新编交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)PPT课件
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伺服电机技术及其应用 ppt课件
NASA起初预计这两个机器人只能工作三个月，但五年过去了， 这六轮的车辆还在继续绕火星旅行，并一直在向地球回传激动 人心的数据。
可清晰看见的碳刷
3
ppt课件
一、伺服电机的起源及分类
1.2 无刷直流伺服电机：顾名思义没有碳刷装置。 无刷直流伺服电机去掉了碳刷装置，使用电子换向，实现了电 机免维护，电磁干扰小。寿命更长。 我们的神五神六上面用的都是无刷直流伺服电机。原因并不是
14
ppt课件
九、永磁同步伺服电机的快速发展
进入本世纪以来，永磁同步电机在中国获得了飞速发展，包括电梯电机、
工业控制电机、节能高效电机等广泛领域。产品形式包括高速、低速大扭矩
（DDR）各种范围。
不论是高速、低速（DDR）永磁同步电机的快速发展，都有共同的原因是基
于以下三个因素：
1. 永磁同步电机设计技术及工艺的快速发展
23
ppt课件
十二、永磁同步交流伺服电机的应用-抽油机
直驱塔式抽油机 1.直接驱动，去掉减速环节， 可靠性高。 2.旋转电机设计，电机除需定 期补充润滑脂外，无需其他 维护。 3.系统效率高，节能显著。 4.良好的系统可调节性。
24
ppt课件
十三、永磁同步交流伺服电机的应用-顶驱钻机
控制房
25
ppt课件
我们通常所说的交流伺服电机，一般就是指永磁同步伺服电机。 在伺服电机的应用领域里，永磁同步伺服系统已经逐渐取代直 流伺服系统
5
ppt课件
二、武汉直驱机电-产品说明
特别需要说明的是，对于我们的产品，无须过分强调伺服
1.应用与伺服电机是有差异的 伺服电机强调精确的位置控制、速度控制、转矩控制。即强调伺服 特性。 从我们目前的产品及今后可看到的市场应用，均不强调伺服特性， 是以提供驱动动力为主，关注效率、节能、可靠性、体积、重量等 要素。 2.伺服电机产业的弊病 伺服电机集中于传统高端应用，市场很狭小。而且早已被很多传统 厂家所瓜分。国内“专门”做伺服电机的，没有一个能成长为大公 司，产值能做到几千万就很不错了，而且国内的伺服电机产品，从 来都是低端产品的代名词。
可清晰看见的碳刷
3
ppt课件
一、伺服电机的起源及分类
1.2 无刷直流伺服电机：顾名思义没有碳刷装置。 无刷直流伺服电机去掉了碳刷装置，使用电子换向，实现了电 机免维护，电磁干扰小。寿命更长。 我们的神五神六上面用的都是无刷直流伺服电机。原因并不是
14
ppt课件
九、永磁同步伺服电机的快速发展
进入本世纪以来，永磁同步电机在中国获得了飞速发展，包括电梯电机、
工业控制电机、节能高效电机等广泛领域。产品形式包括高速、低速大扭矩
（DDR）各种范围。
不论是高速、低速（DDR）永磁同步电机的快速发展，都有共同的原因是基
于以下三个因素：
1. 永磁同步电机设计技术及工艺的快速发展
23
ppt课件
十二、永磁同步交流伺服电机的应用-抽油机
直驱塔式抽油机 1.直接驱动，去掉减速环节， 可靠性高。 2.旋转电机设计，电机除需定 期补充润滑脂外，无需其他 维护。 3.系统效率高，节能显著。 4.良好的系统可调节性。
24
ppt课件
十三、永磁同步交流伺服电机的应用-顶驱钻机
控制房
25
ppt课件
我们通常所说的交流伺服电机，一般就是指永磁同步伺服电机。 在伺服电机的应用领域里，永磁同步伺服系统已经逐渐取代直 流伺服系统
5
ppt课件
二、武汉直驱机电-产品说明
特别需要说明的是，对于我们的产品，无须过分强调伺服
1.应用与伺服电机是有差异的 伺服电机强调精确的位置控制、速度控制、转矩控制。即强调伺服 特性。 从我们目前的产品及今后可看到的市场应用，均不强调伺服特性， 是以提供驱动动力为主，关注效率、节能、可靠性、体积、重量等 要素。 2.伺服电机产业的弊病 伺服电机集中于传统高端应用，市场很狭小。而且早已被很多传统 厂家所瓜分。国内“专门”做伺服电机的，没有一个能成长为大公 司，产值能做到几千万就很不错了，而且国内的伺服电机产品，从 来都是低端产品的代名词。
《永磁同步电机》幻灯片PPT
3 2
N3(iB
iC)
iiN N32
1 0
1 2 3 2
1 2
3 2
iiiC BA
PMSM电机的FOC控制策略
考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为 N 3 2
N2 3
可得
ii
21 30
1 2 3 2
