交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精).

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交流永磁同步伺服电机

交流伺服永磁电机选型手册1,2016警告和操作注意事项1.拆装光电编码器，否则破坏编码器与电动机绕组的相对位置(零点)而致使电动机无法运行!2.在正常气候条件下，用500V兆欧表测量电动机绕组对机壳的绝缘电阻,其值不应小于20MΩ。

3.按本使用说明书所述的电动机与驱动单元接线方式正确连接，确保保护接地牢固可靠。

4.电动机从零速至最高速空载运行,应无异常噪声和震动，方可投入负载运行。

5.电动机运行中，切勿接触运转中的电动机轴以及电动机外壳。

6.具有相应资格的人员，才能调整、维护电动机。

7.不得拖拽电线（缆）、电动机轴搬运电动机。

8.用户对产品的任何改动本公司将不承担任何责任。

本使用说明书由最终用户收藏。

1伺服电机为自冷式散热方式，安装时请选择足够大的安装板。

伺服电机长期工作，机体本身会有一定的温度，这是正常情况。

装配了失电制动器的伺服电机，其失电制动器的电源必须由驱动器控制开闭，否则会造成工作状态不佳。

2伺服电机内装精密反馈元件，严禁重力敲击电机轴伸端及后部。

严禁随意更改、折装及加工电机部件。

工作运行环境1.海拔高度不超过1000m。

当海拔高度超过1000m时，需考虑到因空气冷却效果减弱对部分性能指标的影响。

2.环境温度在-10℃~+40℃的范围内。

3.空气相对湿度≤90%(无凝露)。

4.AC稳态电压值为(0.85~1.1)×额定电压值。

3伺服电机型号说明安装及联线U、V、W为伺服电机绕组线圈引线端。

4绝对值编码器定义:注意：60制动器有极性要求:“2”接“+”,“3”接“-”,使用电压:DC 24V80、90、110、130制动器接DC 24V.150、180制动器有DC24V和DC100V两种，具体使用电压看电机标签.560电机外形图如装抱闸，则电机机身长度增加46mm.注意事项：60抱闸电机，接DC24V电源，“2”接正，“3”接负，有极性要求.6780电机外形图.如装抱闸，则电机机身长度增加44mm 8990电机外形图.如装抱闸，则电机机身长度增加42mm 1011110电机外形图如装抱闸，则电机机身长度增加42mm.1213130电机外形图如装抱闸，则电机机身长度增加41mm.14151617150电机外形图如装抱闸，则电机机身长度增加62mm.1819150电机外形图如装抱闸，则电机机身长度增加62mm.2021180电机外形图如装抱闸，则电机机身长度增加45mm 22232425。

永磁同步伺服电机(PMSM)的基本结构和控制单元驱动器原理

永磁同步伺服电机（PMSM）的基本结构和控制单元驱动器原理导语：永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。

全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。

随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。

永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

永磁交流伺服系统具有以下等优点：电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；定子绕组散热快；惯量小，易提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。

永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。

现在，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。

伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。

控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。

交流永磁伺服系统的基本结构交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。

其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。

交流伺服电机的驱动

实用文档
13
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华中数控
四、伺服驱动器的接线：
1. 主回路接线：
1）驱动器R、S、T电源线的连接； 2）驱动器与电动机电源线之间的接线；
2. 控制电源类接线：
1）r 、t控制电源接线； 2）I/O接口控制电源接线；
3. 信号指令线
1)指令接口 2)I/O接口 3)反馈检测类接线
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实用文档实用文档Biblioteka 4实用文档5
二伺服驱动器的电气控制原理
1.外部控制电路结构 2.内部电路结构
控制电路结构功率电路结构
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非熔断丝
交流电源 1 断路器注 2
注3
L1 L2
器
变压
L3
PE
注1
接地排
低通滤波器
交流电源 2 注 4
接触器注5 器
灭弧器
电抗器注6
DC24V 开关电源
进给驱动装置电源供电示意图
调整积分增益KⅥ值。将积分增益KVI值渐渐加大，使积分效应渐渐产生。由前述对积分控制的介绍可看出，KVP值配合积分效应增加到临界值后将产生振荡而不稳定，如同KVP值一样，将KVI值往回调小，使振荡消除、旋转速度稳定。此时的KVI值即初步确定的参数值。
调整微分增益KVD值。微分增益主要目的是使速度旋转平稳，降低超调量。因此，将KVD值渐渐加大可改善速度稳定性。
控制核心：目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器.所采用的数字信号处理。器（DSP）除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。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。

