第8章 交流伺服电动机及驱动

变频器及应用技术
PG
速度给定 速度 反馈 转子位置
控制电路将正弦电压控制信号 经 SPWM获得六个大功率晶体管 获得六个大功率晶体管 基极驱动电压， 基极驱动电压 ， 控制主电路中逆 变器六个大功率晶体管的导通和 截止，输出U、 、 三相正弦波 截止 ， 输出 、 V、W三相正弦波 电流，以控制电动机的运行。 电流，以控制电动机的运行。
变频器及应用技术
SINAMIC S120模块式驱动器 模块式驱动器
SIMODRIVE611UE驱动装置 驱动装置
Hale Waihona Puke 功率管导通 VT1、VT6 VT1、VT2 VT3、VT2 VT4、VT3 VT4、VT5 VT6、VT5
绕组电流
1 2 3 4 5 6
+iU、-iV +iU、-iW +iV、-iW -iU、+iV -iU、+iW -iV、+iW
HU
及 驱 动 电 路
电动机转子每转过60° 转子位置检测元件（霍尔开关）即获得一组逻辑信号， 电动机转子每转过 ° ，转子位置检测元件（ 霍尔开关 ）即获得一组逻辑信号 ， 经驱动电路放大后，驱动 大功率晶体管逻辑导通， 经驱动电路放大后，驱动VT1～VT6大功率晶体管逻辑导通，从而生成 、V、W三 ～ 大功率晶体管逻辑导通 从而生成U、 、 三 相交流方波电流。 相交流方波电流。
交流伺服驱动器
三、FANUC伺服放大器 伺服放大器 1.βi系列放大器 系列放大器
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βi-SVPM 一 体 式 主 轴及伺服功率模块
βi-SVU 伺 服 单 元 （ SVU-4、20型， 适 、 型 用于βi 、 、 伺服 用于 2、4、8伺服 电动机） 电动机）
βi-SVU 伺 服 单 元 （SVU-40、80型，适 、 型 用于βi 用于 12、22伺服电 、 伺服电 动机） 动机）
霍尔开关和测 速发电机信号
交流伺服电动机
四、伺服电动机在进给驱动中的应用
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交流伺服驱动器
一、BLDCM控制 控制
1. 主电路及控制电路
P
VT1 VT3 VT5
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Udc
VT4
VT6
VT2
N
直流无刷电动机的驱动 原理和直流电动机是等效的， 原理和直流电动机是等效的 ， 无刷直流电动机采用电力电 子逆变器和转子位置检测器， 子逆变器和转子位置检测器 ， 用静止的电子电路代替了换 向器和电刷。 向器和电刷 。 为确保逆变器 中的VT 按顺序通断， 中的 1～VT6按顺序通断， 需用转子位置检测器实时检 测转子位置信息给换向逻辑 控制及驱动电路，输出 ub1~ub6驱动电压给 1～VT6 驱动电压给VT 大功率晶体管。 大功率晶体管。
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2.换向逻辑控制 换向逻辑控制
转子
HW
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换 向 逻 辑
HV
状 态
转子角度
0～60° ～ ° 60°～120° ° ° 120°～180° ° ° 180°～240° ° ° 240°～300° ° ° 300°～360° ° °
HU HV HW 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0
西门子1ft5系列交流伺服电动机当磁性条与霍尔开关对应时霍尔开关便发出信号该信号反映了转子转过的角度经控制电路处理后对定子三相绕组进行换向控制实现了电子换向器的功uvw三相电源霍尔开关和测速发电机信号光电编码器信号变频器及应用技术交流伺服电动机三直流无刷电动机bldcm变频器及应用技术交流伺服电动机四伺服电动机在进给驱动中的应用一bldcm控制直流无刷电动机的驱动原理和直流电动机是等效的无刷直流电动机采用电力电子逆变器和转子位置检测器用静止的电子电路代替了换向器和电刷
N
V
VT1 ～ VT6 导 通 、 关 断 的 逻辑控制是由三个霍尔开关来 实现的。转子每转过60° 实现的 。 转子每转过 ° ， 有 两相绕组换流。 两相绕组换流。
U
W
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5.SIMODRIVE 611A伺服驱动装置 伺服驱动装置
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电源模块
插入式控制单元
功率模块
三相交流电源
交流伺服电动机
二、正弦波永磁同步电动机（PMSM） 正弦波永磁同步电动机（ ）
当三相绕组通入正弦波驱动电流时， 当三相绕组通入正弦波驱动电流时 ， 三相交流伺服电动机称为正弦波永磁同步 电 动 机 （ Perment Magent Synchronous Motor）。 ）
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在正弦波交流伺服电动机中， 在正弦波交流伺服电动机中 ， 当定子三相绕组通入三相正弦波电 流后， 就会在定、 流后 ， 就会在定 、 转子之间产生一 个旋转磁场， 个旋转磁场 ， 由于转子是一个永磁 因此， 体 ， 因此 ， 转子的转速也就是转子 磁场的转速， 磁场的转速 ， 而电磁转矩只能在定 子旋转磁场和转子磁场完全同步时 才发挥作用。 为了实现同步控制， 才发挥作用 。 为了实现同步控制 ， 必须对转子角位移进行即时和精确 的测量， 为此， 的测量 ， 为此 ， 在电动机上通常同 轴安装有光电编码器。 轴安装有光电编码器。
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上海电机学院 王侃夫