1 2
3 2
iiiC BA
坐标系变换矩阵：
C3/2
2
1
3 0
1 2 3 2
1 2
3 2
C 2/3
1
2 3
1 2
1 2
0
3
2
3 2
PMSM电机的FOC控制策略
如果三相绕组是Y形联结不带零线，那么有
iAiBiC0
于是
3
i i
2 1
2
0 2
iA iB
2
iA iB
3 1 6
0
1 2
i i
PMSM电机的FOC控制策略
〔2〕Park〔2s/2r〕变换
U1
VF1
VF3
VF5
H1
译
A
码
H2
电
B
H3
路
VF4
VF6
VF2
C
Y联结三三通电方式的控制原理图
PMSM和BLDC电机的工作原理
vab
0
V d
2
t
van
0
2
3V d
1 3V d
M
Y联结三三通电方式相电压和线电压波形
t
a)
VF6VF1VF2导通时合成转矩
Tc 2
b) VF1VF2VF3导通是合成转矩
第4章交流伺服电动机57页PPT
其中ZR为转子导条根数， WR为转子绕组有
效匝数（笼形电机WR =1/2）， s为同步角速度 （ s =2n s /60= 2 f /p）
控制电机
3、机械特性
理想空载： n=ns ，s=0，T=0
n
最大转矩： n=n1 ，s= sm ，T=T max
ns
sm
rR xR
T ZRWRUj2
j2 k1 k2
Uk~
控制电机
杯形转子通常是由铝合金制成的空心薄壁 圆筒。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯 形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯 形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠 笼转子一样。
杯形转子图
控制电机
各种交流伺服电动机图片
控制电机
二、工作原理
定子两相空间互差90电角度绕组中，通入时 间上互差90的电流，产生一旋转磁场。转子导体 切割该磁场，从而感应电势，该电势在短路的转 子导体中产生电流。
rk
j Ik
xk
I j
Uj~
j( E j I j rj j I j xj )
jU j
为了得到圆形旋转磁场，要求
两相绕组电压值相等，相位互
差900 。
j1
E j
j2 k1 E k k2 I k Uk~
控制电机
2、Wj /Wk =k 时
此时
Ik jkI j
3、当控制信号消除时，伺服电动机应立 即停转，即电动机无“自转”现象；
4、控制功率要小，启动力矩应大；
5、机电时间常数要小，启动电压要低。 当控制信号变化时，反应应快速灵敏。
4.2 交流伺服电动机的工作原理和结构
伺服电机及其控制原理PPT课件
9
执行环节
执行环节的作用是按控制信号的要求， 将输入的各种形式的能量转换成机械能， 驱动被控对象工作。
2019/10/26
10
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
10
被控对象
被控对象是指被控制的机构或装置，是 直接完成系统目的的主体。被控对象一 般包括传动系统、执行装置和负载。
2019/10/26
4
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
4
输入量
控制操作
输出量
2019/10/26
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
输入量
反馈环
控制操作
测量
5
输出量
5
1.2 伺服系统组成
从自动控制理论的角度来分析，伺服控 制系统一般包括控制器、被控对象、执行 环节、检测环节、比较环节等五部分。
在实际的伺服控制系统中，上述每个环 节在硬件特征上并不成立，可能几个环 节在一个硬件中，如测速直流电机既是 执行元件又是检测元件。
2019/10/26
13
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
13
1.3 伺服系统分类
伺服系统可分为三类
开环伺服控制系统 半闭环伺服控制系统 闭环伺服控制系统
§3 伺服控制器 3.1 伺服控制器概述 3.2 伺服控制器原理 3.3 松下伺服控制器介绍 3.4 松下伺服控制器常用设置应用 3.5 松下伺服控制器故障分析和处理
2019/10/26
2
CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
2
1.1 伺服概述
伺服电动机PPT课件
23
伺服电动机
怎样消除“自转”现象？
.
