无刷永磁伺服电动机学习教案

1、会计学1无刷永磁伺服电动机无刷永磁伺服电动机第一页，共114页。2第1页/共114页第二页，共114页。3转子结构的三种基本形式转子结构的三种基本形式 ： 按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电动机的转按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电动机的转子结构一般可分为表面式（凸装式）、嵌入式和内置式三种基本子结构一般可分为表面式（凸装式）、嵌入式和内置式三种基本形式。转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最主要的区别形式。转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最主要的区别，对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合，对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合(chng h)等等均具有重

2、要影响。均具有重要影响。 第2页/共114页第三页，共114页。4图图3-1 表面表面(biomin)式转子结构式转子结构 b）永磁体为圆环形）永磁体为圆环形 a）永磁体为瓦片形）永磁体为瓦片形 第3页/共114页第四页，共114页。5图图3-2 嵌入式转子嵌入式转子(zhun z)结构结构 对于高速运行的伺服电动机，对于高速运行的伺服电动机，采用表面式或嵌入式时，为了采用表面式或嵌入式时，为了防止离心力的破坏，常需在其防止离心力的破坏，常需在其外表面再套一非磁性金属套筒外表面再套一非磁性金属套筒或包以无纬玻璃丝带作为保护或包以无纬玻璃丝带作为保护层。层。第4页/共114页第五页，共114页。

3、6a）永磁体径向充磁）永磁体径向充磁 b）永磁体横向充磁）永磁体横向充磁 图图3-3 内置式转子内置式转子(zhun z)结构结构 相邻的永磁体串联相邻的永磁体串联相邻的永磁体并联相邻的永磁体并联第5页/共114页第六页，共114页。7 三种转子结构的比较三种转子结构的比较 表面式的特点：表面式结构的电机交、直轴电感相等，是表面式的特点：表面式结构的电机交、直轴电感相等，是一种隐极式同步电动机；由于有效一种隐极式同步电动机；由于有效(yuxio)气隙较大，绕组电气隙较大，绕组电感低，有利于改善电机的动态性能；可使转子做的直径小，惯感低，有利于改善电机的动态性能；可使转子做的直径小，惯量低。因此

4、许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。量低。因此许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。 第6页/共114页第七页，共114页。8 a）直轴磁通路径）直轴磁通路径 b）交轴磁通路径）交轴磁通路径 图图3-4 内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路(c l) 注意：注意：电励磁凸极同步电电励磁凸极同步电动机中直轴磁路磁阻小于交动机中直轴磁路磁阻小于交轴磁路，因此直轴同步电抗轴磁路，因此直轴同步电抗Xd（电感（电感Ld）大于交轴同步电）大于交轴同步电抗抗Xq（电感（电感Lq），而永磁同步），而永磁同步电动机中正好相反，其交、直电动机中正好相反，其交、直轴绕组电感

5、的关系是轴绕组电感的关系是Lq Ld。 第7页/共114页第八页，共114页。9对于伺服电动机而言，一对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广个基本要求是其转速能在宽广(kungung)的范围内连续调节，的范围内连续调节，因此无刷永磁伺服电动机通常因此无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电，采用变频调由变频电源供电，采用变频调速技术实现转速调节。变频电速技术实现转速调节。变频电源供电的永磁同步伺服电动机，源供电的永磁同步伺服电动机，由于供电电源频率可以由低频由于供电电源频率可以由低频逐渐升高，可以直接利用同步逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子上转矩使电动机起动，故转子上一

6、般不设阻尼绕组。一般不设阻尼绕组。第8页/共114页第九页，共114页。10电流（电压）的频率和相位受电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转子反映转子磁极空间位置的转子位置信号控制，是一种定子绕位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位自动组供电电源的频率和相位自动跟踪转子磁极空间位置的闭环跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机输入电控制方式。由于电动机输入电流的频率始终和转子的转速保流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变频方式的持同步，采用自控变频方式的同步电动机不会产生振荡和失同步电动机不会产生振荡和失步现象，故也称为自同步电动步现象，故也称为自同步电动机系

7、统。机系统。第9页/共114页第十页，共114页。11图图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成(z chn) 组成：组成：主要由主要由永磁同永磁同步电动机步电动机MS、转子位转子位置检测器置检测器BQ、逆变器逆变器和和控制器控制器4个部分组成。个部分组成。第10页/共114页第十一页，共114页。12 图中的逆变器通常为由电力图中的逆变器通常为由电力MOSFET、IGBT等全控型等全控型器件构成器件构成(guchng)，并采用脉宽调制技术的，并采用脉宽调制技术的PWM逆变逆变器，可以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均器，可以直接将输入的不可调直流电压变成频率

