伺服电机的设计和特性

1、伺服电机的设计和特性李铁才2013英飞凌中国伺服控制研讨会1伺服电机的种类和结构特点普通伺服电机精密伺服电机减速齿轮伺服电机直接驱动伺服电机分装式力矩伺服电机一体化伺服电机电动机于19世纪20年代产生至今已有近200年的历史，作为一种电能向机械能转换的工具，其应用领 域已经遍及现代社会生产、生活的各个领域，具有不可替代的地位。CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 21伺服电机的种类和结构特点伺服电机的构成：电机本体、位置传感器CONFIDENTIAL11/18 2

2、013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 31伺服电机的种类和结构特点一体化伺服电机的构成CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 41伺服电机的种类和结构特点外转子电动车轮毂电动机直线伺服电机CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 5直线伺服电机的结

3、构绕组类型2伺服电机的磁路结构和特点分布式绕组的传统永磁伺服电机表贴磁钢，径向磁路，6极 18槽内嵌磁钢，切向磁路，4极24槽表贴磁钢，径向磁路，2极 6槽绕组端部很大,绕组系数比较小（小于90%）；绕组利用率（绕组的有效长度）40%，使电机绕组的电阻和电感变大，铜耗变大；铁心开槽与磁钢作用会产生15%的定位力矩（齿槽干扰力矩)，通过斜槽来减小定位力矩。CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 62伺服电机的磁路结构和特点集中绕组的伺服电机（分数槽集中绕组的伺服电机）

4、8极9槽电动机结构图（q = Z/（2Pm）= 9/24=3/81/2）绕组系数： Kw1 Kd1Kp1 0.945铜损减小（2040）%发热减小（2040）%电枢反应和过载能力提高（50200）%定位力矩减小到（0.050.1）%电机材料成本可下降（2050）%自动化绕线、工艺成本可下降（1020）%绕组利用率60%。运行过程中转子受径向不平衡力，这种不平衡力幅值较稳 定，而方向不断变化。不平衡力的存在会加重转子轴承的负 担，影响轴承的寿命，还可能引起噪音等问题。定位力矩难以减小。集中绕组电机的极、槽配合的可选的方案比较少。如表1，其中黄色的极、槽配合，存在不平衡力，应避免采用。单元电机分布

5、系数：203sin2)2sin( 0.9603 20Kd1 单元电机节距系数:8CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 7K p1 sin( 9 90) 0.9852伺服电机的磁路结构和特点表1黄色有不平衡力CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 82伺服电机的磁路结构和特点集中绕组的12槽10极伺服电机集中绕组的绕组系数0.933很大、

6、绕组端部小、绕组（电磁、机械）利用率高，铜耗小、效率高，功率密度高。满率高、功率密度高、结构工艺好。集中绕组电机的性能与槽数Z、极对数p、极槽配合、极弧系数和槽口系数等参数有关，参数不合理可能导致电机的定位转矩变大，无法正常运行。1 电机定子铁心2 电机定子绕组3 电机转子铁心4 转子轴5 转子永磁体12CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 93452伺服电机的磁路结构和特点 22 mi 1 t 1tt itt m0 i 1 t 1 itttt m ic K rg

7、l B cos2iP(x sin2iP( 2) 2)B sin(iP )sin2iP(2 ) cos2iP( )40 i 1 t 1W ( ) rgl T ( ) 定位力矩:rgl202iitx B sin(iP )其中： K 定位转矩的次数可由极数与定子槽数的最大公约数来确定：8极9槽， 定位转矩的次数：89=724极12槽，定位转矩的次数：412/4=128极12槽，定位转矩的次数：812/4=2410极12槽，定位转矩的次数：1012/2=6038极30槽，定位转矩的次数：3830/2=570i 2P Z C（1）极槽配合决定定位转矩的次数减小定位转矩的方法：提高定位转矩的次数减小定位转

8、矩的幅值（2）定子斜槽平滑定位转矩CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 10(a) 正常槽口电机(b) 普通斜槽电机(c) 斜槽口的直槽电机(d)对称斜槽口直槽电机（3）斜磁钢平滑定 位转矩（4）定子增加虚槽 平滑定位转矩3伺服电机的磁路结构和特点12槽10极电机，斜5/5、4/5、3/5、2/5、1/5的槽距12槽10极电机，斜3/5的槽距的定位力矩曲线12槽10极电机的定位力矩曲线CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon

9、 Technologies 2006. All rights reserved.Page 112伺服电机的磁路结构和特点集中绕组电机的磁势谐波比传统分布式绕组多而且复杂。磁极对数p=5次谐波磁势为主 波，幅值最大。与主波频率最接近的7次谐波磁势，其幅值为主波的71.43%，还有其它 谐波也均有较大幅值。需要抑制谐波磁势。选好的极槽配合、好的极弧系数和好的槽口系数，抑制谐波磁势。采用定子斜槽（分段斜槽口）、斜磁钢（分段斜磁钢）、闭口槽、偏心磁钢、高次波气隙、增加虚槽、定子分段。（12槽10极电机，斜5/5、4/5、3/5、2/5、1/5的槽距）谐波基波幅值比CONFIDENTIAL11/18 2

10、013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 121009080706050403020100157 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49 53 55 59 61 65 67谐波次数12槽10极伺服电机绕组电流产生的空间谐波幅值2伺服电机的磁路结构和特点理想电机的概念铜耗最小、铁耗最小、等效内阻小、功率密度高 、成本低。超导电机的超导环境的产生体积大，成本高，被否定。现实中：铁耗采用各向异性塑料软磁SMC材料（体电阻10K）和新磁路设计； 铜耗绕组利用率高从40%

11、，提高到60%，理想电机90%；功率密度高使用铁心和永磁磁料，会产生15%的定位力矩（齿槽干扰 力矩），理想电机的定位力矩为零；等效内阻小电机绕组的电阻和电感小，电枢反应小。理想电机的实现采用各向异性塑料软磁SMC材料，铁耗下 降20倍；采用新磁路设计，铁耗下降4倍。理想电机绕组利用率90% ，功率密度提高2 倍，定位力矩为零。理想电机的电感基本不变，电阻减小2倍，R/L时间常数减小2倍。CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 133伺服电机中的重要概念1电机的形状

12、L/D：长径比其中，L：电机的长，D：电机的外径。L/D长径比大的电机适用于高速。高速电机的特点：磁极数少，转速高，力矩小，惯量小，动平衡要求高， 电机的匝数少，电机的电感和电阻比较小，电机的工作频率高，电机的 体积和重量小。L/D长径比小的电机适用于低速。低速电机的特点：磁极数多，转速低，力矩大，惯量大，动平衡要求低， 电机的匝数多，电机的电感和电阻很大，允许电机堵转工作，电机的体 积和重量大。（3）伺服电机，L/D在0.8至2左右。电机可以根据需要有内转子电机和外转子电机。2电机的功率P2=T，其中，T：电机的力矩，：电机的角速度，=2n/60，n：转速（1） P2=T=T2n/60=10

13、23000/60=3141.5W=3.1415KW，可见10（Nm），3000（rpm）电机的功率是3.1415KW。（2）电机的输出功率与输出力矩和转速的关系：功率不变，转速高力矩就小；力矩大转速就低，受公式P2=T的约束。（3）限制电机输出功率提高的原因是电机发热，而发热取决于电机的铜耗Pcu和铁耗Pfu ，只要 散热快，例如，水冷可以使电机变得更小。CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 143伺服电机中的重要概念。3.电机的反电势E 或 e如果把电机抽象成一

14、个直径为D，D上有磁钢，在气隙中产生的Bg的平均磁密，定子上均布N根有效长为L的导体，导体中有电流i，就可以估算电机性能（1）电机导体切割磁力线产生的反电势E E=NBgL（Dn/60）电机的反电势与转速成正比。（2）电机的外加电压U= E+ri E其中ri相电流在相电阻上的压降，其值比较小，为简便可忽略。该公式可以看出外加电 压与电机设计参数应该满足一定约束关系。额定功率350W, 转速,1500rpm,电压36V伺服电机，2500rpm时反电势波形CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights r

15、eserved.Page 153伺服电机中的重要概念，4.电机的力矩T电机定子中的电流产生定子磁场BD与永磁转子的磁场BR作用产生力矩。驱动器保证两磁场的夹角=90，此时T=K BD BR。如果把电机抽象成一个直径为D，D上有磁钢，在气隙中产生的Bg的平均磁密 定子上均布N根有效长为L的导体，导体中有电流i，就可以估算电机性能。（1）电机的力矩T= NBgLi，D2ln A Ba efiS6.1*106电机的力矩与电流成正比。（2）电机的力矩T与电机的直径为D2成正比。P T=5电机的功率 P2=T=(ea ia + eb ib+ ec ic )dt200W、3000rpm、220V伺服电机C