交流永磁同步电机数字伺服技术

交流永磁同步电机数字伺服技术伺服技术是现代工业重要的支柱性技术，随着近年来不断的进展，沟通伺服在无数场合逐步取代了以往的直流伺服技术，而三相沟通永磁同步(PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM)是沟通永磁伺服电动机的一种，随着永磁体性能的提高和价格的下降，以及由永磁取代绕线式转子中的励磁绕组所带来的一系列优点如转子无发热问题、控制系统容易、具有较高的运行效率和较高的运行速度等等。

在数控机床，等小功率应用场合，已获得了广泛应用。

随着现代工业对精密化、高速化、高性能的要求的不断进展，传统的控制器在高要求的场合已经不能够胜任，在无数要求高实时性，高效率的场合，就必需要用特地的数字信号处理器()来代替传统的控制器的部分功能。

特殊是在控制算法复杂或对算法举行改进优化的时候，DSP独特的迅速计算的能力就显然的体现出来。

另外，随着创造技术的长进和技术的进展，沟通伺服也得到了长足的进展。

集三相和庇护、隔离电路、能耗制动电路等功能为一体的智能功率模块、先进的电力器件的浮现、使沟通伺服控制更便利、功耗更低、开关时光更短、变频范围更宽、性能更优越。

这些都使沟通伺服相对直流伺服体现出了显然的优越性。

1 系统概述沟通伺服数字化系统的硬件由DSP作为信号处理器，用旋转和提供反馈信号，智能功率模块IPM作为逆变器，经传感器出来的信号经过滤波整形等处理后反馈给DSP举行运算，DSP经过对参考信号和反馈信号的处理运算来调整伺服系统的电流环，速度环，和位置环的控制，最后输出信号经过隔离驱动IPM模块实现电机的伺服闭环控制。

系统的硬件结构1所示。

图1硬件结构图系统的控制为三环控制方式，位置控制是外环，也是终于目标，速度第1页共3页。

03交流永磁同步伺服电动机(1).ppt

单元六交流伺服系统
第三节交流永磁同步伺服电动机
●基本要求： 1）认知永磁同步伺服电动机结构和工作原理 2）了解永磁同步电动机的控制策略 3）认知永磁同步电动机的特点和主要参数
●重点和难点: 永磁同步伺服电动机结构和工作原理
交流伺服系统
反馈控制
－伺服控制的特征
➢ 实现误差的自动校正
➢ 实现高性能的重要手段
四、永磁同步电动机的特点
和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它结构简单，体积小、重量轻，效率高。
五、交流永磁同步伺服电动机的主要参数
表交流永磁同步伺服电动机的主要技术参数
永磁同步电动机由定子和转子两大部分组成
查看5611交流伺服电机图片库
永磁同步电动机的结构 1-旋转变压器；2-永磁体；3-电枢铁芯；4-电枢三相绕组；
5-电机转轴
二、永磁同步伺服电动机工作原理
插入5631无刷直流电机的工作原理动画
永磁同步电动机的工作原理
三、永磁同步电动机的控制策略
1.恒压频比控制 2.矢量控制 3.直接转矩控制
速度反馈
减速器
运动
负载
工作台
直线光栅尺
速度环
电机电源
伺服放大器
丝杠
0 to ±10VDC
位置环
控制器
对位置速度力矩进行精确的控制
伺服控制系统的优点（1）
❖ 提高机械的响应、速度和灵活性 ❖ 提高生产过程的柔性,减小系统建立时间 ❖ 提高设备的生产率 ❖ 提高加工制造精度,减少废品
伺服控制系统的优点（2）
❖ 零速时的满额扭矩输出 ❖ 超低速的平稳运行 ❖ 简化原有的机械系统，提高性能

永磁交流伺服电动机

气隙磁场磁极与转子两对磁极间的磁力线如同有弹性的
橡皮筋一样，尽管在负载变化时，气隙磁场磁极与转子磁极
轴线之间的夹角会变大或变小，但只要负载不超过一定限度，
转子就始终跟着气隙旋转磁场以恒定的同步速ns转动，即转
子转速为
n
ns
60 f pn
(,f为定子绕组电源频率；pn为极对数。可见，转子转速
产生(的1）电电势势EσE。. σ。Eσ. 类似于变压器或者异步型交流伺服电动
机中的漏磁电势，可以用漏电抗Xσ上的电压降来表示
E& jX I&a
(9－2)
(2）电势E0。E0是定子绕组切割转子永磁磁场所产生的电势，即由转子永磁磁场匝链定子绕组的磁通 Φf交变所产生的电势，在相位上滞后于磁通Φf相位90°，大小为
图9－4 正弦脉宽调制信号
综上所述，永磁交流伺服电动机系统是根据给定的指令，将电信号转换为转轴的伺服运动。该系统在获得指令后，通过处理器运行预先编制好的程序，生成所需的脉冲，控制逆变主电路中电力电子器件的通/断，将电压施加到永磁同步电动机的定子多相绕组，在气隙中产生旋转磁场。气隙磁场与转子磁场相互作用，产生电磁转矩。电磁转矩使电动机转子顺着旋转磁场方向运行，拖动自动控制系统的机构作伺服运动。
9.2.2 永磁同步电动机的工作原理永磁交流伺服电动机中的电机在本质上就是一种永磁同
步电动机，其转矩产生和旋转的原理相当简单，下面用一个简单的两极电动机加以说明。
图9－5中所表示的转子是一个具有两个磁极的永磁转子。当同步电动机的定子对称绕组通入对称的多相交流电后，会在电机气隙中出现一个由定子电流和转子永磁体合成产生的两极旋转磁场，这个旋转磁场在图中用另一对旋转磁极来等效，其转速取决于电源频率。