8、和大小均可调的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合，可调的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合，可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流电可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流电源提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成源提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成(guchng)了一台交了一台交-直直-交变频器。交变频器。 第11页/共114页第十二页，共114页。13简称永磁同步电动机简称永磁同步电动机（PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor）。）。定子绕组感应电动势为正弦波，定子绕组感应电动势为正弦波，为了产生

9、恒定转矩，定子绕组为了产生恒定转矩，定子绕组应通入正弦波电流。应通入正弦波电流。第12页/共114页第十三页，共114页。14第13页/共114页第十四页，共114页。15第14页/共114页第十五页，共114页。16变器供电的，并且工作在自控变器供电的，并且工作在自控变频方式或自同步方式下，因变频方式或自同步方式下，因此又是一种自控变频同步电动此又是一种自控变频同步电动机系统。鉴于此，目前既有人机系统。鉴于此，目前既有人将其归为直流电动机，也有人将其归为直流电动机，也有人将其归于同步电动机。将其归于同步电动机。第15页/共114页第十六页，共114页。17统统3.2.5 无刷直流电动机的转矩

10、脉无刷直流电动机的转矩脉动动第16页/共114页第十七页，共114页。18第17页/共114页第十八页，共114页。19第18页/共114页第十九页，共114页。20第19页/共114页第二十页，共114页。21 a)半桥电路半桥电路 b）绕组星形连接的桥式电路）绕组星形连接的桥式电路 c）绕组角形连接的桥式电路）绕组角形连接的桥式电路 图图3-6 三相无刷直流电动机三相无刷直流电动机(dngj)绕组连接方式绕组连接方式 第20页/共114页第二十一页，共114页。22第21页/共114页第二十二页，共114页。23工作工作(gngzu)情况情况分析：分析：图图3-7 三相无刷直流电动机原理图

11、三相无刷直流电动机原理图 设电机为设电机为2极，定子为三相极，定子为三相整距集中绕组，转子采用表面整距集中绕组，转子采用表面式结构，永磁体宽度为式结构，永磁体宽度为120电角度，转子按逆时针方向电角度，转子按逆时针方向旋转，电角速度为旋转，电角速度为 r 。 rt=0 换相前；换相后换相前；换相后 rt=60换相前；换相后换相前；换相后 第22页/共114页第二十三页，共114页。24图图3-8 无刷直流电动机工作无刷直流电动机工作(gngzu)原理原理 a） rt=0换相换相前前a） rt=0换相前换相前b） rt=0换相换相后后图图3-9 不同不同(b tn)时刻的电流路径时刻的电流路径

12、b） rt=0换相换相后后第23页/共114页第二十四页，共114页。25图图3-8 无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)工作原理工作原理 c） rt=60换相前换相前c） rt=60换相后换相后图图3-9 不同不同(b tn)时刻的电流路径时刻的电流路径 d） rt=60换相换相后后b） rt=60换相前换相前第24页/共114页第二十五页，共114页。26难得出，各难得出，各60区间同时导通的区间同时导通的功率开关依次为功率开关依次为V6V1V1V2V2V3V3V4 V4V5 V5V6。 由此可见，根据转子磁极的空间位置，通过逆变器改变绕组电流由此可见，根据转子磁极的空间位置，通过逆变

13、器改变绕组电流的通断情况的通断情况(qngkung)，实现绕组电流换相，在直流电流一定的，实现绕组电流换相，在直流电流一定的情况情况(qngkung)下，只要主磁极所覆盖的空间足够宽，则任何时下，只要主磁极所覆盖的空间足够宽，则任何时刻永磁磁极所覆盖线圈边中的电流方向及大小均保持不变，导体所刻永磁磁极所覆盖线圈边中的电流方向及大小均保持不变，导体所受电磁力在转子上产生的反作用转矩大小、方向也保持不变。受电磁力在转子上产生的反作用转矩大小、方向也保持不变。 第25页/共114页第二十六页，共114页。27第26页/共114页第二十七页，共114页。28图图3-10 气隙磁场的空间气隙磁场的空间(

