(完整版)第9章永磁交流伺服电动机
伺服电动机
伺服电动机认知1．永磁交流伺服系统概述现代高性能的伺服系统，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。
(1)交流伺服电动机的工作原理伺服电机内部的转子是永久磁铁，驱动器控制的u／V／W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电动机的精度决定于编码器的精度(线数)。
伺服驱动器控制交流永磁伺服电动机(PMSM)时，可分别工作在电流(转矩)、速度、位置控制方式下。
系统的控制结构框图如图7-17所示。
系统基于测量电机的两相电流反馈(Ia、Ib)和电机位置。
将测得的相电流(Ia、Ib)结合位置信息，经坐标变化(从a，b，c坐标系转换到转子d，q坐标系)，得到Ia、Ib分量，分别进入各自的电流调节器。
电流调节器的输出经过反向坐标变化(从d，q坐标系转换到a，b，c坐标系)，得到三相电压指令。
控制芯片通过这三相电压指令，经过反向、延时后，得到6路PWM波输出到功率器件，控制电机运行。
伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是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。
功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。
智能功率模块(IPM)的主要拓扑结构是采用了三相桥式电路，原理图如图7-18所示。
利用了脉宽调制技术(Pulse width Modulation，PWM)，通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时问比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小以达到调节功率的目的。
关于图7-17中的矢量控制原理，此处不予讨论。
永磁交流伺服电机原理
永磁交流伺服电机原理近年来由于无刷式伺服（马达）电机(brushless servo motor)制造与控制技术的急速发展，再加上大规模集成电路与半导体功率组件的进步，使其商品化产品日益增多，在高性能伺服应用场合如计算机控制数值工具机、工业机器人等，均已逐渐取代了传统式的有电刷的直流伺服电机(dc servo motor)。
无刷式伺服电动机主要可分为两大类(表1) (1)无刷式直流伺服电机(brushless dc servo motor)，一般亦称的为永磁式同步电机(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服电机(PM ac servo motor)，(2)感应式交流伺服电机(induction ac servo motor)。
无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应(Hall-effect)传感器组件来检测转子的绝对位置以决定功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相(mechanical commutation)改为电子式换相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服电动机因电刷所带来的限制。
目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器(resolver) 或光电解编码马器(photo encoder)，前者可量测转子绝对位置，后者则祇能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。
表1伺服电机的分类永磁式直流伺服电动机如图1(a)所示，其永久磁铁在外，而会发热的电枢线圈(armature winding)在内，因此散热较为困难，降低了功率体积比，在应用于直接驱动(direct-drive)系统时，会因热传导而造成传动轴(如导螺杆)的热变形。
但对交流伺服电机而言，不论是永磁式或感应式，其造成旋转磁场的电枢线圈，如图1(b)所示，均置于电机的外层，因而散热较佳，有较高的功率体积比，且可适用于直接驱动系统。
交流电机依其扭矩产生方式可分为两大类(1)同步交流电机(synchronous ac motor)与(2)感应交流电机(induction ac motor)，同步交流电机因其转子可由外界电源或由本身磁铁而造成的磁场与定子的旋转磁场交互作用而达到同步转速，但是感应交流电机的转子则因定子与转子间的变压器效应(transformer effect)而产生转子感应磁场，为了维持此感应磁场以产生旋转扭矩，转子与定子的旋转磁场间必须有一相对运动—滑差(slip)，因此感应电机的转速无法达到同步转速。
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。
交流伺服电机
交流伺服电机交流伺服电机是一种广泛应用于工业自动化领域的电机类型，在现代生产中发挥着重要作用。
交流伺服电机通过内置的编码器反馈系统，可以实现精确的位置控制和速度控制，从而提高了生产效率和产品质量。
本文将介绍交流伺服电机的工作原理、应用领域以及优势特点。