24
伺服电动机
当控制电压UC=0，只有励磁电压Uf时， 在单个绕组中通入交流电流产生的单相脉 动磁场可分为两个大小相等、方向相反的 旋转磁场，正向旋转磁场对转子产生拖动 转矩T+，反向旋转磁场对转子产生制动转 矩T－。当增大转子电阻，使sm≥1时，其合 成转矩T在电动机工作状态时成为负值，即 当控制电压消失后，处于单相运行的电动 机由于电磁转矩为制动性质。当电动机正 转时失去控制电压，产生的总转矩T为负 （0＜s＜ 1）；而反转时失去控制电压，
变，能在宽广的范围内连续调节。
(2)转子的惯性小，即能实现迅速起动、停转。
(3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。
(4)无“自转”现象，伺服电动机在控制电压消失后，
应立即停转；
.
8
伺服电动机
伺服电动机典型生产厂家 德国西门子，产品外形有：
伺服电机
伺服电机驱动器
.
9
伺服电动机
日本松下及安川，产品外形有：
控制电机主要用于自动控制系统和计算装置中，着重于特 性的精度和对控制信号的快速响应等。
普通电机主要用于电力拖动系统中，用来完成机电能量的 转换，着重于启动和运转状态能力指标的要求。
.
3
伺服电动机
控制电机的特点
1.控制电机在自动控制系统和计算装置中作为执行元件、 检测元件和解算元件。
2.控制电机的输出功率较小，一般从数百豪瓦到数百瓦。
控制电机的应用
控制电机在现代工业自动控制系统、现代科学技术和军事 装备中是必不可少的重要设备。如在数控机床、火炮和雷达的 自动定位、飞机的自动驾驶以及医疗等方面都有广泛的应用。
交流永磁同步伺服电机及其驱动技术 - PMSMPPT课件
速度指令（一般是位置回路的输出）与由光电编码器测量 出的电机实际速度相比较，误差在速度回路中经PI运算后 作为力矩回路的指令值。
实现磁场定向控制的程序流图
中断服务程序入口
开始 设定中断时间
DSP初始化
中断时间到
N
Y
中断服务程序
电流ia,ib采样 转子位置采样 计算电机实际速度 速度回路PI运算
clarck变换 Park变换
C1
uapwM ubpwM ucpwM
T1
T3
T5
Z
L1 L2 L3
o
uS
a
b
c /uapwM /ubpwM /ucpwM
ZZ
n
C2
T2
T4
T6
PMSM
IGBT （Insulated-gate Bipolar Transistor ）
由MOSFET和GTR复合而成，结合二者的优点。
GTR的特点——电流驱动，开关速度较低，所需驱 动功 率大，驱动电路复杂。但集电极和发射极间的电压基本不 随电压升高而变化。
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）。
n
ns
60 f p
rpm
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
⊙X
实物结构图
转子磁铁
定子绕组 霍尔传感器
PMSM优点
（1）功率密度大； （2）功率因数高（气隙磁场主要或全部由转
实现磁场定向控制的程序流图
中断服务程序入口
开始 设定中断时间
DSP初始化
中断时间到
N
Y
中断服务程序
电流ia,ib采样 转子位置采样 计算电机实际速度 速度回路PI运算
clarck变换 Park变换
C1
uapwM ubpwM ucpwM
T1
T3
T5
Z
L1 L2 L3
o
uS
a
b
c /uapwM /ubpwM /ucpwM
ZZ
n
C2
T2
T4
T6
PMSM
IGBT （Insulated-gate Bipolar Transistor ）
由MOSFET和GTR复合而成，结合二者的优点。
GTR的特点——电流驱动，开关速度较低，所需驱 动功 率大，驱动电路复杂。但集电极和发射极间的电压基本不 随电压升高而变化。
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）。
n
ns
60 f p
rpm
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
⊙X
实物结构图
转子磁铁
定子绕组 霍尔传感器
PMSM优点
（1）功率密度大； （2）功率因数高（气隙磁场主要或全部由转
《伺服驱动技术》课件
伺服驱动技术
汇报人：
目录
添加目录标题
伺服驱动技术概述
伺服驱动系统的组 成
伺服驱动技术的原 理
伺服驱动技术的性 能指标
伺服驱动技术的应 用案例
添加章节标题
伺服驱动技术概述
伺服驱动技术是一种通过控制电机的转速、位置和转矩来精确控制机械运动的技术。
伺服驱动技术广泛应用于工业自动化、机器人、数控机床等领域。
航空航天： 用于控制 航天器的 姿态和轨 道
汽车电子： 用于控制 汽车的电 子系统， 如刹车、 转向等
19世纪末，直流伺服电机诞生
20世纪初，交流伺服电机出现
20世纪50年代，数字伺服技术开始发 展
20世纪70年代，交流伺服技术逐渐成 熟
20世纪80年代，交流伺服技术广泛应 用于工业自动化领域
21世纪初，伺服驱动技术向智能化、 网络化方向发展
汽车电子：用于汽车电子设备的控制，如电动助力转向系统、电子稳定系统等
伺服驱动技术的未 来发展
趋势：智能化、网络化、 集成化
挑战：技术瓶颈、成本压 力、市场竞争
发展趋势：高性能、高精 度、高可靠性
挑战：技术更新、人才短 缺、市场变化
提高响应速度：通过优化控制算法和硬件设计，提高伺服驱动系统的响应速度。 提高精度：通过采用高精度传感器和精密控制算法，提高伺服驱动系统的精度。 提高稳定性：通过优化控制算法和硬件设计，提高伺服驱动系统的稳定性。 提高智能化水平：通过采用人工智能技术，提高伺服驱动系统的智能化水平。
伺服控制器是伺服驱动系统的核心部件，负责接收控制信号并输出相应的控制电流。
伺服控制器的工作原理是通过接收来自上位机的控制信号，经过处理后输出相应的控制电流， 控制伺服电机的转速和转矩。
汇报人：
目录
添加目录标题
伺服驱动技术概述
伺服驱动系统的组 成
