歌控技术及籍爱 第九讲交流阁服驱动拉制 主讲陈德道
第九讲 交流伺服驱动控制 主讲 陈德道
第四节交流同服驱动控制 交流同服电动机的分类 交流局服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为永磁 同步式、永磁直流无刷式、感应（或称异步）式、磁阻同步 式交流同服电动机。 1、感应武交流伺服电机 感应式交流伺服电机，其转子电流由滑差电势产生，并与 磁场相耳作用产生转矩，其主要优点是无刷，结构坚画、造 价低、免维护，对环境要求低，其主磁通用激磁电流汁生， 很容易实现弱磁控制，高转速可以达到4~5倍的额定转速；缺 点是需要激磁电流，内功率因数低，效率较低，转子散热困 难，要求较大的伺服驱动器容量，电机的电磁关系复杂，要 实现电机的磁通与转矩的控制比较困难，电机非线性参数的 变化影响控制精度，必须进行参数在线辨识才能达到较好的 控制效果 日示 一页 后退 出
第四节 交流伺服驱动控制 一．交流伺服电动机的分类 交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为永磁 同步式、永磁直流无刷式、感应（或称异步）式、磁阻同步 式交流伺服电动机。 1、感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机，其转子电流由滑差电势产生，并与 磁场相互作用产生转矩，其主要优点是无刷，结构坚固、造 价低、免维护，对环境要求低，其主磁通用激磁电流产生， 很容易实现弱磁控制，高转速可以达到4~5倍的额定转速；缺 点是需要激磁电流，内功率因数低，效率较低，转子散热困 难，要求较大的伺服驱动器容量，电机的电磁关系复杂，要 实现电机的磁通与转矩的控制比较困难，电机非线性参数的 变化影响控制精度，必须进行参数在线辨识才能达到较好的 控制效果
第四节交流同服驱动控制 2、永阿陟交流伺服电机 永磁同步交流伺服电机，气隙磁场由稀 土永磁体产生，转矩控制由调节电枢的电流 实现，转矩的控制较感应电机简单，并能 达到载高的控制精度；转子无铜、铁损耗小， 效率庸、内功率因数高，也具有无刷免维护 的特束，体积和惯量小，快速性好：在控制 上需要轴位置传感器，以便识别气隙磁场的 位置：价格较感应电机责。 主页 目录 上一页 下一页 后退 出
第四节 交流伺服驱动控制 2、永磁同步交流伺服电机 永磁同步交流伺服电机，气隙磁场由稀 土永磁体产生，转矩控制由调节电枢的电流 实现，转矩的控制较感应电机简单，并且能 达到较高的控制精度；转子无铜、铁损耗小， 效率高、内功率因数高，也具有无刷免维护 的特点，体积和惯量小，快速性好；在控制 上需要轴位置传感器，以便识别气隙磁场的 位置；价格较感应电机贵
第四节交流间服驱动控制 ☒无法显示该图片 图永磁交流同步伺服电机结构 1一定子；2一转子；3一脉冲编码器： 4一定十三相绕组：5一接线盒 永磁交流同步伺服电机工作原理图 目录 一页 一页 后退 退出
第四节 交流伺服驱动控制 图 永磁交流同步伺服电机结构 1—定子；2—转子；3一脉冲编码器； 4—定子三相绕组；5一接线盒 永磁交流同步伺服电机工作原理图
第四节交流间服驱动控制 3、无刷直流伺服电机 无刷直流伺服电机，其结构与永磁同步伺服电机 相同，借助较简单的位置传感器（如霍耳磁敏开关） 的信号，控制电枢绕组的换向，控制最为简单由于 每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组 的数目通常只采用三相，相当于只有三个换向片的直 流电机，因此运行时电机的脉动转矩大，造成速度的 脉动，需要采用速度闭环才能运行于较低转速，该电 机的气隙磁通为方波分布，可降低电机制造成本。有 时，将无刷直流伺服系统与同步交流伺服混为谈， 外表上很难区分，实际土两者的控制性能是有较大差 别的。 主页。 目录 上一页 下一页 后退 退出