交流伺服电动机及其驱动

1.2 两相异步交流伺服电动机
• 3.两相异步交流伺服电动机控制方式
• 1）幅值控制
• 控制绕组电流与励磁绕组电流的相位差保持π/2不变，改变控制电压Uc的大小来控制电动机转速。两绕组空间相差π/2电角度时所产生的气隙磁场为圆形旋转磁场，产生的电磁转矩最大；当控制电压Uc的幅值小于励磁电压Uf 的幅值时，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。控制电压越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电动机转速越慢。在控制信号消失时，气隙磁场转化为脉动磁场，电动机停止转动。如图3-23所示为幅值控制原理图。
3.变频调速装置如图3-26所示电路，变频器的主要组成是整流电路和三相电流逆变器两部分。整流电路将工频交流电经过二极管或者晶闸管整流及电容的滤波等处理后变为直流电，SPWM产生驱动电路用来产生并放大三相SPWM信号，然后驱动VT1、VT2、 VT3、VT4、VT5、VT6这6个功率晶体管，在SPWM脉冲的控制和驱动下，功率晶体管在时间上轮流导通和关闭，获得频率和幅值可调的三相交流电压。
图3-26 变频器组成和原理
1.3 三相异步交流伺服电动机
变频调速装置的原理是通过设定功能来设定变频器的频率，其内部控制单片机根据所设定的频率控制SPWM发生器产生SPWM信号，再经过驱动电路驱动功率器件工作。其原理如图3-27所示。
图3-27 三相异步电动机变频调速原理图
1.4 矢量控制
交流异步电动机的等效电路如图3-28(a)所示，图中r1和X1为定子绕组的电阻和漏抗；rm为定子铁芯损耗对应的等效电阻；Xm为主磁通等效电抗；r2和X2为折合后转子的等效电阻和漏抗；s为转差率。因此，定子电流、转子电流和励磁电流之间的矢量关系如图3-28(b) 所示。

交流永磁同步伺服电机及其驱动技术精

小就能改变力矩。而交流电机中Fs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及
电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交
流电机？ 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制
技术。通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类
似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。
从动坐标系（d、q）上看，则合成定子电流矢量是静止的，也即从时变量变成了时不变量，从交流量变成了直流量。
a
14
通过坐标变换把合成定子电流矢量从静止坐标系变换到旋转坐标系上。
在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值；
然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中。将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，
nref
iqref PI
idref=0
Uq
Uα
PI
Park
SV
Ud 逆变换 Uβ PWM
PI
us
3相逆变器
iq
iα
ia
Park
Clark
id 逆变换 iβ 变换
ib
nf
θ
速度、位置检测 a
pmsm 3
主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。
定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。
换向时会产生电火花限制了它的应用环境。
如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子上，就可克服这些缺点。
交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机有两类：
同步电机和感应电机

永磁同步电机伺服驱动系统概述

文献综述——永磁同步电机伺服驱动系统一.前言自上世纪八十年代以来，随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、电机制造技术以及先进的控制理论等支撑技术的飞速开展，以交流伺服电动机为控制对象的交流伺服系统逐步取代直流伺服系统，在机电一体化、工业自动化、数控机床、大规模集成电路制造、航空航天、雷达和各种军用武器随动系统等方面得到广泛应用。

以永磁同步电机作为执行电机的数字交流伺服系统在高精度运动控制和驱动领域得到了越来越广泛的应用。

永磁材料的选择对电机的构造和性能影响很大。

目前广泛应用于永磁体主要有铁氧体、稀土钴以及钕铁硼三类永磁材料。

其中钕铁硼是近年来出现的一种新型永磁材料，其矫顽力和剩磁密度都高于其他两类永磁材料，且本钱比稀土钴低得多，是目前应用最为广泛的永磁材料。

永磁材料的开展也对永磁同步电机的应用起着至关重要的作用。

二.正文1. 交流伺服系统的概念及分类1.1 概念伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进展人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。

伺服系统的开展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反应装置和控制器。

在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。

控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。

在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机〔PMSM〕和感应异步交流伺服电机〔IM〕，其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。

