机电一体化(四)-执行元件及驱动技术-交流伺服

4.4.1 常用交流伺服电动机
永磁同步型（ 永磁同步型（SM）伺服电动机的工作原理 ）
当定子三相绕组通上交流电后，便产生一个旋转磁场，图 中用另—对旋转磁极表示，该旋转磁场将以同步转速ns旋 转。由于磁极同性相斥，异性相吸，定子旋转磁极与转子 的永磁磁极互相吸引，并带着转子旋转。因此，转子也将 以同步转速ns与旋转磁场一起旋转。 当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁 场轴线一个θ角，随着负载增加，θ角也随之增大，负载 减小时，θ角也减小，只要不超过一定限度，转子始终 跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。 永磁同步型（ 永磁同步型（SM）伺服电动机的最大特点是可以用 ） 一个与电源频率一致的转速转动，而不受负载变化影响。 一个与电源频率一致的转速转动，而不受负载变化影响。 因此，多用于恒转速控制。 因此，多用于恒转速控制。
4.3 交流伺服电机及其控制
永磁同步型（ 永磁同步型（SM）伺服电动机 ） 无刷DC伺服电机 也称 无刷 伺服电机 电磁感应型（ ） 电磁感应型（IM）伺服电动机
KW级以上，多选用IM 电机。 级以上，多选用 电机。 级以上
DC伺服电机因利用碳刷整流，需要防止整流火花，高速运 伺服电机因利用碳刷整流，需要防止整流火花， 伺服电机因利用碳刷整流 转时，在过负载转矩上受到限制。 转时，在过负载转矩上受到限制。 无刷DC伺服电机无整流界限，转矩随所用磁铁材质而异， 伺服电机无整流界限 无刷 伺服电机无整流界限，转矩随所用磁铁材质而异， 到额定转速为止都可以输出大转矩，可用于高转速、 到额定转速为止都可以输出大转矩，可用于高转速、高输出 转矩的驱动。 转矩的驱动。
永磁同步型伺服电动机的SPWM控制 控制 永磁同步型伺服电动机的
SPWM逆变器属于交－直－交变频装置，它先将50Hz交流市电经 整流变压器变到所需电压后，经二极管整流和电容滤波，形成恒 定直流电压，再送入常用6个大功率晶体管构成的逆变器主电路， 输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波 (SPWM波)，即可拖动电机运转。
4.4 交流伺服电机及其控制
1）无刷直流伺服电机 ） BDCM
4.4 交流伺服电机及其控制
2) 交流永磁同步电机 PMSM
目的：控制输入正弦信号的频率以控制转速，以电流（平均电压）控制转矩。 目的：控制输入正弦信号的频率以控制转速，以电流（平均电压）控制转矩。 正弦脉宽调制（ 正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器 ） SPWM交–直–交变压变频器的原理框图如下： 交 直 交变压变频器的原理框图如下 交变压变频器的原理框图如下：
4.4 交流伺服电机及其控制
4.4.1 常用交流伺服电动机 永磁同步型（ 永磁同步型（SM）伺服电动机 ） 1）无刷直流伺服电机 方波电流 ）
(The Brushless D）
正弦波信号
(Permanent Magnet Synchronous Motor) PMSM 应用最广
感应型交流伺服系统的控制方法是采用矢量变换控 矢量变换控 制。所谓矢量变换控制就是模仿直流伺服电动机的控 制方法，把异步伺服电动机的定子电流分成两个电流 分量进行分别独立控制，一个电流分量与转子磁通方 向一致，该电流分量称为定子电流的励磁分量;另一个 电流分量与转子磁通垂直，该分量称为定子电流转矩 分量。
4.4.1 常用交流伺服电动机
永磁同步型（ 永磁同步型（SM）伺服电动机 ）
图7－2 永磁交流 伺服电动机纵剖 面 1-定子；2-转子； 3-压板；4-定子 三相绕组；5-脉 冲编码器；6-出 线盒
图7—1 永磁交流伺服电动机横剖面 1-定子；2-永久磁铁；3-轴向通风孔； 4-转轴
伺服电机结构相反， 与DC伺服电机结构相反，转子由 伺服电机结构相反 永磁铁构成，定子上有绕组， 永磁铁构成，定子上有绕组，按照 转子磁极的位置， 转子磁极的位置，控制定子绕组电 流，实现对电机主磁通矢量电流的 控制， 控制，从而获得对电机的速度和位 置控制。 置控制。
二、伺服电机及其控制
在自动控制系统中， 在自动控制系统中，伺服电动机将电压信号转 换为转矩和转速以驱动被控对象， 换为转矩和转速以驱动被控对象，当信号电压的 大小和极性(或相位 发生变化时， 或相位)发生变化时 大小和极性 或相位 发生变化时，电动机的转速 和转向将快速、准确地跟着变化。 和转向将快速、准确地跟着变化。目前常用的伺 服电动机有直流伺服电机、 服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进 电机。 电机。
交流伺服电动机的接线图
n = 60 f (1− s) p = n0 (1− s)
式中， 为交流电源频率 为交流电源频率(Hz)； 式中，f为交流电源频率 ； p为磁极对数； n0为电动机 为磁极对数； 为磁极对数 为电动机 旋转磁场转速(r/min)；s为 旋转磁场转速 ； 为 转差率 。
4.4.2 电磁感应型（IM）伺服电动机 电磁感应型（ ）
把1个正弦半波分成N等分，然 后把每一等分的正弦曲线与横 坐标轴所包围的面积都用1个与 此面积相等的等高矩形脉冲来 代替，这样可得到N个等高而不 等宽的脉冲序列。它对应着1个 正弦波的半周，对正负半周都 这样处理，即可得到相应的2N 个脉冲，这就是与正弦波等效 的正弦脉宽调制波。
图7－14 SPWM变频器主电路原理与电机线电压波形 （a）原理图；（b）线电压波形图。
永磁同步型伺服电动机的SPWM控制 控制 永磁同步型伺服电动机的
4.4.2 电磁感应型（IM）伺服电动机 电磁感应型（ ）
(1) 原理 原理: 励磁绕组WF接到交流电网 励磁绕组 接到交流电网 上，控制绕组接到控制电压 当有控制信号输入时， 上，当有控制信号输入时， 两相绕组便产生旋转磁场。 两相绕组便产生旋转磁场。 该磁场与转子中的感应电流 相互作用产生转矩， 相互作用产生转矩，使转子 跟着旋转磁场以一定的转差 率转动起来， 率转动起来，其旋转速度为
UR UI M 3～ ～
UR–整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器结构将交 整流器 固定电压不可控整流器， 流变为直流，电压幅值不变。 为逆变器的供电。 流变为直流，电压幅值不变。 为逆变器的供电。 UI –逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控制极（大 逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控制极（ 功率晶体管GTR为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指令转化过来的）和三 功率晶体管 为基极 输入由基准正弦波（由速度指令转化过来的） 角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等宽的矩形脉冲波） ，使这些大功率 调制波（ 角波叠加出来的 调制波 等幅、不等宽的矩形脉冲波） 晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列SPWM电压，使电机转动。 电压， 晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列 电压 使电机转动。