控制电机(第四版)第9章 永磁交流伺服电动机
《电机控制》PPT课件(2024版)
整理ppt
18
4.实验参考程序
/**************************************************************************
* 控制步进电机快速前进200步，降低速度再前进50步，再次降低速度前进5步，然后停止。
* 停止一段时间后，控制步进电机以相反的步调退回原地。
int
main (void)
{
uint32 i;
uint8 Direction=0,Speed=3;
PINSEL1 = PINSEL1 & 0x0FFFFFFF;
// 设置P0.30为GPIO功能，输入
IO0DIR = IO0DIR & 0xBFFFFFFF;
// 设置P0.21为PWM功能，通过控制PWM的占空比从而控制直流电机的速度
U
U
效t
t
8
1．PWM（Pulse Width Modulation）脉冲调宽式
一个PWM周期
20％占空比 一个PWM周期
50％占空比
2．PFM（Pulse Frequency Modulation）脉冲调频式
1个脉冲
25％占空比 2个脉冲
50％占空比
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9
1.2 控制电路--驱动部分
PINSEL1 = PINSEL1 | 0x00000400;
//设置P1.21为GPIO，输出。通过控制P1.21的电平从而控制直流电机的方向
IO1DIR = IO1DIR | (1<<21);
ZLDJ_SET(Direction,Speed);
//电机以最快速度正转
while(1)
伺服电动机
伺服电动机认知1．永磁交流伺服系统概述现代高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。
(1)交流伺服电动机的工作原理伺服电机内部的转子是永久磁铁，驱动器控制的u／V／W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电动机的精度决定于编码器的精度(线数)。
伺服驱动器控制交流永磁伺服电动机(PMSM)时，可分别工作在电流(转矩)、速度、位置控制方式下。
系统的控制结构框图如图7-17所示。
系统基于测量电机的两相电流反馈(Ia、Ib)和电机位置。
将测得的相电流(Ia、Ib)结合位置信息，经坐标变化(从a，b，c坐标系转换到转子d，q坐标系)，得到Ia、Ib分量，分别进入各自的电流调节器。
电流调节器的输出经过反向坐标变化(从d，q坐标系转换到a，b，c坐标系)，得到三相电压指令。
控制芯片通过这三相电压指令，经过反向、延时后，得到6路PWM波输出到功率器件，控制电机运行。
伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。
功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。
智能功率模块(IPM)的主要拓扑结构是采用了三相桥式电路，原理图如图7-18所示。
利用了脉宽调制技术(Pulse width Modulation，PWM)，通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时问比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小以达到调节功率的目的。
关于图7-17中的矢量控制原理，此处不予讨论。
交流伺服电动机的原理及三种转速控制方式
交流伺服电动机的原理及三种转速控制方式交流伺服电机的定子装有三相对称的绕组，而转子是永久磁极。
当定子的绕组中通过三相电源后，定子与转子之间必然产生一个旋转场。
这个旋转磁场的转速称为同步转速。
电机的转速也就是磁场的转速。
由于转子有磁极，所以在极低频率下也能旋转运行。
所以它比异步电机的调速范围更宽。
而与直流伺服电机相比，它没有机械换向器，特别是它没有了碳刷，完全排除了换向时产生火花对机槭造成的磨损，另外交流伺服电机自带一个编码器。
可以随时将电机运行的情况“报告”给驱动器，驱动器又根据得到的11报告"更精确的控制电机的运行。
由此可见交流伺服电机优点确实很多。
可是技术含量也高了，价格也高了。
最重要是对交流伺服电机的调试技术提高了。
