交流永磁同步伺服电机及其驱动技术精
永磁同步电机伺服驱动系统概述
文献综述——永處同步电机伺服驱动系统—.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发展，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O永磁材料的选择对电机的结构和性能影响很大。
目前广泛应用于永磁体主要有铁氧体、稀土钻以及铁铁硼三类永磁材料。
其中钱•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商于其他两类永磁材料，且成本比稀土姑低得多，是目前应用置为广泛的永磁材料。
永饌材料的发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. 交流伺服系统的槪念及分类1.1概念伺服来自英文单词Servo,指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。
伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。
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斷提鬲，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离，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) o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纽，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，因此具有转子转动惯董小、响应速度快、效率离、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。
永磁同步伺服电机驱动器设计原理
永磁同步伺服电机驱动器设计原理永磁同步伺服电机（PMSM）是一种使用永磁体作为转子的电机，具有高效率、高功率密度和高响应性能等优点，在伺服驱动系统中得到广泛应用。
PMSM驱动器设计的目标是实现高性能的电机控制，以提高系统的速度和位置精度，并确保系统稳定性和可靠性。
PMSM驱动器的基本原理是通过实施闭环控制来控制电机的运行。
闭环控制系统包括三个主要组件：传感器、控制器和功率放大器。
传感器用于测量电机的位置、速度和电流等参数，控制器根据传感器的反馈信号计算出合适的控制信号，并通过功率放大器将控制信号转换成适合驱动电机的功率信号。
PMSM驱动器的设计首先需要确定电机的参数，包括额定功率、额定电压、转子惯量等。
然后需要选择适当的功率放大器，以满足所需的功率输出和控制频率。
常用的功率放大器包括直流到交流（DC-AC）逆变器，其将直流电源变换为适用于PMSM的交流电信号。
逆变器的设计需要注意输出电流和电压的能力、滤波电路的设计和开关器件的选择等方面。
控制器是PMSM驱动器设计的核心组件。
控制器的功能是根据传感器的反馈信号计算电机的电流、角度和位置等参数，并控制功率放大器输出相应的控制信号。
控制器通常采用数字信号处理器（DSP）或嵌入式微控制器来实现。
控制器的设计需要考虑控制算法的选择、采样频率的确定以及传感器噪声和测量误差的补偿等因素。
在PMSM驱动器设计中，还需要考虑保护电路的设计。
保护电路的作用是检测异常情况，如过流、过压、过温等，并采取相应的措施，例如切断电源或减少输出功率以保护电机和驱动器。
保护电路的设计需要根据具体应用需求和系统特点进行定制，以确保系统的安全可靠性。
除了驱动器的硬件设计，软件的编程和调试也是一个重要的方面。
通常需要编写控制算法，包括速度环和位置环的设计、电流控制和闭环控制等。
同时，还需要进行系统的参数标定和校准，以确保驱动器能够准确地控制电机并实现所需的性能指标。
综上所述，PMSM驱动器设计的原理包括硬件电路设计、控制算法设计和系统参数调试等方面。
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
实用文档
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。
永磁同步伺服电机(PMSM)驱动器原理
永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理中达电通股份有限公司中达电通公司伺服数控产品处 周瑞华 Zhou Reihua摘 要： 永磁交流伺服系统以其卓越的性能越来越广泛地应用到机器人、数控等领域，本文对其驱动器的功能实现做了简单的描述，其中包括整流部分的整流过程、逆变部分的脉宽调制（PWM ）技术的实现、控制单元相应的算法等三个部分。
关键词： DSP 整流 逆变 PWM 矢量控制 1 引言随着现代电机技术、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：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态；（5）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。
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。
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。
2 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。
永磁同步伺服电机驱动器原理
转载永磁同步伺服电机驱动器原理2008-11-11 13:35功率驱动单元功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。
经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。
功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。
整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
逆变部分（DC-AC）采用采用的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)，主要拓扑结构是采用了三相桥式电路原理图见图3，利用了脉宽调制技术即PWM(Pulse Width Modulation)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间比,也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小以达到调节功率的目的。
图3 三相逆变电路图3中～是六个功率开关管，、、分别代表3个桥臂。
对各桥臂的开关状态做以下规定：当上桥臂开关管“开”状态时（此时下桥臂开关管必然是“关”状态），开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态时（此时下桥臂开关管必然是“关”状态），开关状态为0。
三个桥臂只有“0”和“1”两种状态，因此、、形成000、001、010、011、100、101、111共八种开关管模式，其中000和111开关模式使逆变输出电压为零，所以称这种开关模式为零状态。
输出的线电压为、、，相电压为、、，其中为直流电源电压（总线电压），根据以上分析可得到下表的总结。
表三相逆变电路分析/3 /3-/3 /3 -/3 /34 控制单元伺服驱动器控制交流永磁伺服电机( PMSM)伺服驱动器在控制交流永磁伺服电机时,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4所示由于交流永磁伺服电机(PMSM) 采用的是永久磁铁励磁,其磁场可以视为是恒定;同时交流永磁伺服电机的电机转速就是同步转速,即其转差为零。
永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理
永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理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。
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。
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。
我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。
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，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、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，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。
伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。
如图2所示功率板(驱动板)是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元ipm用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。
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。
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
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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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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。
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
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 t
ib
Im
sin(t
120)
ic Im 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。
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，
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。
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
is
acos120jsin1201j 3 22
a2cos240jsin2401j 3
22
a
isia1 2ib1 2icj(23ib23ic)
c
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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
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
定义一个以转速ω旋转的直角坐标系 ，其转角为 θ=ωt
在此坐标系中电流矢量是一个静止矢量，其分量id, iq也就成 了非时变量（直流量）。
由几何关系可得出空间矢量从（α,β)坐标系到 （d,q)坐标 系的变换关系：
β
id i cos i sin q
iq i sin i cos
iβ
id iq
cos sin
sini
cosi
iq
is
id
d
θ
i
id iq
csoisn
sini
cosi
iiຫໍສະໝຸດ 1 01 2 3 2
1 2 3 2
ia ib ic
现在得到了从ia,ib,ic到id,iq的变换。求逆即是反变 换。
式中，θ可由传感器测量得到。
在（d,q)坐标系中，合成定子电流是一个标量，可 表示为：
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
因此，必须将虚拟量变换回这些真实的物 理量，这可通过如上clarck、Park变换的逆 变换实现。
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？
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。
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
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。
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。
is id2 iq2
如果使is在q轴上（即让id=0)，使转子磁极在d轴
上，则，
s
r
2
即定子磁场与转子磁场相互垂直，此时电机的力 矩为
T F rF ssin (sr) K tiq
在（d,q)坐标系中，我们可象直流电机那样，通过 控制电流来改变电机的转矩。
Id, iq并不是真实的物理量，电机力矩的控 制最终还是定子绕组电流ia,ib,ic或定子绕组 电压ua,ub,uc实现，
力矩控制
由电机统一理论，电机的力矩 大小可表示为
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？