14、kngjin)分布分布 仍以转子处于仍以转子处于图图3-8a）所示时刻为所示时刻为t=0时刻，三相定子绕组感应电动势、时刻，三相定子绕组感应电动势、电流波形如电流波形如图图3-11所示，其中各量所示，其中各量的正方向参见的正方向参见图图3-7。 （以（以A相为例说明有关波形）相为例说明有关波形）第27页/共114页第二十八页，共114页。29ree PT （3-1） 式中，式中，r为转子为转子(zhun z)机械角速度。机械角速度。 而三相无刷直流电动机的电磁功率瞬时值为而三相无刷直流电动机的电磁功率瞬时值为 CCBBAAeieieieP （3-2） 观察观察图图3-11可以发现，在理想情况下

15、任意时刻三相绕组中可以发现，在理想情况下任意时刻三相绕组中均有两相导通，一相电动势为均有两相导通，一相电动势为Ep、电流为、电流为Id；另一相电动势为；另一相电动势为-Ep、电流为、电流为-Id。以。以060区间为例，有：区间为例，有：eA=Ep，iA=Id，eB=-Ep，iB= -Id，而，而iC=0。故任意时刻均有。故任意时刻均有 第28页/共114页第二十九页，共114页。30dpCCBBAAe2IEieieieP （3-3） rdprCCBBAAe2IEieieieT （3-4） 可见，理想可见，理想(lxing)情况下无刷直流电动机的电磁转矩是恒情况下无刷直流电动机的电磁转矩是恒定的

16、，波形如图定的，波形如图3-11所示。所示。 考虑到绕组感应电动势幅值考虑到绕组感应电动势幅值Ep与转速成正比，则应有与转速成正比，则应有rppnKE （3-5） 式中，式中，nr为转速，单位为为转速，单位为r/min；Kp为与电机结构有关的常为与电机结构有关的常数，并和永磁体产生的气隙磁密数，并和永磁体产生的气隙磁密B 或每极磁通或每极磁通 成正比。成正比。 第29页/共114页第三十页，共114页。31rr602ndtdprdrpe602IKIKInKT （3-6） 式中，式中，Kt为电机为电机(dinj)的转的转矩系数，矩系数， pt60KK 式（式（3-6）表明，无刷直流电动机的电磁转

17、矩公式与普通有刷直流）表明，无刷直流电动机的电磁转矩公式与普通有刷直流电动机相同，若不计电枢反应磁动势对气隙磁场的影响，转矩系数电动机相同，若不计电枢反应磁动势对气隙磁场的影响，转矩系数Kt为常数，电磁转矩与定子电流成正比，通过控制定子电流大小为常数，电磁转矩与定子电流成正比，通过控制定子电流大小就可以控制电磁转矩，因此无刷直流电动机具有与有刷直流电动就可以控制电磁转矩，因此无刷直流电动机具有与有刷直流电动机同样优良的控制性能。机同样优良的控制性能。第30页/共114页第三十一页，共114页。32ABdsBBsAAsd2)(eIReiReiRU （3-7） 式中，式中，Rs为定子为定子(dng

18、z)绕组每相电阻；绕组每相电阻；eAB为为A、B两相两相间的线电动势，间的线电动势， eAB=eA-eB 。 第31页/共114页第三十二页，共114页。33（3-8） 不难看出，式（不难看出，式（3-8）对其它区间同样适用，即式（）对其它区间同样适用，即式（3-8）就是三）就是三相无刷直流电动机的直流回路电压平衡方程相无刷直流电动机的直流回路电压平衡方程(fngchng)。将式（。将式（3-5）代入式（）代入式（3-8），并解出转速），并解出转速nr，可得无刷直流电动机的转速，可得无刷直流电动机的转速公式为公式为pdsd22EIRU dpspdpdsdr222IKRKUKIRUn （3-9）

19、 将式（将式（3-6）代入上式，可得机械特性方程式）代入上式，可得机械特性方程式 etpspdr2TKKRKUn （3-10） 第32页/共114页第三十三页，共114页。34 综合以上分析，图综合以上分析，图3-7所示的无刷直流电动机无论是转矩所示的无刷直流电动机无论是转矩公式公式(gngsh)、转速公式、转速公式(gngsh)，还是机械特性方程在形，还是机械特性方程在形式上均与他励直流电动机相同，即其与直流电动机具有相同式上均与他励直流电动机相同，即其与直流电动机具有相同的电磁关系和特性，若从图的电磁关系和特性，若从图3-7直流电源的正、负端子看进直流电源的正、负端子看进去，整个虚线框中的

