永磁同步电机伺服控制系统

图1 永磁同步电机伺服控制系统的组成
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2 永磁同步电机的结构与工作原理
永磁同步电机用永磁体代替了电励磁，从 而省去了励磁线圈、滑环与电刷，其定子电流 与绕线式同步电机基本相同，输入为对称正弦 交流电，故称为交流永磁同步电机。
构成：定子和转子。
定子主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕 组 ，绕组嵌放在铁心的槽中；
（d） （e）
在转子铁心凹陷部分插入永 磁体，永磁体多采用径向充磁， 虽然为表面永磁体转子结构，却 能利用磁阻转矩。
在永磁体外周套一磁性材料 箍圈，虽然为内嵌永磁体结构， 却没有磁阻转矩。当电机极数多 时，有时也采用平板形永磁体。
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（f） （g）
永磁体的用量多，提高气隙 磁密，防止去磁，通常采用非稀 土类永磁体。
(a)整数槽绕组
(b)分数槽绕组
图3 永磁同步电机的绕组形式
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整数槽绕组的优势是：
电枢反应磁场均匀，对永磁体去磁作用 小；
电磁转矩——电流的线性度高，电机的 过载能力强；
适合用于少极数、高转速、大功率的领 域。
分数槽绕组的优势是：
对于多极正弦波交流永磁伺服电动机 ， 可采用较少的定子槽数，有利于提高槽 满率及槽利用率。同时，较少的元件数 可以简化嵌线工艺和接线，有助于降低 成本；
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（b）
永磁体设计成半月形不等 厚结构，通常采用平行充磁或 径向充磁，形成的气隙磁场是 为理想的正弦波磁场。该结构 多用于大功率交流伺服电机。
（c）
主要用于大型或高速永磁 电机，为防止离心力造成永磁 体损坏，需要在永磁体的外周 套一非磁性的箍圈予以加固。
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由两块呈 V字形配置平板形 永磁体构成一极，通过改变永磁 体位置来调整电机特性。
（i）
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（j） （k）
永磁体为倒圆弧形 ，配置在 整个极距范围内 ，通过增加永磁 体用量来提高气隙磁密 ，还可以 通过确保交轴磁路宽度来增大磁 阻转矩，永磁体为非稀土类。
通过采用多层倒圆弧形永磁 体增大磁阻转矩，永磁体的抗去 磁能力强，气隙磁密高，且波形 更接近正弦形。
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增加绕组的分布系数，使电动势波形的 正弦性得到改善；
可以得到线圈节距为 1 的集中式绕组设 计，线圈绕在一个齿上，缩短了线圈周 长和端部伸出长度，减少了用铜量；线 圈端部没有重叠，可不放置相间绝缘；
可能用专用绕线机 ，直接将线圈绕在齿 上，取代传统嵌线工艺，提高了劳动生 产率，降低了成本；减小了定子轭部厚 度，提高了电机的功率密度；
图5 无槽结构永磁 同步电机
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根据转子上永磁体安装位置的不同，可以 把永磁同步电机分为：表面永磁体同步电机 ； 外嵌永磁体同步电机；内嵌永磁体同步电机 。
图6为永磁同步电机常用转子结构型式。
（a）
永磁体为环形，配置在转子 铁心的表面，永磁体多为径向充 磁或异向充磁，有时磁极采用多 块平行充磁的永磁体拼成。该结 构多用于小功率交流伺服电机。
转子主要由永磁体、导磁轭和转轴构成。 永磁体贴在导磁轭上，导磁轭为圆筒形，套在 转轴上。
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如图2为永磁同步电机结构示意图。
图2 永磁同步电机的结构示意图
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工作原理：电枢绕组中通过对称的三相电 流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转 磁场。在稳态情况下，转子转速恒为磁场的同 步转速。于是，定子旋转磁场与转子的永磁体 产生的主极磁场保持静止，它们之间相互作用 产生电磁转矩，拖动转子旋转，进行机电能量 转换。当负载发生变化时，转子的瞬时转速就 会发生变化，这时，如果通过传感器检测转子 的位置和速度，根据转子永磁体磁场的位置， 利用逆变器控制定子绕组中电流的大小、相位 和频率，便会产生连续的转矩作用到转子上。
永磁体平板形、切向充磁， 铁心为扇形，可以增加永磁体用 量，提高气隙磁密，但需要采用 非磁性轴。
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（h）
永磁体也为平板形，沿半径 方向平行充磁，由于转子交轴磁 路宽，能够增大磁阻转矩，可以 通过改变永磁体位置来调整电机 特性，适于通过控制电枢电流对 其进行弱磁控制。图 7 为该电 机交、直轴电枢反应磁通路径。
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1 永磁同步电机伺服控制系统的构成
基本部分： 永磁同步电机； 电压型PWM逆变器； 电流传感器； 磁极位置传感器； 电流控制器。
如果需要进行速度和位置控制，还需要速 度传感器、速度控制器、位置传感器以及位置 控制器。
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永磁同步电机伺服控制系统构成如图1 所示：
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根据电机具体结构、驱动电流波形和控制 方式的不同，有两种驱动模式：方波电流驱动 的永磁同步电机，即无刷直流电机；正弦波电 流驱动的永磁同步电机，即永磁同步交流伺服 电机。
据电枢绕组结构型式的不同分为：整数槽 绕组结构；分数槽绕组结构。
如图3所示为永磁同步电机绕组形式。
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电机绕组电阻减小 ，铜耗降低，进而提 高机效率和降低温升；
降低了定位转矩，利于减小振动和噪声。
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如图4为具有分数槽绕组的电机定子。
图4 具有分数槽绕组的电机定子
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根据电枢铁心有无齿槽把永磁同步电机分为： 齿槽结构永磁同步电机；无槽结构永磁同 步电机。
图 5 为无槽永磁同步电机结构示意图 。 该结构电机的电枢绕源自文库贴于圆筒形铁心的内表 面上采用环氧树脂灌封、固化。
图6 永磁同步电机的常用转子结构
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(a) 直轴电枢反应磁通路径 (b) 交轴电枢反应磁通路径
图7 交、直轴电枢反应磁通路径
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对于图6（k）所示结构，通过采用多层 倒圆弧形永磁体来增大磁阻转矩，永磁体的抗 去磁能力强，气隙磁密高，且波形更接近正弦 形。
表面永磁体结构的优点：转子直径小，转 动惯量低；等效气隙大、定位转矩小、绕组电 感低，有利于电机动态性能的改善；这种转子 结构电机的电枢反应小、转矩电流特性的线性 度高，控制简单、精度高。因此，一般永磁交 流伺服电机多采用这种转子结构。