普遍应用的永磁伺服电机有两大类：一类称为无刷直流电机〔BLDC〕，另一类称为三相永磁同步电机〔PMSM〕。

永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，因此具有转子转动惯量小、响应速度快、效率高、功率密度高等优点，在要求高性能的伺服领域得到了广泛的应用。

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即每个绕组中电流的幅值和相位都是随时间变化的，且彼此在相位（与时间有关）上相差120度。

旋转磁场是三相电流共同作用的结果，引入电流空间矢量的概念来描述这个作用。在电机定子上与轴垂直的剖面上建立一静止坐标系（a,b,c)，其原点在轴心上，三相绕组的轴线分别在此坐标系的a，b，c三个坐标轴上。每一相相电流幅值和极性随时间按正弦规律变化。可用空间矢量描述，方向始终在a,b,c坐标系中各相的轴线上。 is 定义合成定子电流矢量为：
2、磁场定向控制

永磁同步电机的定子中装有三相对称绕组a,b,c，它们在空间彼此相差120度，绕组中通以如下三相对称电流：
ia I m sin t
ib I m sin(t 120) ic I m sin(t 240)
ia ib ic 0

由于电磁感应作用，闭合的转子导体内将产生感应电流。
这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子“跟着”定子磁场旋转起来，其转速为n。 n总是低于ns（异步），否则就不会通过切割磁力线的作用在转子中产生感应电流。

永磁同步交流电机的工作原理

定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同的。其不同点是转子为永磁体且n与ns相同（同步）。 60 f n ns rpm p

如果能保证Fr与Fs相互垂直，则因转子磁势Fr为常数，且 Fs Nis 则
T Kt is
这与直流电机的力矩表达式是一样的。
问题可归结为：
1.
2. 3.
定子合成电流是一个时变量，如何把时变量转换为时不变量？如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直？
定子合成电流仅是一个虚拟的量，并不是真正的物理量，力矩的控制最后还是要落实到三相电流的控制上，如何实现这个转换？
三相异步交流感应电机的工作原理

感应电机当其对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，其转速为:
60 f ns rpm p
式中f —电源频率； p—定子极对数。

即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数；磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。
磁场定向控制的基本思路

为了解决上面提到的这些问题，设想建立一个以电源角频率旋转的旋转坐标系（d、q）。从静止坐标系（a,b,c)上看，合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场，是时变的。从动坐标系（d、q）上看，则合成定子电流矢量是静止的，也即从时变量变成了时不变量，从交流量变成了直流量。

永磁同步电机（ PMSM ）（Permanent Magnet Synchronous Motor ） 1、结构和工作原理

主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。

定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器。

通过坐标变换把合成定子电流矢量从静止坐标系变换到旋转坐标系上。

在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值；然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中。
将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，从而实现电机力矩的控制。坐标变换是通过两次变换实现的

Clarke变换

3.2 交流永磁同步电机及其驱动技术
1、交流永磁同步电机结构和工作原理 2、交流永磁同步电机磁场定向控制技术 3、交流永磁同步电机PWM控制 4、交流永磁同步电机驱动器
直流伺服电机存在如下缺点：

它的电枢绕组在转子上不利于散热；由于绕组在转子上，转子惯量较大，不利于高速响应；电刷和换向器易磨损需要经常维护、限制电机速度、换向时会产生电火花限制了它的应用环境。如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子上，就可克服这些缺点。交流伺服电机就是这种结构的电机。交流伺服电机有两类：同步电机和感应电机

两个磁场相互作用产生转矩。定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。
T Fr Fs sin(s r )

要想实现四象限运行，关键是力矩的控制。在永磁直流电机中，T=KtI。I为直流，只要改变电流的大小就能改变力矩。而交流电机中Fs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交流电机？ 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术。通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。
2
N—定子绕组线圈总匝数

要注意合成定子电流仅仅是为了描述方便引入的虚拟量。注意区分电流矢量和电工学中分析正弦电路时所用到的相量。前者反映的是各个量的空间、时间关系，而后者描述的仅是时间关系。
力矩控制

由电机统一理论，电机的力矩大小可表示为
T Fr Fs sin(s r )

（a,b,c)是复数平面上的三相静止坐标系。（α ,β )是该平面上的两相静止坐标系。 α 轴与a轴重合， β 轴与a轴垂直。定义在（a,b,c)坐标系中的空间电流矢量可通过如下运算变换到坐标系（α ,β ）中：
β
is ia aib a ic
j120 j 240 每一相相电流空间矢量幅值和极 is ia ibe ice 性的变化使得合成定子电流矢量形成旋转磁场。

ia ibe
j120
2
ice
j 240 ia a源自b a ic定义了合成定子电流矢量后，则定子绕组的总磁势矢量为
Fs Nis N (ia aib a ic )