16、ONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 163伺服电机中的重要概念CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 173.电机的铜耗Pcu铜耗是由于电机绕组中通有电流产生了发热和能量损耗，Pcu=mI2r，其中，m通电的相数，一般为3相，I相电流有效值，r是相电阻。 减小铜耗的方法：（1）电机的力矩系数ki大（单位电流产生的力矩大，依赖电机设计），

17、（2）绕组的直径大，使r小，（3）绕组的总长度小，绕组的端部小。集中绕组电机端部小，制造成本低，新的斥力场电机，端 部极小，几乎成为理想电机。4电机的铁耗Pfu（1）铁耗Pfu是由于电机定子使用硅钢片，这种材料既导磁又导电，它在变化磁场中也会切割磁力线，会感应电势，电势被硅钢片短路，于是在硅钢片中形成涡流，涡流的平方乘硅钢片的体电阻 产生发热和铁耗。硅钢片的片间绝缘，可以割断涡流回路，片越薄涡流越小，但价格更高。0.35mm硅钢片比0.5mm硅钢片可以减小510%涡流，价格也提高10%。硅钢片中磁场方向 的变化还会产生磁滞损耗，它与涡流损耗一起构成铁耗Pfu。铁耗与电机所用硅钢片的总重量有关（

18、例如50WW470硅钢片，厚0.5mm ，当频率50Hz时，铁耗为470W/Kg）。当电机转速超过3000rpm，电机发热就会比较严重，6000rpm以上转速的电机必须有冷却措施。（2）新的斥力场电机较好地解决了永磁电机的铁耗难题，它将铁耗转变为铁心表面损耗，可以使铁耗减小数4倍。（3）无铁心电机无铁心电机没有定子铁损耗，但该类电机的气隙必然很大（用来放绕组），必须使用更厚的磁钢。无铁心电机的功率一般在5KW以下，因为在空气中完成电磁能量转换，其能量密度只有铁心的1/500左右，所以做大功率电机不行。4伺服电机的主要特性350W伺服电机的自然特性（超前角补偿）额定功率350W额定转速1500r

19、pm额定力矩2.3Nm瞬时功率800W瞬时转速2500rpm瞬时力矩5.0NmCONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 184伺服电机的主要特性350W伺服电机的自然机械特性与功率曲线额定功率350W额定转速1500rpm额定力矩2.3Nm瞬时功率800W瞬时转速2500rpm瞬时力矩5.0Nm伺服电机的自然机械特性由转速与力矩所围面积决定，表明电机的最大能力。由驱动器限定伺服电机的工作区（蓝色区域）额定工作点在限定的伺服电机工作区内，但允许瞬时超出工作区。CONFI

20、DENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 194伺服电机的主要特性350W伺服电机的自然机械特性与电流曲线额定功率350W额定电流16A额定力矩2.3Nm瞬时功率800W瞬时电流35A瞬时力矩5.0NmCONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 20伺服电机的自然机械特性由转速与力矩所围面积决定，表明电机的最大能力。由驱动器限定伺服电机的工作区（蓝色区域

21、）额定工作点在限定的伺服电机工作区内，但允许瞬时超出工作区。4伺服电机的主要特性电机机械特性曲线、输出功率曲线及效率曲线（三种不同磁钢厚度时）图中为伺服电机200W、3000rpm、60V。2.2R、1.8R、1.4R分别为磁钢厚度是2.2mm、1.8mm、1.4mm时的转速，2.2P、1.8P、1.4P分别为对应的输出功率，2.2E、1.8E、1.4E分别为对应的效率。而当磁钢厚度为2.2mm、1.8mm、1.4mm时，磁钢的用量分别是10010mm3、8043mm3、5929mm3。通过对比图中不同磁钢厚度时的电机特性曲线和磁钢 的用量，尽管三种磁钢厚度都能满足初步的设计指标，但当电机在三

22、倍过载，即4Nm附近时，明显当磁钢厚度为2.2mm、1.8mm时效率更高，且两者效率接近，输出功率接近，同时，磁钢厚度为1.8mm比2.2mm时磁钢的用量减少了约20%。0.10.250.40.55 0.70.851 02004006008001000120002682.2P1.8P1.4P1.8R1.4R2.2R2.2E1.8E1.4ECONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 21480040003200240016008004转矩(Nm)输出功率(W)转速(RPM