工作原理交流伺服电机通过电子控制系统控制电流的大小和方向，从而控制电机转子的位置和速度。
其工作原理包括位置控制回路、速度控制回路和电流控制回路。
位置控制回路接收编码器反馈信号，比较目标位置和当前位置之间的差异，通过控制电流大小和方向来驱动电机转子转动至目标位置。
速度控制回路根据编码器反馈信号和设定速度值之间的差异，控制电机的转速。
电流控制回路则根据速度控制回路的输出，控制电机的电流大小和方向，以实现精确的速度控制。
应用领域交流伺服电机广泛应用于各种自动化设备和机械领域，如工业机器人、数控机床、包装设备、印刷设备等。
在这些领域，交流伺服电机可以提供精确的位置控制和速度控制，满足高效生产的需求。
同时，在医疗设备、航空航天等领域也有着重要应用，用于控制精密的运动系统。
优势特点交流伺服电机相比其他类型的电机具有以下优势特点：•高精度：交流伺服电机具有较高的控制精度，可以实现微米级的定位精度，适用于需要高精度控制的应用。
•高效率：交流伺服电机运行稳定，能够提供较高的效率，降低能源消耗，节省生产成本。
•响应速度快：交流伺服电机响应速度快，可以在短时间内实现从静止到目标速度的转变，提高生产效率。
•可编程控制：交流伺服电机可以通过程序控制实现各种运动模式和轨迹规划，满足不同应用的需求。
总体而言，交流伺服电机在工业自动化领域具有重要地位，通过其高精度、高效率和快速的特点，为生产提供了稳定可靠的动力支持。
本文简要介绍了交流伺服电机的工作原理、应用领域以及优势特点，希望能够帮助读者更好地了解交流伺服电机的基本知识。
交流永磁同步电动机伺服系统
交流永磁同步电动机伺服系统1 伺服系统的基本概念1.1 名词“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。
人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。
在讯号来到之前，转子静止不动;讯号来到之后，转子立即转动;当讯号消失，转子能即时自行停转。
由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系统。
1.2 定义伺服系统—是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。
1.3 伺服系统的组成伺服系统如图1所示，是具有反馈的闭环自动控制系统。
它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。
1.4 伺服系统的性能要求伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。
说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。
1.5 伺服系统的种类通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。
伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。
电气式伺服系统根据电气信号可分为dc直流伺服系统和ac交流伺服系统二大类。
ac交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。
这里只讨论电气式伺服系统中的一种—交流永磁同步电机伺服系统。
2 交流永磁同步电机伺服系统伺服驱动系统能够忠实地跟随控制命令而动作，例如数控机床和工业机人，伺服驱动技术对产品的性能有重要影响，甚至起关键作用。
故需进一步认识伺服驱动系统在其中的地位和作用。
2.1 ac伺服系统电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。
特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。
交流永磁同步伺服电机
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。
iqref PI idref=0 PI PI
Uq Ud
Park 逆变换
Uα Uβ
SV PWM 3相 逆变器
Fr
is
θ
iq
d
nf
iα
Park 逆变换
ia
Clark 变换
id
iβ
ib
θ
速度、位置检测
pmsm
如何使转子磁场在d轴上，使定子磁场在q轴上? 1）首先使idref=0，iqref为一常量，在电流回路作用下，定子 绕组电流建立的磁场将吸引转子磁极与之对准；
交流电机系统也普遍采用PWM的控制技术 产生绕组电压和电流。 据统计，已见著文献的交流电机PWM控制 方法有数十种之多， 研究主要集中在如何实现高效率、低谐波、 易实现等方面。 常用的方法有三种：
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
2、磁场定向控制
交流永磁伺服电机知知识点总结
交流永磁伺服电机是一种广泛应用于现代工业和自动化领域的重要设备。
以下是对交流永磁伺服电机的一些主要知识点的总结：
1.工作原理：交流永磁伺服电机的工作原理基于磁场与电流之间的相互作用。
通过控制电机的电流，可以改变电机的磁场，进而控制电机的转动。
2.结构：交流永磁伺服电机主要由定子、转子和控制器组成。
定子包含一个或多个绕组，用于产生励磁磁场。