也就是电机虽好，如果调试不好一样是问题多多。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与H标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件。
其作用为把接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度，按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。
下面简单介绍交流伺服电动机有以下三种转速控制方式：(1)幅值控制控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变，改变控制电压的大小。
(2)相位控制控制电压与励磁电压的大小，保持额定值不变，改变控制电压的相位。
(3)幅值一相位控制同时改变控制电压幅值和相位.交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变。
伺服电机结构及工作原理
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一、交流伺服电动机
1．基本结构
交流伺服电动机主要由 定子和转子构成。
定子铁心通常用硅钢片
叠压而成。定子铁心表面的
槽内嵌有两相绕组，其中一
相绕组是励磁绕组，另一相
绕组是控制绕组，两相绕组
在空间位置上互差90°电角
度。工作时励磁绕组f与交流
励磁电源相连，控制绕组k加
控制信号电压 。
（1）幅值控制 保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅 改变控制电压的幅值。
（2）相位控制 保持控制电压的幅值不变，仅改变控制电压与 励磁电压间的相位差。
（3）幅-相控制 同时改变控制电压的幅值和相位。
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二、直流伺服电动机
1．基本结构ຫໍສະໝຸດ 传统的直流伺服电动机动实质是容量较小的
普通直流电动机，有他励式和永磁式两种，其结 构与普通直流电动机的结构基本相同。
4、快速响应性好
5、调速范围宽
调速范围：是指机械装置要求电动机能提供的最高转速
和最低转速的比值
6、系统可靠性好
20271/、10/1低0 速大转矩
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二、伺服系统的分类
1、按伺服系统调节理论分类 ① 开环伺服系统
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② 闭环伺服系统
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③ 半闭环伺服系统
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U k
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1、结构(永磁同步电机) 主要由：定子1、转子5和检测元件8等几部分组成。
1 2
3
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1
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2．工作原理
交流伺服电动机在没有控制电压时，气隙中 只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动 转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流 和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个 旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的 方向旋转。但是对伺服电动机要求不仅是在控制 电压作用下就能启动，且电压消失后电动机应能 立即停转。如果伺服电动机控制电压消失后像一 般单相异步电动机那样继续转动，则出现失控现 象，我们把这种因失控而自行旋转的现象称为自 转。
李发海电机与拖动基础第四版第九章
图 9.15 等效磁极
9.4 同步电动机功率因数的调节
9.4.1 同步电动机功率因数的调节 同步电动机在电源电压 U 、频率 f 不变，其有功负载保持常数 时，改变其励磁电流，就能调节它的功率因数。 忽略空载转矩，同步机负载不变，可认为是电磁转矩不变，即