23、)效率(%)4伺服电机的主要特性SPM伺服电机的超前角控制特性SPM伺服电机的静态特性(id=0)（恒定力矩工作区与恒定功率工作区）CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 224伺服电机的主要特性IPMSM伺服电机可以通过特殊的id弱磁和超前角控制获得不同的输出特性CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 234伺服电机的主要特性改变IPM

24、SM伺服电机内嵌磁钢的深度可以获得不同的输出特性CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 244伺服电机的主要特性伺服电机的动态控制特性电机的电流相应最快，跟踪的滞后优于110s 。电机加速的斜率与电机和负载的转动惯量 J 有关，转动惯量 J 大，相应变慢。转动惯量 J 大，1/2 J2 动能大，减速时会产生“泵升电压”，必需附加泄放电阻。动态指令有：斜坡、单位阶跃、方波、正弦波等。CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Te

25、chnologies 2006. All rights reserved.Page 255伺服电机的参数与控制特性CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 26伺服电机的额定值参数和规格电压200V60V36V额定输出kW0.10.20.40.750.20.40.10.2额定扭矩N m0.3180.6371.272.390.6371.270.3180.637瞬时最大扭矩N m0.9551.913.827.161.913.820.9551.91额定电流Arms0.912

26、.12.84.45.18.25.18.5瞬时最大电流Arms2.86.58.513.414.423.814.324额定转速rpm3000最高转速rpm5000扭矩参数N m/Arms0.3780.3270.4980.590.140.160.060.07转子转动惯量kg m210-40.210.2850.410.60.2850.410.210.285可用位置传感器标准增量式光电编码器（ABZ+uvw，分辨2500线）可选磁编码器、霍尔传感器、高分辨率光电编码器或绝对式光电编码器基本要求额定时间连续绝缘等级F使用环境温度0 40C使用环境湿度20 80%(不得结露)振动级别V15绝缘电阻DC500

27、V 10M以上保护方式全封闭自冷IP55（轴贯通除外）安装方式法兰安装5伺服电机的参数与控制特性LLLMLRLELCLBLALZDQKUW光电编码器磁编码器100W846851.52537670905.581631.8200W947861.53037670905.5142053400W1108477.53037670905.5142053750W135119102.54037670905.5143053CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 27伺服电机的额定值参数

28、和规格5伺服电机的参数与控制特性400W，220V伺服电机参数测试与计算CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 285伺服电机的参数与控制特性伺服电机的参数测量与辨识Ra2伺服电机的机械特性和调节特性为线性曲线通过相似变换，空载测试数据辨识电机参数辨识的偏差（1020）%左右空载阶跃测试，求电机的机电时间常数m进一步利用辨识参数求电机的转动惯量J空载阶跃测试，求电机的电磁时间常数eJ 60 Ke Kt mCONFIDENTIAL11/18 2013Copyright

29、 Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 296伺服电机性能的快速评测电势系数 Ke=Ep/np(v/n)； 磁极对数P=/；转矩系数Kt（Nm/A，用堵转测电流的方法）； 最高转速nmax（2）电机的适用性评测（电机种类、力矩和转速波动水平、电机的适用性）（1）反电势评测（获取电势系数、转矩系数、磁极数、最高转速）CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 306伺服电机的位置传感器旋转变压器 磁编码器

30、感应式旋 转编码器光电式旋 转编码器线数/转 信号周期1327202048倍频外部内部内部分辨率14位1638417位13107225位33百万精度48028020推荐测量步 距80100.04CONFIDENTIAL11/18 2013Copyright Infineon Technologies 2006. All rights reserved.Page 31（1）伺服电机位置控制的分辨率和位置精度，首先取决于位置传感器的分辨率和精度6伺服电机的位置传感器（2）伺服电机控制的位置误差和波动、速度误差和波动、低速振动都与位置编码器有关高质量编码器中，细分误差通常是信号周期的1%至2%。细分误差会影响位置精度，同时也会非常明显地降低驱动系统的速度稳定性以及带来噪音。因为速度控制器会根据误差反馈来 增加或减低电流使驱动系统跟踪速度指令。在低速时运动总是滞后于指令信号周期，细分误差被充分体现。只有在控制系统的带 宽范围内电机才能跟随误差的波动，而提高增益，控制系统将产生扰动噪音。细分误差对速度稳定性的影响会随着速度的增加而 减少。然而，它对电机电流的扰动继续存在。设控制系统的带宽为100Hz，系统跟随旋转变压器一个信号周期， 速度可达100/s=6000r/min。也就是说在该速度范围内都会有