20、部分就等同于一台他励直流电动机，施去，整个虚线框中的部分就等同于一台他励直流电动机，施加于逆变器的直流电压和电流就相当于直流电动机的电枢电加于逆变器的直流电压和电流就相当于直流电动机的电枢电压和电流。由此可见，压和电流。由此可见，“无刷直流电动机无刷直流电动机”这一术语应该是指这一术语应该是指永磁伺服电动机、逆变器、转子位置检测器及相应换相控制永磁伺服电动机、逆变器、转子位置检测器及相应换相控制电路的组合体，而并非仅指电动机本体。电路的组合体，而并非仅指电动机本体。 第33页/共114页第三十四页，共114页。35第34页/共114页第三十五页，共114页。36 假定三相无刷直流电动机定子绕组

21、假定三相无刷直流电动机定子绕组Y接，无中线引出；转接，无中线引出；转子采用表面子采用表面(biomin)式结构，且无阻尼绕组；忽略铁心磁式结构，且无阻尼绕组；忽略铁心磁滞和涡流损耗，并不计磁路饱和影响。采用图滞和涡流损耗，并不计磁路饱和影响。采用图3-7所示的正所示的正方向规定，对各相绕组分别列电压方程并写成矩阵形式，可方向规定，对各相绕组分别列电压方程并写成矩阵形式，可得得 第35页/共114页第三十六页，共114页。37 CBACBACCBCABCBBAACABACBAsssCBAdd000000eeeiiiLLLLLLLLLtiiiRRRuuu（3-11） 前已述及，表面前已述及，表面(

22、biomin)式转子结构的无刷永磁伺服电动机是一种隐极式同步电式转子结构的无刷永磁伺服电动机是一种隐极式同步电机，其自感和互感均与转子位置无关，为常值，同时考虑到定子三相绕组的对称性，机，其自感和互感均与转子位置无关，为常值，同时考虑到定子三相绕组的对称性，故有故有 sCBALLLL mCBBCACCABAABLLLLLLL 式中，式中，Ls为每相绕组自感，为每相绕组自感，Lm为相间互感。为相间互感。 第36页/共114页第三十七页，共114页。38（3-12） 根据根据(gnj)式（式（3-13），无刷直流电动机的等效电路如图），无刷直流电动机的等效电路如图3-13所示。所示。 则式（则式（

23、3-11）变为）变为 CBACBAsmmmsmmmsCBAsssCBAdd000000eeeiiiLLLLLLLLLtiiiRRRuuu CBACBAmsmsmsCBAsssCBA000000dd000000eeeiiiLLLLLLtiiiRRRuuu（3-13） 第37页/共114页第三十八页，共114页。39（3-14） 式（式（3-13）（3-15）构成了无刷直流电动机）构成了无刷直流电动机(dngj)电机本体电机本体的动态数学模型，进行系统仿真时还需与逆变器及控制电路相的动态数学模型，进行系统仿真时还需与逆变器及控制电路相结合。结合。 （3-15） )(1CCBBAAreieieieT

24、 机械运动方程为机械运动方程为tJTTddrLe 式中，式中，TL为负载转矩；为负载转矩；J为转动惯量。为转动惯量。 图图3-13 三相无刷直流电动机的等效电路三相无刷直流电动机的等效电路第38页/共114页第三十九页，共114页。40第39页/共114页第四十页，共114页。41第40页/共114页第四十一页，共114页。42图图3-14转子位置信号转子位置信号(xnho)与换相控制与换相控制101 100 110 010 011 001 101第41页/共114页第四十二页，共114页。43 各功率开关的控制信号也可以各功率开关的控制信号也可以(ky)由硬件译码电路产生，如由硬件译码电路产

25、生，如图图3-14中中V1V6所示，由所示，由SA、SB、SC通过逻辑运算可得通过逻辑运算可得V1V6六个功率开关的导通信号分别为六个功率开关的导通信号分别为 、 、 、 、 、BASSCASSCBSSABSSACSSBCSS第42页/共114页第四十三页，共114页。44第43页/共114页第四十四页，共114页。45 下面以对应于图下面以对应于图3-14中的中的060区间为例，说明两种斩波方式区间为例，说明两种斩波方式(fngsh)的具体工作情况。的具体工作情况。 根据换相逻辑，在根据换相逻辑，在060区间区间V1、V6处于工作状态，处于工作状态，其它功率开关始终关断。其它功率开关始终关断