将 、 、 分别在绕组中的感应电动势表示为 、 和
，根据图 9.6给定的各电量正方向可立出 A 相回路的电压方
程式为
（9-1）
式中， 是定子绕组的一相电阻， 是定子绕组的一相电抗。
由于磁路线性， 为纵轴
电枢反应电抗，对同一台电机都是数。
把式（9-2）、式（9-3）代入式（9-1）
与最大电磁转矩 分别为：
9.3.5 稳定运行
1. 当电动机在 θ
范围内拖动负载见图 9.14（a），在
角时，电磁转矩与负载转矩相平衡即
，
当负载增到 时，转子减速使 θ 角增至 ，与其对应的电磁转矩
为 ，若此时
则电机继续同步运行。而当负载又恢复到
图 9.14 同步电动机的稳定运行
时，电动机的 θ又恢复到 ，
9.5（b）中，将 单独在主磁路里产生的磁通称横轴电枢磁通
画在图 9.5（c）中，两者都以同步速逆时针旋转。
图 9.5 纵轴与横轴磁通势及磁通
电枢磁通势 的大小为 纵轴磁通势 可写成 横轴磁通势 可写成
由于三相对称，只取其一相，则与纵轴和横轴对应的电流可
分别表示成 与 ，根据关系式
可得：
9.2.3 凸极同步电动机电压平衡方程式
式中第一项时主要的，为励磁功率，
即
，见图 9.12 曲线 1,。
交流永磁伺服电机知知识点总结
交流永磁伺服电机是一种广泛应用于现代工业和自动化领域的重要设备。
以下是对交流永磁伺服电机的一些主要知识点的总结：
1.工作原理：交流永磁伺服电机的工作原理基于磁场与电流之间的相互作用。
通过控制电机的电流，可以改变电机的磁场，进而控制电机的转动。
2.结构：交流永磁伺服电机主要由定子、转子和控制器组成。
定子包含一个或多个绕组，用于产生励磁磁场。
转子通常由永磁体构成，用于产生转矩。
控制器负责控制电机的电流和电压，以实现电机的精确控制。
3.控制方式：交流永磁伺服电机可以通过开环或闭环控制方式进行控制。
开环控制通过给定电压或电流控制电机的转速和位置，而闭环控制则通过反馈信号与设定值比较，实现电机的精确控制。
4.优点：交流永磁伺服电机具有高效率、高精度、高响应速度等优点。
此外，由于其采用永磁体作为转子，因此具有较高的扭矩密度和较低的维护成本。
5.应用领域：交流永磁伺服电机广泛应用于机床、机器人、电力电子、航空航天等领域。
在这些领域中，交流永磁伺服电机被用于精确控制机器的运动和位置，实现高效、精准的生产和加工。
以上是对交流永磁伺服电机的一些主要知识点的总结。
在实际应用中，需要根据具体的应用场景和需求选择合适的交流永磁伺服电机，并进行合理的配置和控制。
永磁交流伺服电动机弱磁控制性能分析(上)
?@引@言
磁场是电机进行机电能量转换的媒介和基础 电机的性能与特性由电机气隙磁场的建立方式 幅 值大小 分布规律 分析计算与控制策略等因素所 决定 弱磁是对电机磁场进行的一种控制策略或方
ห้องสมุดไป่ตู้
式 故名思义 一般是对一台已设计好的具有相对 稳定气隙磁场的电机 通过磁场幅值的削弱或磁场 相位的调节来改变电机的运行状态和运行性能的控 制策略
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交流永磁伺服电机工作原理
交流永磁伺服电机工作原理交流永磁伺服电机是一种先进的电动机，其工作原理基于对磁场的控制和反馈，能够实现高精度的位置控制和速度调节。
在现代工业自动化领域得到广泛应用。
1. 结构组成交流永磁伺服电机由定子和转子两部分组成。
定子包括定子铁芯、定子绕组，而转子由永磁体组成。
在电机内部，定子绕组通过外部的电流激励，产生一个旋转磁场，永磁体则在该磁场的作用下转动。
2. 工作原理当给交流永磁伺服电机通以电流时，定子绕组中会产生一个旋转磁场，该磁场与永磁体之间会产生一个磁场相互作用力矩，从而使永磁体转动。
这就是基本的电磁转动原理。
通常，交流永磁伺服电机的转子上安装有编码器，用于实时检测转子位置。
通过对编码器的反馈，控制系统可以精确控制电机的转动速度和位置。
3. 控制方法交流永磁伺服电机通常采用矢量控制技术进行控制。
矢量控制可以通过对电流和磁场进行独立控制，实现高精度的速度和位置控制。
在控制系统中，通常采用PID控制器对电机进行闭环控制。
PID控制器通过比较设定值和反馈值，调整电机的输出电流，从而实现对电机速度和位置的控制。
4. 应用领域交流永磁伺服电机广泛应用于需要高精度控制的领域，例如数控机床、印刷设备、纺织机械等。
由于其响应速度快、控制精度高、能耗低的特点，使其在现代自动化生产中扮演着重要的角色。
