伺服电机技术及其应用复习课程

伺服电机技术(jìshù)及应用AcServoMotorTechnologyandApplication第一页，共40页。一、伺服电机的起源(qǐyuán)及分类“伺服”一词源于希腊语，我们希望它是一个得心应手的驯服工具，完全按照你的指令要求来实现任何动作(dòngzuò)。伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机强调精确的速度控制、位置控制、转矩控制。有几个闭环控制。

伺服电机分为交流伺服电机及直流伺服电机两大类1.直流伺服电机1.1有刷直流伺服电机：有碳刷装置，成本低，结构(jiégòu)简单。但是需要维护，产生电磁干扰典型伺服驱动系统第二页，共40页。一、伺服电机的起源(qǐyuán)及分类火星探路者上应用了39个直流伺服电机，包括6个轮子上的驱动马达。NASA起初预计这两个机器人只能工作(gōngzuò)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(qīngxī)看见的碳刷第三页，共40页。一、伺服电机的起源(qǐyuán)及分类1.2无刷直流伺服电机(diànjī)：顾名思义没有碳刷装置。无刷直流伺服电机(diànjī)去掉了碳刷装置，使用电子换向，实现了电机(diànjī)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(diànjī)。原因并不是

我们比美国更先进，而是说我们没有(méiyǒu)办法解决在太空环境中碳刷的可靠性，所以只好使用无刷直流伺服电机来代替有刷电机。可靠性是相对的，在太空中，带着一个电子换向装置的无刷直流伺服电机可靠性毫无疑问比不上不带电子换向的有刷直流伺服电机。

锂电池的电动自行车应用的是一个无刷直流马达（提供驱动动力）第四页，共40页。一、伺服电机的起源(qǐyuán)及分类2.交流伺服电机2.1异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式感应电动机。2.2同步型交流伺服电机转子有永磁和非永磁之分。目前最具广泛应用和发展前景的是永磁同步交流伺服电机。永磁同步交流伺服电机，定子上一般是三相绕组，转子上是永磁体，电机一般带反馈元件，形成闭环控制。我们(wǒmen)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

第五页，共40页。二、武汉直驱机电-产品(chǎnpǐn)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(dònglì)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。第六页，共40页。二、武汉直驱机电(jīdiàn)-产品说明反过来看，驱动动力应用的永磁同步电机市场巨大在永磁同步驱动系统的应用领域里，在最近五六年时间里，从无到有，从小到大，冒出了很多产值达到五、六个亿的生产厂家，如沈阳蓝光、顺德KDS、宁波兴达、常熟曳引机厂、西子富沃德等公司。他们的产品都是永磁同步电机，但没有叫交流伺服电机的。做伺服电机坦率的说我们是做不过国外的，但是(dànshì)做永磁同步驱动系统，我们是有可能做得过国外，比如现在的永磁同步曳引机，国内的发展水平远远好于国外。所以，对于我们的产品，不需要过度强调伺服电机，叫永磁同步电机更为合适。以下，兼顾各种看法，均简称(jiǎnchēng)永磁同步（伺服）电机(PMSM)第七页，共40页。三、永磁同步(tóngbù)（伺服）电机(PMSM)基本原理永磁同步电机定子是三相绕组，与传统感应电机类似，转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成旋转磁场，转子在此磁场的作用下转动，转动速度满足公式60f/p的约束，同时电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(jìnxíng)比较，调整各项参数.永磁同步电机电流为正弦波波形，180度导通PWM控制第八页，共40页。四、永磁同步(tóngbù)伺服电机基本结构以下分别为两种转子形式(xíngshì)的永磁同步伺服电机剖面结构切向式转子(zhuànzǐ)结构表贴式转子结构第九页，共40页。五、永磁同步电机控制方法(fāngfǎ)及理论-矢量控制矢量控制-目前最流行的控制方法近年来,采用全数字控制方法,以永磁同步电机为控制对象的全数字交流驱动系统正在逐渐取代以直流电机为控制对象的直流驱动系统和采用模拟控制技术的模拟式交流驱动系统。全数字交流驱动系统采用矢量控制方法,可实现优良的控制品质。利用高速DSP可实现对永磁同步电机运行的位置、速度和电机电枢电流（转矩）的控制。矢量控制的基础是两次坐标(zuòbiāo)变换第十页，共40页。五、永磁同步电机控制方法(fāngfǎ)及理论-矢量控制Clarke变换从静止三相到静止两相，原则(yuánzé)是磁场等效Park变换从静止两相到运动两相将电流矢量分解成产生磁通的励磁(lìcí)电流分量Id和产生转矩的转矩电流分量Iq，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。