26、。 第44页/共114页第四十五页，共114页。46 图图3-15 PWM控制控制(kngzh)时的电流路径时的电流路径 a）PWM导通期间的电流路径导通期间的电流路径 b）PWM关断期间的电流路径（反馈）关断期间的电流路径（反馈） 第45页/共114页第四十六页，共114页。47 若若PWM周期为周期为T，每个开关周期中，每个开关周期中导通时间为导通时间为ton，则施加到定子绕组，则施加到定子绕组(roz)的电压平均值为的电压平均值为 ddondond) 12()(1UUtTUtTU （3-16） 式中，式中， =ton/T为导通占空比。为导通占空比。 反馈斩波方式时绕组反馈斩波方式时绕组(

27、roz)电压波形如图电压波形如图3-16a）所示。）所示。图3-16 a）反馈方式时的绕组电压波形 第46页/共114页第四十七页，共114页。48 图图3-15 PWM控制时的电流控制时的电流(dinli)路路径径 a）PWM导通期间的电流路径导通期间的电流路径 c）PWM关断期间的电流路径（续流）关断期间的电流路径（续流） 第47页/共114页第四十八页，共114页。49定子定子(dngz)绕组的电压平均值为绕组的电压平均值为 （3-17） 续流斩波方式时绕组续流斩波方式时绕组(roz)电压波形如图电压波形如图3-16b）所示。）所示。ddondUUTtU 可见采用可见采用PWM方式时，在

28、直流电压方式时，在直流电压Ud一定的条件下，通过改变一定的条件下，通过改变PWM信号的占空比信号的占空比 ，就可以改变加到无刷直流电动机定，就可以改变加到无刷直流电动机定子绕组的电压平均值，从而调节电机的转速，此时式子绕组的电压平均值，从而调节电机的转速，此时式（3-9）、（）、（3-10）转速公式和机械特性方程中的）转速公式和机械特性方程中的Ud应代入应代入Ud。 图图3-16 b）续流方式）续流方式时的绕组电压波形时的绕组电压波形 第48页/共114页第四十九页，共114页。50 续流斩波方式中，在每个续流斩波方式中，在每个60区间既可以对上桥臂功率开关进行区间既可以对上桥臂功率开关进行P

29、WM控制，也可以对下桥臂开关进行控制，也可以对下桥臂开关进行PWM控制；在各个控制；在各个60区间区间既可以始终只对上桥臂或下桥臂开关进行既可以始终只对上桥臂或下桥臂开关进行PWM控制，也可以交替对控制，也可以交替对上、下桥臂进行上、下桥臂进行PWM控制。为了实现简单，常采用前者。仅对上桥控制。为了实现简单，常采用前者。仅对上桥臂进行臂进行PWM控制时，控制时，6个功率开关的控制信号波形如图个功率开关的控制信号波形如图3-17所示。所示。这种控制方式的不足之处是，开关损耗在各功率开关之间分配不均这种控制方式的不足之处是，开关损耗在各功率开关之间分配不均匀，当各桥臂使用相同的功率器件匀，当各桥臂

30、使用相同的功率器件(qjin)时，其电流容量不能得到时，其电流容量不能得到充分利用。充分利用。 第49页/共114页第五十页，共114页。51第50页/共114页第五十一页，共114页。52l采用反馈斩波对直流侧电流进行采用反馈斩波对直流侧电流进行PWM电流控制电流控制(kngzh)的原理的原理l 设在设在A相正向导通、相正向导通、B相反向导通的相反向导通的60区间，若区间，若IdId*，则使，则使V1、V6关断，绕组电压关断，绕组电压uAB=-Ud，电流迅速下降。由此，根据，电流迅速下降。由此，根据实测电流与给定值的偏差控制实测电流与给定值的偏差控制(kngzh)相应功率开关的通断，相应功率

31、开关的通断，可以使实际电流可以使实际电流Id在给定值在给定值Id*附近的小范围内波动。在性能要附近的小范围内波动。在性能要求较高的伺服系统中，常采用求较高的伺服系统中，常采用PWM电流控制电流控制(kngzh)方式。方式。 第51页/共114页第五十二页，共114页。53图图3-18 三相三相(sn xin)无刷直流电动机控制系统举例无刷直流电动机控制系统举例第52页/共114页第五十三页，共114页。54图图3-19 解码器输出解码器输出(shch)信号波形信号波形第53页/共114页第五十四页，共114页。55际系统中也可以由一个传感器际系统中也可以由一个传感器同时完成位置和转速的检测。同