交流永磁伺服电机在医疗设备、航空航天、机器人等领域也有广泛应用，为这些领域的精密控制提供了有力支持。
结语交流永磁伺服电机凭借着其高精度的控制能力和稳定可靠的性能，成为当今工业自动化领域的重要装备之一。
通过对其工作原理的深入理解，可以更好地应用和运用这一先进的电动机技术。
永磁同步电动机交流伺服系统控制策略综述
永磁同步电动机交流伺服系统控制策略综述永磁同步电动机是一种高效、高性能的电机。
它具有响应速度快、动态性能好、效率高、功率密度大等优点，因此被广泛应用于伺服系统中。
为了控制永磁同步电动机的运动状态，需要设计控制算法和策略。
本文综述了永磁同步电动机交流伺服系统控制策略。
主要包含以下方面：1. 矢量控制策略矢量控制是永磁同步电动机使用最广泛的控制策略之一。
矢量控制策略通过将电机电流拆分为磁场定向分量和磁场垂直分量，实现对电机的控制。
具有响应速度快、动态性能好、效率高等优点。
2. 直接转矩控制策略直接转矩控制是一种不需要速度控制回路的控制策略。
该策略通过测量电机相电流和电机端口反电动势来直接控制电机转矩。
具有控制精度高、性能稳定等优点。
3. 预测控制策略预测控制策略是一种基于电机模型的控制策略。
该策略通过预测电机的输出来确定电机的电流控制器。
具有控制精度高、动态性能好、对系统变化鲁棒性强等优点。
4. 模糊控制策略模糊控制策略是一种基于模糊逻辑的控制策略。
该策略通过将输入和输出量传递给模糊逻辑控制器，来实现对电机控制。
具有使用简便、对未知非线性系统鲁棒性强等优点。
5. 神经网络控制策略神经网络控制策略是一种基于神经网络的控制策略。
该策略通过训练神经网络来实现对电机的控制。
具有对非线性系统控制精度高、学习能力强等优点。
综上，不同的永磁同步电动机交流伺服系统控制策略各有优劣，具体应用需根据具体系统要求进行选择。
随着控制算法的不断演进和发展，未来永磁同步电动机的控制策略会更加高效、精确、稳定。
《数控技术基础(本)》阶段练习(4)
《数控技术基础（本）》阶段练习（4）一、填空题：1、按伺服系统调节理论，数控机床伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。
2、按反馈比较控制方式，数控机床伺服系统有脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。
3、按控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。
4、按检测量的测量基准分，检测装置可分为绝对式和增量式。
5、检测装置的系统精度是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值。
6、检测装置的系统分辨率是指测量元件所能正确检测的最小位移量。
7、旋转变压器作为位置元件有鉴相和鉴幅两种工作方式。
8、鉴相方式下，旋转变压器输出信号的相位角与转子的旋转角度成正比。
9、感应同步器的正弦绕组和余弦绕组安装在滑尺上。
10、莫尔条纹的特点是放大、均化误差、莫尔条纹移动与栅距移动一一对应。
11、光栅可以将机械位移变换为数字脉冲。
12、绝对式编码器通常采用二进制码和循环码。
13、三相六拍步进电机的通电方式为A-AB-B-BC-C-CA 。
14、步进电机的驱动电路有双电压驱动、斩波驱动和细分驱动电路。
15、采用永磁直流伺服电机的数控机床，一般采用脉宽调制PWM调速电路。
二、简答题：1、试述数控机床对进给伺服系统的要求。
答：教材P.1842、什么是步距角，步进电机的步距角如何确定？答：教材P.2023、数控机床对位置检测装置有哪些要求？答：教材P.1844、试述旋转变压器的工作原理及应用。
答：教材P.1865、通常感应同步器的节距为2mm，为什么它可以测量到0.01mm或更小的位移量？答：教材P.1896、试述光栅的工作原理。
答：教材P.1927、试述步进电机斩波驱动电路的原理。
答：教材P.2108、简述永磁直流伺服电动机的PWM调速系统的原理。
答：教材P.2189、简述永磁同步交流伺服电动机的SPWM调速系统的原理。
答：教材P.22210、简述闭环脉冲比较伺服系统的工作原理。
永磁交流伺服电动机的参数分析_莫会成
Ja = La ia+ Mab ib+ Mac i c+ Jf co sθ Jb = Mba ia+ Lb ib+ Mbc ic+ Jf cos(θ - 2 π) 3 ( 10) Jc = Mca i a+ Mcb ib+ L c ic+ Jf cos(θ + 2 π) 3