第十一页，共40页。六、永磁同步电机控制策略同一个永磁同步电机，矢量控制时在采取不同的控制策略的情况下，表现(biǎoxiàn)出的性能有一定的差别。永磁同步电机工作时的等效电路，可以得到电势平衡关系。Id=0的控制策略D轴电流为0，绕组中的电流没有去磁分量(fènliàng)，全部是能够产生转矩的电流，其转子磁场永远垂直定子磁场第十二页，共40页。七、永磁同步(tóngbù)伺服电机控制器框图第十三页，共40页。八、永磁同步伺服电机控制器（变频器）基本(jīběn)结构分布变频器通常有以下几部分组成：1.控制板（含DSP处理器）2.驱动板3.功率模块高压通常为IGBT模块，低压很多为MOS,将功率器件(qìjiàn)封装起来，同时模块上有很多保护功能，如过温保护、过流保护等4.接口板（各种接口）5.冷却底板（模块安装底板）6.冷却风机7.显示及调整按钮部分8.壳体第十四页，共40页。九、永磁同步(tóngbù)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各种研究永磁同步技术的文章占据了各专业期刊的主流位置，从设计技术上来说，国内并不亚于国外。2.磁性材料钕铁硼防止氧化及高温特性问题的解决，材料成本的大幅下降。这是国内最具优势的地方，而且随着国家政策收紧稀土出口，这个优势会越来越大。稀土在国内外价格(jiàgé)的差异甚至会导致设计人员在设计思路上的不同，老外习惯于设计较薄的磁钢，而国内设计人员选择设计较厚的磁钢，少用漆包线的也很多，因为较厚的磁钢对于防止退磁方面也有一定的好处。第十五页，共40页。九、永磁同步(tóngbù)（伺服）电机的快速发展3.可靠、价格便宜的永磁同步通用变频器的出现用户要购买和使用(shǐyòng)的是一个系统，变频器和电机是鸟之两翼，缺一不可。永磁同步电机产业化的代表是永磁同步曳引机，从全球来说，曳引机在中国的发展最好，在电梯领域里，它几乎有全面取代感应电机之势。在这一领域里，出现了一批快速成长壮大的企业，如沈阳蓝光、顺德KDS、宁波欣达、常熟曳引机厂、西子富沃德等。短短几年时间，他们的产值几乎从零开始，现在都达到了五、六个亿的规模。足以说明中国这个市场的发展多么迅猛。中国稀土材料及制造费用的低廉，是我们发展永磁同步伺服电机的巨大优势。第十六页，共40页。九、永磁同步(tóngbù)（伺服）电机的快速发展武汉直驱机电-必须牢牢把握的两类产品1.低速大扭矩永磁同步电机（DDR电机）2.大功率永磁同步电机基于我们对市场的了解以及公司进行的一些市场调研来看，目前国内还很少有以上两类产品，这两类电机在设计上、工艺上、制造上均存在较高的进入门槛。如DDR电机，国际上有少量的类似产品，但其转矩多是峰值转矩，而且是水冷，这使其设计转矩并没有(méiyǒu)标称的那么大，而且其偏重于精确的速度及位置控制、动态性能等,即伺服特性，与我们的产品注重效率及节能并不一样，两者有不同的市场和需求。第十七页，共40页。十、武汉直驱机电技术有限公司产品(chǎnpǐn)介绍公司产品分为低速大扭矩直驱电机、常规永磁同步伺服电机两大系列。功率范围从13.5kW到900kW，转速范围从30RPM到3000RPM，转矩范围从100Nm到60000Nm。伺服电机由电机定子、转子(zhuànzǐ)、结构件、反馈元件、冷却系统等各部分组成，电机均使用钕铁硼强磁材料，采用正弦波磁路设计。根据使用场合的不同，反馈元件有采用旋转变压器、编码器、霍尔等，也有采用无传感器方式。