32、时完成位置和转速的检测。第54页/共114页第五十五页，共114页。56第55页/共114页第五十六页，共114页。57 对于对于(duy)图图3-18所示的系统，正向电动运行状态下所示的系统，正向电动运行状态下转速调节器输出的相电流幅值给定值转速调节器输出的相电流幅值给定值Id*为正；若为正；若Id*变变为负值，则各相电流反相，电机即工作在正向制动运行为负值，则各相电流反相，电机即工作在正向制动运行状态。状态。 无刷直流电动机在反向转矩作用下也可以反向旋转，在反无刷直流电动机在反向转矩作用下也可以反向旋转，在反向运转时同样可以通过换相控制实现反向电动运行和反向制向运转时同样可以通过换相控制实

33、现反向电动运行和反向制动运行，即动运行，即无刷直流电动机通过改变逆变器功率开关通断无刷直流电动机通过改变逆变器功率开关通断信号与转子位置信号的逻辑关系，可以方便地实现四象限信号与转子位置信号的逻辑关系，可以方便地实现四象限运行。运行。 第56页/共114页第五十七页，共114页。58 感应电动势波形既与永磁磁场感应电动势波形既与永磁磁场的空间的空间(kngjin)分布有关，又与分布有关，又与定子绕组结构及是否采用斜槽等定子绕组结构及是否采用斜槽等有关，典型电动势波形如图有关，典型电动势波形如图3-20所所示，平顶宽度小于示，平顶宽度小于120电角度。电角度。当定子为整距集中绕组，且无定当定子为

34、整距集中绕组，且无定子斜槽和转子斜极时，波形畸变子斜槽和转子斜极时，波形畸变较小。较小。 图图3-20 典型的感应电动势典型的感应电动势和绕组电流波形和绕组电流波形 第57页/共114页第五十八页，共114页。59图图3-20 典型典型(dinxng)的的感应电动势和绕组电流波感应电动势和绕组电流波形形 感应电动势和绕组电流波形与理想波形的偏差均会导致电磁转矩感应电动势和绕组电流波形与理想波形的偏差均会导致电磁转矩脉动。其中电流换相影响最大，可能产生很大的转矩尖峰。而由脉动。其中电流换相影响最大，可能产生很大的转矩尖峰。而由PWM控制产生的电流纹波由于频率较高（一般大于控制产生的电流纹波由于频

35、率较高（一般大于5kHz），考），考虑到电机机械惯性的滤波作用，由此产生的转矩脉动对转速影响很虑到电机机械惯性的滤波作用，由此产生的转矩脉动对转速影响很小，一般可不必考虑。小，一般可不必考虑。第58页/共114页第五十九页，共114页。60 无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机相比，控制无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机相比，控制要求及控制系统都相对简单，成本较低，而且具有更高要求及控制系统都相对简单，成本较低，而且具有更高的功率密度，因此得到的功率密度，因此得到(d do)了广泛应用。但由于转矩了广泛应用。但由于转矩脉动较大，使其在高性能伺服系统中的应用受到一定限脉动较大，使其在高性能伺服

36、系统中的应用受到一定限制。制。第59页/共114页第六十页，共114页。61第60页/共114页第六十一页，共114页。62第61页/共114页第六十二页，共114页。63磁体基波励磁磁磁体基波励磁磁场轴线（磁极轴场轴线（磁极轴线）为线）为d轴（直轴（直轴），顺着旋转轴），顺着旋转方向超前方向超前d轴轴90为为q轴（交轴（交轴），轴），dq坐标系坐标系随同转子一道以随同转子一道以电角速度电角速度r在在空间旋转。空间旋转。图图3-21 dq坐标系中的永磁同步坐标系中的永磁同步(tngb)电动机电动机 第62页/共114页第六十三页，共114页。64立正弦波永磁同步电动机的动立正弦波永磁同步电动机

37、的动态方程。态方程。电压方程电压方程 参考第参考第2.6节两相旋转坐标系节两相旋转坐标系MT中三相感应电动机定子绕组电中三相感应电动机定子绕组电压方程的建立压方程的建立(jinl)过程及式（过程及式（2-91）不难得到，永磁同步电动机）不难得到，永磁同步电动机定子绕组电压方程应为定子绕组电压方程应为 第63页/共114页第六十四页，共114页。65磁链方程磁链方程(fngchng) 由图由图3-21，定子绕组磁链方程，定子绕组磁链方程(fngchng)为为 drqqsqqrddsdpiRupiRu (3-18) qqqfdddiLiL (3-19) 式中,Ld、Lq为d、q轴绕组的自感； f为