式中 , θ 为转子 d 轴与定子 a 相绕组轴线之间的夹 角 ,Jf 为定子电枢绕组最大可能匝链的转子每极永 磁磁链。 同样无论是自感还是互感都由这两部分组 成 , 即与定子漏磁路相关的漏电感和与气隙及定转 子主磁路相关的主电感组成。 由于电机等效气隙不 再均匀 , 存在 dq 轴效应。对定子某一相绕组来说 , 当 转子直轴与该相绕组轴重合时 , 该相绕组面对的是 直轴气隙 ; 而当交轴与该相绕组的轴线一致时 , 面对 的是交轴气隙 , 因为直轴与交轴的气隙长度总是处 于电动机气隙的两个极端位置 , 也就是说这两个位 置面对的最大和最小两个磁导 , 可见气隙磁导分布 按照转子位置角的偶次谐波变化。忽略高次谐波 , 并 经推导后可得: La = Lσ + L 0+ L2 co s2 θ 2 Lb= Lσ + L0+ L 2 cos2(θ - π) 3 2 Lc = Lσ + L 0+ L2 cos2(θ + π) 3
ia ea d ib + eb ( 4) dt ic ec 忽略凸极效应时 , 电机的电感和互感可表示为 : L = Lσ + L0 M= Mσ + L 0 co s( 2 π 1 ) = Mσ- Lσ 3 2 ( 5)
3 L s = Lσ- Mσ + 2 L0 上式中 , Lσ 和 Mσ 为电机绕组的漏电感和漏互感 , 它 主要与电机定子冲片的槽形尺寸和绕组端部尺寸等 漏磁导有关。 一般相对而言所占比重较小。 L 0 为电
精品课件-控制电机(第四版)(陈隆昌)-第9章 永磁交流伺服电动机
第9章 永磁交流伺服电动机
图9－2 （a）表贴式；（b）内置式
第9章 永磁交流伺服电动机
永磁交流伺服电动机的定子与一般异步电动机的定子相同， 定子铁心通常也是由带有齿和槽的冲片叠成的，为了削弱齿槽 效应引起的转矩脉动，定子铁心采用斜槽；定子槽中嵌放对称 的多相定子绕组，可以采用星形或者角形连接，目前较为普遍 的是三相绕组电机。定子绕组的布置应使得定、转子极数相同。
第9章 永磁交流伺服电动机
综上所述，影响永磁同步电动机不能自行启动的因素主要 有下面两个方面：
(1)转子及其所带负载存在惯性。 (2)定子供电频率高，使定、转子磁场之间转速相差过大。
第9章 永磁交流伺服电动机
1—永磁体；2— 图9－7 自启动永磁同步电动机转子结构
第9章 永磁交流伺服电动机 传统上，为了使永磁同步电动机能自行启动，在转子上一
第9章 永磁交流伺服电动机 第9章 永磁交流伺服电动机
9.1 概述 9.2 永磁交流伺服电动机结构及工作原理 9.3 永磁交流伺服电动机的稳态分析 9.4 永磁交流伺服电动机的数学模型 9.5 永磁交流伺服电动机的矢量控制 9.6 永磁交流伺服电动机系统的性能指标
第9章 永磁交流伺服电动机
9.1 概 述 在第7章中已介绍的两相交流伺服电动机属于传统的异步 型交流伺服电动机， 其转子旋转速度始终低于定子磁场旋转 的速度， 即转子转速始终低于同步速， 转子与定子旋转磁场 之间存在转差率。 正是由于转子与定子旋转磁场之间的相同 运动， 使得转子导体切割定子旋转磁场时， 在转子绕组中产 生感应电动势和电流， 进而产生电磁力和电磁转矩， 带动负 载旋转。异步型交流伺服电动机的转速会随负载的大小而变化， 且它作为执行元件使用时，对控制信号的响应性能相对较差。
控制电机(第四版)(陈隆昌、阎治安版)课后答案
第二章1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势?答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。
由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。
2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、 B电刷的极性如何?答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导体cd中电势由d指向c。
电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。
当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。
4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值?答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。
