(qū)動控制器的逆變器的輸出部分。2）傳感器：為了對轉(zhuǎn)子磁極定向，首先必須有轉(zhuǎn)子位置檢測器，以此為依據(jù)實現(xiàn)矢量控制；為了檢測電機的實際運行速度，通常需加裝速度傳感器，它和位置傳感器一起安裝在電機的非負載端。實際上，檢測電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速 度、磁極位置和系統(tǒng)的閉環(huán)的位置這三種信號可由一個編碼器或一個旋轉(zhuǎn)變壓器來完成。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動 器伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)

25、伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊。如右圖所示功率板（驅(qū)動板）是強電部分，其中包括兩個單元，一是功率驅(qū)動單元IPM用于電機的驅(qū)動，二是開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源； 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動 器伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)控制板是弱電部分，是電機的控制核心也是伺服驅(qū)動器技術(shù)核心控制算法的運行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應(yīng)的算法輸出PWM信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動 器伺 服 電 動

26、機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)1）功率驅(qū)動單元：功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。 逆變部分（DC-AC）采用的功率器件集驅(qū)動電路，保護電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)，主要拓撲結(jié)構(gòu)是采用了三相橋式電路原理圖見后圖，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即PWM(Pulse Width Modulation)通過改變功率晶體管交替

27、導(dǎo)通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率,改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時間比,也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大 小以達到調(diào)節(jié)功率的目的。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動 器伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)SPWM的調(diào)試原理是使逆變器的輸出脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，改變調(diào)制波的頻率和幅值即可調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動 器伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)2） 控制單元 ：控制單

28、元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心,實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制。所采用的數(shù)字信號處理器(DSP)除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時計數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲器等。伺服驅(qū)動器通過采用磁場定向的控制原理( FOC) 和坐標(biāo)變換,實現(xiàn)矢量控制(VC) ,同時結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制模式對電機進行控制 。永磁同步電動機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機的控制方法相似，可

29、以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實際位置就可以得知電機轉(zhuǎn)子的 磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動 器伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)伺服驅(qū)動器控制交流永磁伺服電機( PMSM)伺服驅(qū)動器在控制交流永磁伺服電機時,可分別工作在電流(轉(zhuǎn)矩) 、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 驅(qū) 動 器伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 由于交流永磁伺服

30、電機(PMSM) 采用的是永久磁鐵勵磁,其磁場可以視為是恒定，同時交流永磁伺服電機的電機轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速即其轉(zhuǎn)差為零，這些條件使得交流伺服驅(qū)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機時的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖中可以看出,系統(tǒng)是基于測量電機的兩相電流反饋( la、lb) 和電機位置。將測得的相電流(la 、lb ) 結(jié)合位置信息,經(jīng)坐標(biāo)變化(從a ,b ,c 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d ,q 坐標(biāo)系) ,得到 ld,lq 分量,分別進入各自的電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標(biāo)變化(從d ,q 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a ,b ,c 坐標(biāo)系) ,得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令,經(jīng)過反向、延時后,得

31、到6 路PWM 波輸出到功率器件,控制電機運行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下,指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器,得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中,d ,q 軸的轉(zhuǎn)矩電流分量( l q)是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下,磁通分量為零( ld= 0) ，但是當(dāng)速度大于限定值時,可以通過弱磁( ld 0) ,得到更高的速度值。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 編 碼 器伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)編碼器（encoder）是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺。按照

32、讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式采用電刷輸出，以電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”，通過“”和“”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機器碼可讀取的電 信號用以通訊、傳輸和儲存。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 編 碼 器伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置

33、對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系按 鍵 功 能 1 選 擇 伺 服 模 式 。為 數(shù) 值 的 減 量 (-1)。 選 擇 伺 服 模 式 。為 數(shù) 值 的 增 量 (+1)。切 換 模 式 (MODE)。刪 除 (ESC)。 將 設(shè) 定 位 向 右 側(cè) 移 位 (SHIFT)。確 定 模 式 與 數(shù) 值 (ENT)。確 定 的 時 候 要 按 住 此 鍵 1秒 以 上 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系模

34、 式 的 選 擇 2順 序 監(jiān) 控 模 式監(jiān) 控 模 式參 數(shù) 編 集 模 式試 運 行 模 式 通 電 選 擇 子 模 式 顯 示 實 例模 式 選 擇 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系參 數(shù) 調(diào) 整 3 ENT(1秒 以 上 )ESC ENT(1秒 以 上 )ESCENT(1秒 以 上 )ESCENT(1秒 以 上 )ESC采 用 參 數(shù) 編 集 模 式 ， 可 以 進 行 參 數(shù) 的 編 集 。按 下 MODE鍵 ， 顯 示 ， 按 ENT鍵 (1秒 以上 )， 對 參 數(shù) 編 集 進 行 選

35、擇 。選 擇 參 數(shù) 編 集 以 后 ， 再 選 擇 由 鍵 或 鍵 進 行 編集 的 參 數(shù) 號 。按 ENT鍵 可 以 編 集 其 內(nèi) 容 。 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 操 作 實 例 4 為 順 序 模 式 的 顯 示 實 例 。返 回 模 式 選 擇 。選 擇 參 數(shù) 模 式 。顯 示 參 數(shù) 號 。選 擇 參 數(shù) 33號 。顯 示 33號 的 設(shè) 定 內(nèi) 容 。 H側(cè) (上 位 3位 )的 最 上位 閃 亮 。 (顯 示 初 始 值 1000.0的 上 位 2位 )(1秒 以 上 ) 顯 示鍵 操 作 備 注閃 亮(1秒 以 上 ) 接 下 頁 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng) 電 機 與 拖 動 電 氣 與 電 子 系 伺 服 參 數(shù) 調(diào) 整 方 法 減 少 數(shù) 值 成 為 0。顯 示 L側(cè) (下 位 4位 )。 移 動 到 編 集 的 位 上 。數(shù) 值 設(shè) 為 1。確 定 變 更 后 的 數(shù) 值 。如 進 行 確 定 ， 直 接 保 留 其 顯 示 。顯 示鍵 操 作 備 注閃 亮(1秒 以 上 ) 閃 亮閃 亮閃 亮 操 作 實 例 4 伺 服 電 動 機4.交 流 永 磁 伺 服 系 統(tǒng)