38、转子(zhun z)永磁体在d轴绕组中产生的永磁励磁磁链。 注意：注意：对于三相感应电动机由于转子结构对称，M、T绕组的自感相同，均为L11。而在永磁同步伺服电动机中，由于d、q轴转子磁路不一定对称，故分别用Ld、Lq表示。 第64页/共114页第六十五页，共114页。66转矩方程转矩方程 参考参考(cnko)式（式（2-96)，永磁同步电动机的转矩方程应，永磁同步电动机的转矩方程应为为 (3-20) (3-21) 将式（3-19）代入式（3-20），得电磁(dinc)转矩的另一表达形式 由上式可以看出，正弦波永磁同步电动机的电磁转矩包含两个部分，第一部分对应于式(3-21)等号右边第一项，是

39、由定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的，称为永磁转矩永磁转矩或励磁转励磁转矩矩；第二部分对应于式(3-21)等号右边第二项，是由转子凸极效应引起的，称为磁阻转矩磁阻转矩。磁阻转矩只有在交、直轴磁路磁阻不等，即LdLq时才会产生。 )(dqqdneiipT)(dqqdqfneiiLLipT第65页/共114页第六十六页，共114页。67磁阻转矩与转子结构磁阻转矩与转子结构 如转子采用表面式结构，由于永磁体的磁导率与气隙相近，如转子采用表面式结构，由于永磁体的磁导率与气隙相近，转子交、直轴磁路对称，转子交、直轴磁路对称，Ld=Lq，故磁阻转矩为零；如转子为，故磁阻转矩为零；如转子为嵌入式或内置式

40、，直轴上由于永磁体的存在使磁阻增大，故嵌入式或内置式，直轴上由于永磁体的存在使磁阻增大，故LdLq，则当，则当id、iq均不为零时，就要产生均不为零时，就要产生(chnshng)磁阻转磁阻转矩。考虑到（矩。考虑到（Ld-Lq）0，为使磁阻转矩与永磁转矩方向相同，为使磁阻转矩与永磁转矩方向相同，应使电动机的直轴电流分量应使电动机的直轴电流分量id0。 (3-22) 稳态方程稳态方程 当电机稳态运行当电机稳态运行(ynxng)时，考虑到时，考虑到d、q均为常数，由式均为常数，由式（3-18）和式（）和式（3-19）可得）可得 ddrfrqsqqqrdsdiLiRuiLiRu第66页/共114页第六

41、十七页，共114页。68由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相(sn xin)交流电流iA、iB、iC，因此实现时一般需将dq坐标系中的电流给定值id*，iq*，经二相旋转坐标系到三相(sn xin)静止坐标系的坐标变换得到三相(sn xin)电流的给定值iA*、iB*、iC*。由附录A中式（A-19），考虑到i0=0，可得 qdCBA)240sin()240cos()120sin()120cos(sincos32*iiiii（3-23） 式中，为d轴领先定子A相绕组轴线的电角度。 第67页/共114页第六十八页，共114页。69 控制策略 正弦波永磁同步(tngb)电动机因结构或用途不同，所

42、采用的控制策略也有所不同，其中最简单，也是伺服驱动系统中最常用的是id=0控制。 第68页/共114页第六十九页，共114页。70 由于f恒定，式（3-24）表明，采用id=0控制的正弦波永磁同步电动机中，电磁(dinc)转矩与定子电流的幅值成正比，控制定子电流的大小就能很好地控制电磁(dinc)转矩，和直流电动机完全相同。sfnqfneipipT (3-24) 式中，is为定子电流矢量is的模， ，对于id=0控制，有is=iq。is与定子绕组电流的幅值相对应。 2q2dsiii第69页/共114页第七十页，共114页。71 (3-25) 相应(xingyng)定子电压矢量us的模为frqq

43、qrduiLu2f2qqr2q2ds)(iLuuu (3-26) 图图3-22 id=0控制时的矢量图控制时的矢量图第70页/共114页第七十一页，共114页。72第71页/共114页第七十二页，共114页。73图图3-23 采用采用id=0控制控制(kngzh)的正弦波永磁同步电动机矢量控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制(kngzh)伺服系统伺服系统 第72页/共114页第七十三页，共114页。74 但永磁同步(tngb)电动机转子为永磁体励磁，无法象直流电动机那样通过调节励磁电流实现弱磁。第73页/共114页第七十四页，共114页。75图图3-24 弱磁控制弱磁控制(kngzh)时的矢量图