而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。
基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。
同样可以证明ea ∝n2。
因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。
所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。
为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。
5. 如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上，而在偏离几何中性线α角的直线上，如图 2 - 29 所示，试综合应用所学的知识，分析在此情况下对测速机正、反转的输出特性的影响。
永磁交流伺服电动机的数学模型
Tm pnf iq
(9-29)
Tr pn (Ld Lq )idiq
(9-30)
当交、直轴磁阻不同时，电感Ld和Lq不相等，因此存在 磁阻转矩。实际伺服系统中使用的多为表贴式永磁同步电机，
可以认为其转子结构是对称的，即Ld=Lq=Ls，因此有
T pnf iq
(9-31)
（4）机械运动方程:
d T TL B J dt
式中,Ld、Lq分别为三相定子绕组在d、q轴上的等效电感(单 位为H)；ψf为转子永磁体产生的磁链(单位为Wb)。
（3）电磁转矩计算:
T
pn
[ f
iq
(Ld
Lq )idiq ]
(9-28)
由式（9－28）可以看出，永磁交流伺服电动机的电磁转
矩由两部分组成：一是转子永磁磁场与定子绕组q轴电流作用
产生的永磁转矩Tm；另一是由电感变化引起的磁阻转矩Tr。
转子dq坐标系下的数学模型
1.坐标变换
以功率不变为原则，dq、αβ、ABC坐标系之间的电流变
换关系如下（电压、磁链等的变换与此相同）：
（1）定子静止三相ABC坐标系到静止两相αβ坐标系的
变换——Clarke变换。
ia
i
式中，
TABC-
iA iB iC
1
1 2
1
2
T ABC
2
3
0 1
dd
dt
rd
(9－26)
式中，ud、uq分别为定子电压在d、q轴分量(单位为V)；id、iq 分别为定子电流在d、q轴分量(单位为A)；ψd、ψq分别为定子 磁链在d、q轴分量(单位为Wb)；ωr为转子的电角速度(单位为 rad/s)。
（2）磁链表达式:
无刷永磁伺服电动机
4、关于无刷直流电动机的归类问题： 如前所述，无刷直流电动机是由直流电动机
发展而来的，应属于直流电动机。但另一方面， 就电机本体而言，无刷直流电动机与正弦波永磁 同步电动机差别不大；从控制系统的角度看，电 动机是由逆变器供电的，并且工作在自控变频方 式或自同步方式下，因此又是一种自控变频同步 电动机系统。鉴于此，目前既有人将其归为直流 电动机，也有人将其归于同步电动机。
a)半桥电路
b）绕组星形连接的桥式电路
c）绕组角形连接的桥式电路
图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式
对于角形连接，当感应电动势不平衡时闭合 绕组回路中会产生环流，因此在无刷直流电动机 中较少采用。半桥连接由于绕组利用率较低，一 般仅用于对成本敏感的小功率场合，广泛应用的 是星形全桥接法。
3．无刷直流电动机的工作原理 下面以星形全桥接法三相无刷直流电动机为
a）直轴磁通路径
b）交轴磁通路径
图3-4 内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路
二、 无刷永磁电动机伺服系统的组成
1、无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电 由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于
恒速场合。为解决起动问题，转子上需设笼型起 动绕组，利用笼型绕组感应产生的转矩将电机加 速到近同步速，然后由永子结构的三种基本形式 ： 转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机