伺服驱动技术的原 理
伺服驱动技术的性 能指标
伺服驱动技术的应 用案例
添加章节标题
伺服驱动技术概述
伺服驱动技术是一种通过控制电机的转速、位置和转矩来精确控制机械运动的技术。
伺服驱动技术广泛应用于工业自动化、机器人、数控机床等领域。
航空航天： 用于控制 航天器的 姿态和轨 道
汽车电子： 用于控制 汽车的电 子系统， 如刹车、 转向等
19世纪末，直流伺服电机诞生
20世纪初，交流伺服电机出现
20世纪50年代，数字伺服技术开始发 展
20世纪70年代，交流伺服技术逐渐成 熟
20世纪80年代，交流伺服技术广泛应 用于工业自动化领域
21世纪初，伺服驱动技术向智能化、 网络化方向发展
汽车电子：用于汽车电子设备的控制，如电动助力转向系统、电子稳定系统等
伺服驱动技术的未 来发展
趋势：智能化、网络化、 集成化
挑战：技术瓶颈、成本压 力、市场竞争
发展趋势：高性能、高精 度、高可靠性
挑战：技术更新、人才短 缺、市场变化
提高响应速度：通过优化控制算法和硬件设计，提高伺服驱动系统的响应速度。 提高精度：通过采用高精度传感器和精密控制算法，提高伺服驱动系统的精度。 提高稳定性：通过优化控制算法和硬件设计，提高伺服驱动系统的稳定性。 提高智能化水平：通过采用人工智能技术，提高伺服驱动系统的智能化水平。
伺服控制器是伺服驱动系统的核心部件，负责接收控制信号并输出相应的控制电流。
伺服控制器的工作原理是通过接收来自上位机的控制信号，经过处理后输出相应的控制电流， 控制伺服电机的转速和转矩。
最新交流永磁同步伺服电机及其驱动技术(精)
is
acos120jsin1201j 3 22
a2cos240jsin2401j 3
22
a
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
isia1 2ib1 2icj(23ib23ic)
c
11
33
isia2ib2icj(2ib2ic)
用矩阵可表示为
i i
1 0
1 2 3 2
1 2 3 2
ia ib ic
Park变换
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。
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，
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。 定义合成定子电流矢量为：
i s i a i b e j 1 2 0 i c e j 2 4 0
每性一的i 相变s 相化 电使i a 流得 空合i b e 间成j 1 矢定2 0 量子 幅电i c 值流e 和矢j 2 4 极量0 i a a i b a 2 i c
pmsm
力矩的控制由力矩回路实现。 图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ib作为clarke变换的
输入，ic可由三相电流对称关系ia+ib+ic=0求出。 clarke变换的输出i α,iβ ，与由编码器测出的转角Θ作为
park变换的输入，其输出id与iq作为电流反馈量与指令电流 idref及iqref比较，产生的误差在力矩回路中经PI运算后输 出电压值ud,uq。 再经逆park变换将这ud,uq变换成坐标系中的电压u α,uβ。 SVPWM算法将u α,uβ转换成逆变器中六个功放管的开关 控制信号以产生三相定子绕组电流。 速度的控制由速度回路实现。
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F s N is N ( ia a ib a 2 ic )
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
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、
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
（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。
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 。
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:
ns
60 f p
rpm
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；
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（ PMSM ） （Permanent Magnet Synchronous Motor ） 1、结构和工作原理
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
TF rF ssin(sr)
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 K tis
这与直流电机的力矩表达式是一样的。
问题可归结为：
1. 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？
2. 如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直？
3. 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？
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
b
isiaaiba2ic
is
acos120jsin1201j 3 22
a2cos240jsin2401j 3
相的轴线上。 定义合成定子电流矢量为：