44、时的矢量图 对于表面式转子结构，由于电机有效气隙较大，电感Ld数值很小，电枢反应作用较弱，弱磁调速范围不大。 第74页/共114页第七十五页，共114页。76 不足：由图3-22可见，电流is总是滞后电压us一个角，这意味着电动机的功率因数总是滞后的，而且随着负载转矩的增加，电流iq增大(zn d)，角增大(zn d)，功率因数降低。另外随负载增加，所需定子电压也相应增大(zn d)，因此对变频器的容量要求较高。不过对于表面式电机，由于有效气隙大，电感Ld=Lq的值很小，因此角始终较小，上述问题并不严重。 第75页/共114页第七十六页，共114页。77 对于内置式正弦波永磁同步电动机，由于q

45、轴电感(din n)Lq较大，随着负载增加会导致角显著增大，功率因数明显降低，而且同样情况下所需的定子电压也较大，考虑逆变器输出电压限制时的恒转矩调速范围减少，可见内置式永磁同步电动机采用id=0控制时性能不如表面式。 内置式永磁电动机经适当设计可获得较大的弱磁调速范围。 第76页/共114页第七十七页，共114页。78 概述概述 性能比较性能比较1成本成本(chngbn)2转矩惯量和功率密度转矩惯量和功率密度3转速范围转速范围4转矩电流转矩电流5脉动转矩脉动转矩 其它差异其它差异第77页/共114页第七十八页，共114页。79第78页/共114页第七十九页，共114页。80 性能比较性能比较

46、 1成本成本 交流伺服驱动系统主要包括三大组成部分：伺服电动机、交流伺服驱动系统主要包括三大组成部分：伺服电动机、变频装置、控制系统。对于由三相感应电动机、无刷直流电变频装置、控制系统。对于由三相感应电动机、无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机组成的伺服驱动系统而言，后动机和正弦波永磁同步电动机组成的伺服驱动系统而言，后两部分的成本差不多，因为两部分的成本差不多，因为(yn wi)逆变器和控制器的功能逆变器和控制器的功能几乎是相同的，而就电动机本身来讲，无刷永磁伺服电动机几乎是相同的，而就电动机本身来讲，无刷永磁伺服电动机要比三相感应伺服电动机昂贵得多。要比三相感应伺服电动机昂贵得多。 第79

47、页/共114页第八十页，共114页。81第80页/共114页第八十一页，共114页。82第81页/共114页第八十二页，共114页。83 5脉动转矩 三相感应伺服电动机和正弦波永磁同步电动机中，定子绕组电流除了正弦基波分量之外，还不可避免地存在谐波，它们(t men)与转子磁场相互作用将产生脉动转矩，称为纹波转矩。对于正弦波永磁同步电动机，除了纹波转矩外，定子齿槽与转子永磁体相互作用还会产生齿槽转矩。 第82页/共114页第八十三页，共114页。84 第3.2.5节专门讨论过无刷直流电动机的转矩脉动问题，在无刷直流电动机中，感应电动势波形的畸变、PWM控制引起的电流纹波及绕组电流换相均会使转矩

48、产生脉动，此外作为永磁电动机还要受到齿槽转矩的影响。特别是电流换相会产生幅值较大的6倍基波频率的脉动转矩，使无刷直流电动机在高性能伺服领域中的应用(yngyng)受到一定限制。 第83页/共114页第八十四页，共114页。85第84页/共114页第八十五页，共114页。86第85页/共114页第八十六页，共114页。87图图3-1 表面式转子表面式转子(zhun z)结构结构 a）永磁体为瓦片(w pin)形 b）永磁体为圆环形 第86页/共114页第八十七页，共114页。88图图3-2 嵌入式转子嵌入式转子(zhun z)结构结构第87页/共114页第八十八页，共114页。89 a）永磁体径

49、向充磁(chng c) b）永磁体横向充磁(chng c) 图图3-3 内置式转子内置式转子(zhun z)结构结构第88页/共114页第八十九页，共114页。90 a）直轴磁通路径(ljng) b）交轴磁通路径(ljng) 图图3-4 内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路(c l) 第89页/共114页第九十页，共114页。91图图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成(z chn)第90页/共114页第九十一页，共114页。92 a)半桥电路(dinl)； b）绕组星形连接的桥式电路(dinl)；c）绕组角形连接的桥式电路(dinl) 图图3-6 三相无刷直流电动机绕组三相无刷直流电动机绕组(roz)连接方式连接方式 第91页/共114页第九十二页，共114页。93图图3-7 三相三相(sn xin)无刷直