第四节 交流伺服驱动控制 3、无刷直流伺服电机 无刷直流伺服电机，其结构与永磁同步伺服电机 相同，借助较简单的位置传感器（如霍耳磁敏开关） 的信号，控制电枢绕组的换向，控制最为简单；由于 每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组 的数目通常只采用三相，相当于只有三个换向片的直 流电机，因此运行时电机的脉动转矩大，造成速度的 脉动，需要采用速度闭环才能运行于较低转速，该电 机的气隙磁通为方波分布，可降低电机制造成本。有 时，将无刷直流伺服系统与同步交流伺服混为一谈， 外表上很难区分，实际上两者的控制性能是有较大差 别的
第四节交流间服驱动控制 4、磁同涉交流伺服电机 磁阻同步交流伺服电机，转子磁路具有不对称的 磁阻特性，无永磁体或绕组，也不产生损耗：其气隙 磁场由定子电流的激磁分量产生，定子电流的转矩分 量则产生电磁转矩；内功率因数较低，要求较大的伺 服驱动器容量，也具有无刷、免维护的特点；并克服 了永磁同步电机弱磁控制效果差的缺点，可实现弱磁 控制，速度控制范围可达到0.1rpm~10000rpm, 也兼 有永磁同步电机控制简单的优点，但需要轴位置传感 器，价格较永磁同步电机便宜，但体积较大些。 后退 出
第四节 交流伺服驱动控制 4、磁阻同步交流伺服电机 磁阻同步交流伺服电机，转子磁路具有不对称的 磁阻特性，无永磁体或绕组，也不产生损耗；其气隙 磁场由定子电流的激磁分量产生，定子电流的转矩分 量则产生电磁转矩；内功率因数较低，要求较大的伺 服驱动器容量，也具有无刷、免维护的特点；并克服 了永磁同步电机弱磁控制效果差的缺点，可实现弱磁 控制，速度控制范围可达到0.1rpm~10000rpm，也兼 有永磁同步电机控制简单的优点，但需要轴位置传感 器，价格较永磁同步电机便宜，但体积较大些
第四节交流间服驱动控制 交流同服电动机的工作原理 1、永磁直流死刷伺服电动机的工作原理 三相永磁直流无刷伺服电动机工作原理如图所示，它是由一台三相 永磁步进电动机，功率逻辑开关单元和转子位置传感器组成。位置传感 器采用三只光电器件VP1、VP2、VP3,均匀分布，相差120°，电动机 轴上的旋转遮光板，使从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上。 由于此时光电器件VP1被照射，从而使功率晶体管V1呈导通状态，电流 流入A相绕组，该绕组电流产生定子磁势Fs与转子磁势Fm作用产生的 转矩使转子顺时针方向转动如图()所示。当转子磁极转到图(b)所示的 位置时，转子轴上的旋转遮光板遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体 管V1截止、晶体管V2导通，电流流入绕组B,使得转子磁极继续顺时针 方向转动。当转子磁极转至图（©）所示的位置时，旋转遮光板遮碓VP2, 使VP3被光照射，导致晶体管V2截止、晶体管V3导通，因而电流流入绕 组C,于是驱动转子继续顺时针方向旋转，并重新回到图()，V心P3被遮 住，VP1被照射，导致晶体管V3截止，晶体管V1导通，开始新一轮的通 电循环，转子便能顺时针地继续旋转。 主页 目录 上一页 下一页 后退 出
第四节 交流伺服驱动控制 1、永磁直流无刷伺服电动机的工作原理 三相永磁直流无刷伺服电动机工作原理如图所示，它是由一台三相 永磁步进电动机，功率逻辑开关单元和转子位置传感器组成。位置传感 器采用三只光电器件VP1、VP2、VP3，均匀分布，相差120°，电动机 轴上的旋转遮光板，使从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上。 由于此时光电器件VP1被照射，从而使功率晶体管V1呈导通状态，电流 流入A相绕组，该绕组电流产生定子磁势Fs与转子磁势Fm作用后产生的 转矩使转子顺时针方向转动如图(a)所示。当转子磁极转到图(b)所示的 位置时，转子轴上的旋转遮光板遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体 管V1截止、晶体管V2导通，电流流入绕组B，使得转子磁极继续顺时针 方向转动。当转子磁极转至图(c)所示的位置时，旋转遮光板遮住VP2， 使VP3被光照射，导致晶体管V2截止、晶体管V3导通，因而电流流入绕 组C，于是驱动转子继续顺时针方向旋转，并重新回到图(a)，VP3被遮 住，VP1被照射，导致晶体管V3截止，晶体管V1导通，开始新一轮的通 电循环，转子便能顺时针地继续旋转。 二．交流伺服电动机的工作原理