is ia ib e j1 2 0 ic e j2 4 0 ia a ib a 2 ic
每一相相电流空间矢量幅值和极 性的变化使得合成定子电流矢量
is ia ibej1 2 0 icej2 4 0 ia a ib a2 ic
形成旋转磁场。
定义了合成定子电流矢量后，则定子绕组的 总磁势矢量为
磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。
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
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 Im sin sin(t 240)
ia ib ic 0
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。
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。
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）。
nns
60f p
rpm
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。
TF rF ssin(sr)
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
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
pmsm
速度、位置检测
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。
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。
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
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、
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
（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。
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 。
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:
ns
60 f p
rpm
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；
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（ PMSM ） （Permanent Magnet Synchronous Motor ） 1、结构和工作原理
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
TF rF ssin(sr)
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 K tis
这与直流电机的力矩表达式是一样的。
问题可归结为：
1. 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？
2. 如何保证定子磁势与转子磁势相互垂直？
3. 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？
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
b
isiaaiba2ic
is
acos120jsin1201j 3 22
a2cos240jsin2401j 3
相的轴线上。 定义合成定子电流矢量为：
is ia ib e j1 2 0 ic e j2 4 0 ia a ib a 2 ic
每一相相电流空间矢量幅值和极 性的变化使得合成定子电流矢量
is ia ibej1 2 0 icej2 4 0 ia a ib a2 ic
形成旋转磁场。
定义了合成定子电流矢量后，则定子绕组的 总磁势矢量为
磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。
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
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 Im sin sin(t 240)
ia ib ic 0
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。
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。
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）。
nns
60f p
rpm
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。
TF rF ssin(sr)
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
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
pmsm
速度、位置检测
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。
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。