最主要的区别，对其运行性能、控制系统、制造 工艺、适用场合等均具有重要影响。按照永磁体 在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电动机的转 子结构一般可分为表面式、嵌入式和内置式三种 基本形式。
永磁交流伺服电机原理
永磁交流伺服电机原理近年来由于无刷式伺服（马达）电机(brushless servo motor)制造与控制技术的急速发展，再加上大规模集成电路与半导体功率组件的进步，使其商品化产品日益增多，在高性能伺服应用场合如计算机控制数值工具机、工业机器人等，均已逐渐取代了传统式的有电刷的直流伺服电机(dc servo motor)。
无刷式伺服电动机主要可分为两大类(表1) (1)无刷式直流伺服电机(brushless dc servo motor)，一般亦称的为永磁式同步电机(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服电机(PM ac servo motor)，(2)感应式交流伺服电机(induction ac servo motor)。
无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应(Hall-effect)传感器组件来检测转子的绝对位置以决定功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相(mechanical commutation)改为电子式换相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服电动机因电刷所带来的限制。
目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器(resolver) 或光电解编码马器(photo encoder)，前者可量测转子绝对位置，后者则祇能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。
表1伺服电机的分类永磁式直流伺服电动机如图1(a)所示，其永久磁铁在外，而会发热的电枢线圈(armature winding)在内，因此散热较为困难，降低了功率体积比，在应用于直接驱动(direct-drive)系统时，会因热传导而造成传动轴(如导螺杆)的热变形。
但对交流伺服电机而言，不论是永磁式或感应式，其造成旋转磁场的电枢线圈，如图1(b)所示，均置于电机的外层，因而散热较佳，有较高的功率体积比，且可适用于直接驱动系统。
交流电机依其扭矩产生方式可分为两大类(1)同步交流电机(synchronous ac motor)与(2)感应交流电机(induction ac motor)，同步交流电机因其转子可由外界电源或由本身磁铁而造成的磁场与定子的旋转磁场交互作用而达到同步转速，但是感应交流电机的转子则因定子与转子间的变压器效应(transformer effect)而产生转子感应磁场，为了维持此感应磁场以产生旋转扭矩，转子与定子的旋转磁场间必须有一相对运动—滑差(slip)，因此感应电机的转速无法达到同步转速。
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9.1 概述 9.2 永磁交流伺服电动机结构及工作原理 9.3 永磁交流伺服电动机的稳态分析 9.4 永磁交流伺服电动机的数学模型 9.5 永磁交流伺服电动机的矢量控制 9.6 永磁交流伺服电动机系统的性能指标
9.1 概 述
在第7章中已介绍的两相交流伺服电动机属于传统的 异步型交流伺服电动机， 其转子旋转速度始终低于定子磁 场旋转的速度， 即转子转速始终低于同步速， 转子与定子 旋转磁场之间存在转差率。 正是由于转子与定子旋转磁场 之间的相同运动， 使得转子导体切割定子旋转磁场时， 在 转子绕组中产生感应电动势和电流， 进而产生电磁力和电 磁转矩， 带动负载旋转。异步型交流伺服电动机的转速会 随负载的大小而变化，且它作为执行元件使用时，对控制信 号的响应性能相对较差。
永磁交流伺服电动机具有功率密度高，位置分辨率和定 位精度高，调速范围宽，低速运行稳定性好，力矩波动小， 响应速度快，过载能力强，能承受频繁起停、制动和正/反 转，可靠性高等显著的控制性能和技术优势，是目前高性能 伺服控制的主要发展方向，在数控机床、仪器仪表、微型汽 车、化工、轻纺、家用电器、医疗器械等领域得到了非常广 泛的应用。
