(完整版)第9章永磁交流伺服电动机

第9章 永磁交流伺服电动机
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。
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。
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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。
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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。
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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。
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。
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。
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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
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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。
第9章 永磁交流伺服电动机
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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
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9.1 概 述
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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。
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图9－1 永磁交流伺服电动机系统的组成
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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。
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图9－2 （a）表贴式；（b）内置式
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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。
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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。
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