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第8章
交流伺服电动机及驱动
交流伺服电动机 交流伺服驱动器
交流伺服电动机
一、伺服电动机概述
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伺服电动机作为进给电动机通常用于闭环或半闭环伺服系统中。 伺服电动机作为进给电动机通常用于闭环或半闭环伺服系统中 。 为满足对伺服 系统的要求，伺服电动机有别于普通电动机。 系统的要求，伺服电动机有别于普通电动机。 从最低速到最高速，伺服电动机都能平稳运行，转矩波动小， 从最低速到最高速，伺服电动机都能平稳运行，转矩波动小，尤其在低速时转 速平稳无爬行现象。 速平稳无爬行现象。 具有较长时间的过载能力，能承受频繁的启动、制动和正、反转。 具有较长时间的过载能力，能承受频繁的启动、制动和正、反转。 快速响应性好，机械和电气时间常数小。 快速响应性好，机械和电气时间常数小。
交流伺服驱动器
2.αi系列放大器 系列放大器
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三相交流异步电动机
伺服电动机
交流伺服驱动器
四、西门子伺服放大器
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SINAMIC S120书本型驱动器 书本型驱动器
西门子1FK7交流伺服电动机 交流伺服电动机 西门子
1PH7三相交流异步电动机 三相交流异步电动机
交流伺服驱动器
西门子1FK6交流伺服电动机 交流伺服电动机 西门子
交流伺服电动机
FANUC伺服电动机有 伺服电动机有α/αi和β/βiS系列 伺服电动机有 和 系列
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A向（卸掉罩壳后） 向 卸掉罩壳后）
转子永久磁钢
A
内装编码器 编码器处理电 增量式/绝对式） （增量式/绝对式） 路 （ 卸掉红色 防护罩后） 防护罩后）
转子铁心
三相定子绕组
交流伺服电动机
三、直流无刷电动机（BLDCM） 直流无刷电动机（ ）
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当磁性条与霍尔开 关对应时，霍尔开关便 关对应时， 发出信号， 发出信号 ， 该信号反映 了转子转过的角度， 了转子转过的角度 ， 经 控制电路处理后对定子 三相绕组进行换向控制， 三相绕组进行换向控制 ， 实现了电子换向器的功 能。 光电编码 器信号
交流伺服驱动器
① ②
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③
3.三相绕组方波驱动电流 三相绕组方波驱动电流
在直流无刷电动机中， 在直流无刷电动机中 ， 三相绕组通入 的方波电流具有双极性、 方波宽度为120° 的方波电流具有双极性 、 方波宽度为 ° 电角度的特性，三相绕组电流每隔60° 电角度的特性 ， 三相绕组电流每隔 °改变 一次。例如： 一次。例如： 状态， 导通， 在①状态， VT1和VT6导通，绕组 、 和 导通 绕组U、 V相导通（下张图片中的红色虚线）。 相导通（下张图片中的红色虚线） 相导通 在 ③ 状态， VT3和 VT2导通 ， 绕组V、 状态 ， 和 导通， 绕组 、 导通 W相导通（下张图片中的蓝色虚线）。 相导通（下张图片中的蓝色虚线） 相导通 三相绕组电流的改变是通过转子位置 检测器（霍尔开关） 检测器 （ 霍尔开关 ） 、 换向控制逻辑及驱 动电路和逆变器共同配合来完成的。 动电路和逆变器共同配合来完成的。
交流伺服驱动器
4.三相绕组方波驱动电流 三相绕组方波驱动电流
P
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采用二相通电模式来控制 三相BLDCM的运行。 的运行。 三相 的运行 VT1 和 VT6 导 通 时 ， 电 流 流向为： 极 流向为 ： P极→VT1→U相绕组 相绕组
Udc
→V相绕组 相绕组→VT6→N极。 相绕组 极 VT3 和 VT2 导通时， 电流 导通时 ， 流向为：P极→VT3→V相绕组 流向为 ： 极 相绕组 →W相绕组 相绕组→VT2→N极。 相绕组 极
根据速度给定信号，经速度和电流调节，通过PWM和换向逻辑控制及驱动电路，输 和换向逻辑控制及驱动电路， 根据速度给定信号，经速度和电流调节，通过 和换向逻辑控制及驱动电路 出占空比可调的基极驱动电压，实现电动机转速的控制。 出占空比可调的基极驱动电压 ， 实现电动机转速的控制 。 根据速度给定信号中的方向信 经逻辑换向控制，使逆变器中的大功率晶体管的通断顺序发生改变， 息 ， 经逻辑换向控制 ， 使逆变器中的大功率晶体管的通断顺序发生改变 ， 从而改变电机 三相绕组的通电顺序，实现电动机的转向控制。 三相绕组的通电顺序，实现电动机的转向控制。
驱动电源
交流伺服驱动器
二、PMSM控制 控制
用电动机上的转子位置检测 装置（ 如光电编码器） 装置 （ 如光电编码器 ） 测得转子 生成正弦信号， 位置角 θ，生成正弦信号 ， 再与转 矩电流合成， 矩电流合成 ， 从而生成三相定子 电流， 电流，即 iU＝Isinθ iV＝ Isin（θ －120°） （ ° iW＝ Isin（θ ＋120°） （ °
西门子1FT5系列交流伺服电动机 系列交流伺服电动机 西门子 1FT5系列交流伺服电动机采用霍尔开关 系列交流伺服电动机采用霍尔开关 作为位置检测器。 作为位置检测器 。 在电动机尾部机座上固定 着霍尔开关组件， 组件上有三个霍尔开关； 着霍尔开关组件 ， 组件上有三个霍尔开关 ； 转子上有带磁性条的感应盘， 转子上有带磁性条的感应盘 ， 并随转子在霍 尔开关槽内旋转。 尔开关槽内旋转。 U、V、W三相电源 、 、 三相电源