第四节交流间服驱动控制 ☒无法显示该国片 图4-20三相永磁直流无刷电动机 (b) 图4-21开天顺序及定子磁场旋转示 页 目录 一页 一页 后退 退出
第四节 交流伺服驱动控制 图4-20三相永磁直流无刷电动机 工作原理 A A’ B B’ C C’ N S VP1 VP2 VP3 V1 V2 V3 + - ． + 图 4-21 开关顺序及定子磁场旋转示 意图 A A’ N S Fm Fs n B B’ （a） N S Fm Fs n C C’ N S Fm Fs n （b） （c） ． ． ． + + +
第四节交流同服驱动控制 2、永磁同步式交流伺服电动机的工作原理 交流同熱头无刷、响应快、过载能力强等优点，已全面替代了直流 驱动。交流同服电机则以永磁同步电动机更具响应快、控制简单耐被广泛地应 用。永磁同步式交流伺服电动机的定子绕组对称Y接的三相绕组，当通以对称 三相电流时，定子的合成磁场s为一旋转磁场，其幅值不变，空间的相位角与 电流某时刻的相位角有关。例如当A相电流达到正最大值时，Fs的相位角与A 相绕组轴线重合，如图所示。若电流相序为A一B一C时，Fs磁场将以逆时针方 向旋转。电动机的转子由稀土永磁材料制成，产生转子磁场，和相事作用产生 电磁转矩，其方向趋于使Fs与FR重合，即产生逆时针方向的转矩小M,该转矩 正比于乘积，若，则转矩正比于的乘积。 在电磁转矩TM的作用下，转子逆时针方向转动，由驱动控制器读取转子 位置传感器PS的值，给出转子磁场FR的移动量△R,用以控制定子三相电流 值，也即凶变三相电流相位，使其合成磁场Fs沿转子旋转方向，出移动相同的 角度，即△0s=△0R,以保持0sR=π2不变，实现TM不变。电磁转柜TM的大小 则通过控制三相由流的幅值M来实现。即控制Es的大小。当需要转子反方向 旋转时，改变三相电流的方向，使其合成磁场Fs改变180°，成为Fs',电磁 转矩TM也改变了方向，对转子起制动作用，当速度达到零后，转子将反方向 加速至运行转速 主页。 目录 上一页 下一页 后退 退出
第四节 交流伺服驱动控制 2、永磁同步式交流伺服电动机的工作原理 交流伺服驱动因其无刷、响应快、过载能力强等优点，已全面替代了直流 驱动。交流伺服电机则以永磁同步电动机更具响应快、控制简单而被广泛地应 用。永磁同步式交流伺服电动机的定子绕组对称Y接的三相绕组，当通以对称 三相电流时，定子的合成磁场Fs为一旋转磁场，其幅值不变，空间的相位角与 电流某时刻的相位角有关。例如当A相电流达到正最大值时，Fs的相位角与A 相绕组轴线重合，如图所示。若电流相序为A—B—C时，Fs磁场将以逆时针方 向旋转。电动机的转子由稀土永磁材料制成，产生转子磁场,和相互作用产生 电磁转矩，其方向趋于使Fs与FR重合，即产生逆时针方向的转矩TM，该转矩 正比于乘积，若，则转矩正比于的乘积。 在电磁转矩TM的作用下，转子逆时针方向转动，由驱动控制器读取转子 位置传感器PS的值，给出转子磁场FR的移动量△θR，用以控制定子三相电流 值，也即改变三相电流相位，使其合成磁场Fs沿转子旋转方向，也移动相同的 角度，即△θs=△θR，以保持θsR=π/2不变，实现TM不变。电磁转矩TM的大小 则通过控制三相电流的幅值IM来实现。即控制Fs的大小。当需要转子反方向 旋转时，改变三相电流的方向，使其合成磁场Fs 改变180°，成为Fs’，电磁 转矩TM也改变了方向，对转子起制动作用，当速度达到零后，转子将反方向 加速至运行转速
第四节交流间服驱动控制 A,⊕ ☒无法显示该图片 T AFR N SR Fs B S PS) 图4-23永磁同步电动机结构原理 主页 目录 上一页 下一页 后退 退出
第四节 交流伺服驱动控制 S N 图4-23 永磁同步电动机结构原理