低速大扭矩直驱电机，去掉了传统传动系统中的减速机构，改为直接驱动客户负载，是永磁同步电机发展(fāzhǎn)的方向之一，该电机一般采用多极设计，电机转速一般在500RPM以下。常规永磁同步伺服电机，在Y系列的机座号上设计，可以直接替代用户原有使用的异步电机系列，降低用户的替代成本。第十八页，共40页。基于(jīyú)多领域分析与仿真的永磁同步电机系统优化设计十一、武汉直驱机电-先进的设计和分析(fēnxī)手段第十九页，共40页。对于永磁同步伺服电机，在多领域拥有先进的设计和分析方法和手段：公司拥有基于多领域分析与仿真的开发手段，对电机及控制系统进行应力场分析，电磁场分析和温度场分析及仿真。确保开发出来的电机及驱动系统的最优化，同时最大限度的缩短设计和开发周期(zhōuqī)，在最短的周期(zhōuqī)内提供给客户最好的产品。十一、武汉直驱机电-先进(xiānjìn)的设计和分析手段第二十页，共40页。应力场分析(fēnxī)：以下是一个铸钢的前端盖，在壳体承重之下，端盖止口的最低安全系数（FOS）为60.8倍，最大应力为每平米4070000牛，最大位移为5微米。分析(fēnxī)结果显示止口设计是一个安全的设计。具有足够的强度确保在重载之下不会出任何问题。十一、武汉直驱机电-先进(xiānjìn)的设计和分析手段第二十一页，共40页。电磁场有限元分析及仿真：从电磁场分析的结果，可以看出磁路设计是否正确，磁密分布是否合理，电机(diànjī)的反电势和效率等关键指标是否最优化十一、武汉直驱机电-先进的设计和分析(fēnxī)手段第二十二页，共40页。电机温度场分析及仿真(fǎnɡzhēn)：联合电磁场分析的结果，对电机的温度场进行初步的仿真(fǎnɡzhēn)分析，可以观察到，特定情况下电机的发热情况。十一、武汉直驱机电-先进的设计(shèjì)和分析手段第二十三页，共40页。十二、永磁同步交流(jiāoliú)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(huánjié)，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。第二十四页，共40页。十三、永磁同步交流(jiāoliú)伺服电机的应用-顶驱钻机控制(kòngzhì)房第二十五页，共40页。十三、永磁同步(tóngbù)交流伺服电机的应用-顶驱钻机第二十六页，共40页。十三、永磁同步交流伺服电机的应用(yìngyòng)-顶驱钻机第二十七页，共40页。十四、永磁同步交流伺服电机的应用(yìngyòng)-磕头机改造项目以节能为目的直接替换原有感应电机，数量(shùliàng)巨大第二十八页，共40页。十五、永磁同步交流伺服电机的应用(yìngyòng)-螺杆泵项目第二十九页，共40页。十六、永磁同步(tóngbù)交流伺服电机的应用-曳引机系列一个从无到有的市场(shìchǎng)，已经发展非常之好第三十页，共40页。十七(shíqī)、永磁同步伺服电机的应用-电动汽车世界石油供需(ɡònɡxū)缺口第三十一页，共40页。十七、永磁同步(tóngbù)伺服电机的应用-电动汽车第三十二页，共40页。十七(shíqī)、永磁同步伺服电机的应用-电动汽车第三十三页，共40页。十八、传统交流感应(gǎnyìng)电机结构传统的交流感应电机(diànjī)可分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。

第三十四页，共40页。十九、传统交流(jiāoliú)感应电机运行原理简介当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向(fāngxiàng)与旋转磁场方向(fāngxiàng)相同。

第三十五页，共40页。二十、交流感应电机变频系统(xìtǒng)VS永磁同步驱动系统(xìtǒng)感应电机+变频器Vs永磁同步（伺服）电机+变频器：1.由于不需要从电网吸收无功电流，转子上既无铜耗又无铁耗，所以(suǒyǐ)永磁同步电机在很宽的负载范围内能保持接近于1的功率因素，而感应电机的功率因素较低，尤其在负载较小的情况下。2.永磁同步电机效率比同容量的感应电机效率高，同时高效区宽广。3.永磁同步电动机的功率密度远比感应电机高4.感应电机低速运转时转矩变小，发热厉害。而永磁同步电机没有此问题。5.永磁同步电机的控制精度高。而中国丰富的稀土资源使永磁同步电机价格已经逼近交流感应电机。其性能又是感应电机+变频器的组合无法超越的。第三十六页，共40页。二十、交流感应电机变频系统VS永磁同步(tóngbù)驱动系统一台注塑机永磁同步伺服电机在运行(yùnxíng)时的功率曲线两台注塑机的测试时间均为一个小时，注塑循环周期为19.0s，其中冷却时间为3s，托模进退停顿时间为2秒。通过电度表实际