永磁交流伺服电动机的转子为永磁结构，可以设计为两极， 也可设计成多极，图9－2所示即为6极永磁交流伺服电动机。根 据永磁体在转子上放置方式的不同，永磁交流伺服电动机通常分 为表贴式和内置式，图9－2(a)、(b)所示分别为最基本形式的表贴 式和内置式转子结构。其中，表贴式转子永磁体又有凸出式和嵌 入式；内置式转子又有径向式、切向式和混合式。当电动机转速 不是很高时，一般采用表贴式转子结构；而对于高速电机多采用 内置式转子结构。图9－2中，表贴式永磁体为径向充磁，内置式 永磁体为平行充磁，转子对外表现为N、S交替的磁极极性。
无论是采用哪种形式的转子磁极结构，都设计为尽量使转子 永磁体产生的气隙磁场沿圆周正弦分布，以使当电机旋转时，转 子永磁磁场在定子绕组中产生正弦波反电动势。
2.功率驱动单元 永磁交流伺服电动机的功率驱动单元是向定子绕组供电 的电力电子逆变电路，包括可关断功率器件（开关管），例 如大功率金属氧化物半导体场效应晶体管（Mosfet管）；或 者绝缘栅双极性晶体管（IGBT管）构成的主电路及功率管 的驱动电路。三相永磁交流伺服电动机功率驱动单元及其与 电机绕组的连接如图9－3所示。
Hale Waihona Puke 图9－2 （a）表贴式；（b）内置式
永磁交流伺服电动机的定子与一般异步电动机的定子相 同，定子铁心通常也是由带有齿和槽的冲片叠成的，为了削 弱齿槽效应引起的转矩脉动，定子铁心采用斜槽；定子槽中 嵌放对称的多相定子绕组，可以采用星形或者角形连接，目 前较为普遍的是三相绕组电机。定子绕组的布置应使得定、 转子极数相同。
图9－3 三相永磁交流伺服电动机功率驱动单元及其与电机绕组的连接
3.信号反馈单元 信号反馈单元包括传感转子位置、转速与定子电压和电 流（有时还包括直流母线电压和电流）的信号检测和调理等 电路，实现控制所需机械量和电量的反馈。其中电压、电流 的检测通常采用霍尔传感器。为满足高性能控制的要求，转 子位置传感通常采用光/电编码器或者旋转变压器。
随着工业生产的发展以及技术的不断进步，现代伺服系 统面临着更多、更高的性能要求，尤其是一些特殊生产设备 的需要，更促使现代伺服系统朝着高性能、柔性化和数字化 的方向发展。永磁交流伺服电动机是一种近年来已广泛应用 的交流伺服电动机，有取代传统交流伺服电动机的趋势。
永磁交流伺服电动机的转子上放置有永磁体，依靠定子旋转磁场与 转子永磁体磁场的相互作用产生电磁转矩，带动负载旋转。在一定的负 载范围内，稳态运行时的转子始终保持与定子磁场同步旋转，即转子转 速始终等于同步速，因而属于交流同步电动机。以前，电励磁或者永磁 同步电动机大多应用在恒频恒速场合，在一定的供电频率下转速恒定， 而且其自身没有启动转矩，需要在转子上设计笼型启动绕组。但在伺服 应用场合，是以永磁同步电动机（PermanentMagneticSynchronousMotor， PMSM）为调速驱动电机，配合以信号（转子位置、转速、定子电压和 电流）检测、电力电子驱动和微电子控制等电路，集电机和控制器于一 体，构成自动控制系统中性能优越的伺服单元，通过控制器改变伺服电 动机的运转状态，实现变频启动并响应位置或者速度伺服控制指令。习 惯上将永磁同步电动机和控制器构成的系统总称为永磁交流伺服电动机 或者永磁交流伺服系统。与其他类型的伺服电动机一样，永磁交流伺服 电动机在自控系统中用作执行元件。
9.2 永磁交流伺服电动机结构及工作原理
9.2.1 永磁交流伺服电动机的结构 永磁交流伺服电动机（系统）由控制单元、功率驱动单
元、信号反馈单元和永磁交流伺服电动机本体等组成，如图 9－1所示。
图9－1 永磁交流伺服电动机系统的组成
1.永磁交流伺服电动机本体 永磁交流伺服电动机中的电动机是一种设计为伺服用途 的调速永磁交流电动机，电机本体由定子和转子两部分组成， 如图9－2所示。
4.控制单元 控制单元是控制交流伺服电动机运行的指挥中心，在某种意义上类 似于指挥人体行为的大脑。控制单元大多采用高速、高精度微处理器 （例如单片机和数字信号处理器DSP）及其外围接口电路（输入、显示、 存储）设计而成。 控制单元的基本功能是接收控制指令和反馈信息，进行判断和运算， 根据设计的控制方式(例如磁场定向矢量控制方式)，按照输出一定幅值 和频率正弦波电压的规律或者采用电压空间矢量调制，生成控制逆变电 路开关管导通和关断的脉冲宽度调制（简称脉宽调制， PusleWidthModulation——PWM）信号，控制逆变电路给定子绕组供电。 图9－4所示为控制单元生成的按照正弦规律进行脉宽调制的某一相上、 下桥臂开关管控制信号，脉冲为正时上桥臂开关管导通，脉冲为负时下 桥臂开关管导通。控制单元同时也要进行保护、判断并具有存储功能。