转子通常由永磁体构成，用于产生转矩。
控制器负责控制电机的电流和电压，以实现电机的精确控制。
3.控制方式：交流永磁伺服电机可以通过开环或闭环控制方式进行控制。
开环控制通过给定电压或电流控制电机的转速和位置，而闭环控制则通过反馈信号与设定值比较，实现电机的精确控制。
4.优点：交流永磁伺服电机具有高效率、高精度、高响应速度等优点。
此外，由于其采用永磁体作为转子，因此具有较高的扭矩密度和较低的维护成本。
5.应用领域：交流永磁伺服电机广泛应用于机床、机器人、电力电子、航空航天等领域。
在这些领域中，交流永磁伺服电机被用于精确控制机器的运动和位置，实现高效、精准的生产和加工。
以上是对交流永磁伺服电机的一些主要知识点的总结。
在实际应用中，需要根据具体的应用场景和需求选择合适的交流永磁伺服电机，并进行合理的配置和控制。
永磁同步伺服电动机工作原理
永磁同步伺服电动机工作原理永磁同步伺服电动机（Permanent Magnet Synchronous Servo Motor，简称PMSM）是一种利用永磁体产生磁场与电流产生磁场之间的相互作用来实现转动的电动机。
它具有高效率、高功率密度、高控制精度等优点，在众多领域得到了广泛应用。
PMSM的工作原理可以简单概括为：通过在转子上安装永磁体，使得转子具有永久磁性，而在定子上通过绕组通以交流电流，产生旋转磁场。
转子上的永磁体与定子上的旋转磁场之间产生磁力作用，从而使得转子转动。
同时，通过改变定子绕组的电流，可以实现对电机的速度和力矩的精确控制。
PMSM的转子通常由两种类型的永磁体组成：永磁体沿轴向排列的表面永磁体和沿轴向排列的内部永磁体。
这两种类型的永磁体都可以产生强大的磁场，从而使得电机具有较高的输出功率。
PMSM中的转子磁场与定子磁场之间的相互作用可以通过反电动势来实现。
当定子绕组中的电流改变时，会产生反电动势。
这个反电动势与转子磁场的相对运动速度成正比，反电动势与转子磁场之间的相对运动速度的方向相反。
因此，通过检测反电动势的大小和方向，可以获得转子位置和速度信息，并实现对电机的精确控制。
PMSM的控制系统通常采用矢量控制技术，即通过控制定子绕组中的电流矢量来实现电机的转速和力矩的精确控制。
矢量控制技术可以将电机的转子磁场与定子磁场的相对运动速度的大小和方向进行精确控制，从而实现对电机的高效率控制。
PMSM的工作原理可以通过以下步骤进行简单说明：1. 通过外部电源将交流电流输入到定子绕组中，产生旋转磁场；2. 定子绕组中的交流电流会产生一个旋转磁场，这个旋转磁场与转子上的永磁体之间产生磁力作用；3. 磁力作用使得转子开始转动，转动的速度和方向与定子绕组中的电流有关；4. 通过改变定子绕组中的电流，可以改变磁力的大小和方向，从而改变转子的转动速度和方向；5. 反电动势的检测可以获得转子位置和速度信息，通过控制定子绕组中的电流矢量，可以实现对电机的精确控制。
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第9章 永磁交流伺服电动机
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。
第9章 永磁交流伺服电动机
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。
第9章 永磁交流伺服电动机
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。
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。
第9章 永磁交流伺服电动机
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。
第9章 永磁交流伺服电动机
图9－1 永磁交流伺服电动机系统的组成
第9章 永磁交流伺服电动机
第9章 永磁交流伺电动机
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。
第9章 永磁交流伺服电动机
第9章 永磁交流伺服电动机
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
第9章 永磁交流伺服电动机
9.1 概 述
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。
第9章 永磁交流伺服电动机
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
第9章 永磁交流伺服电动机
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
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。
第9章 永磁交流伺服电动机
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。
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。
第9章 永磁交流伺服电动机
图9－2 （a）表贴式；（b）内置式
第9章 永磁交流伺服电动机
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。