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1、第3章 无刷永磁伺服电动机,3.1 概述3.2 无刷直流电动机3.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较,3.1 概述,一、无刷永磁伺服电动机的基本结构二、无刷永磁电动机伺服系统的组成三、无刷永磁伺服电动机的分类,一、无刷永磁伺服电动机的基本结构,无刷永磁伺服电动机也称交流永磁伺服电动机，通常指由永磁电动机、相应驱动、控制系统组成的无刷永磁电动机伺服系统，其本质上是一种自控变频同步电动机系统。无刷永磁伺服电动机定子结构与普通同步电动机或感应电动机基本相同，转子方面则由永磁体取代了励磁绕组。,1、转子结构的三种基本形式：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，对其运行性能、
2、控制系统、制造工艺、适用场合等均具有重要影响。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、嵌入式和内置式三种基本形式。,表面式转子：典型结构如图a，永磁体常呈瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。在体积、功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可用整体圆环形永磁体，该结构转子制造工艺性较好。,嵌入式转子：结构如图，永磁体嵌装在转子铁心表面的槽中。,图3-2 嵌入式转子结构,对于高速运行的伺服电动机，采用表面式或嵌入式时，为防止离心力的破坏，常在其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层。,内置式转子：永磁体不是装在转子表面上，而是位于转子铁心内部
3、，可能的几何形状有多种。图a所示转子结构中永磁体为径向充磁，图b转子结构中永磁体为横向充磁。,当电动机极数较多时，径向充磁结构受永磁体面积限制，不能提供足够的每极磁通。而横向充磁结构由于相邻磁极表面极性相同，每个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。横向充磁结构不足：漏磁系数较大，且转轴上需采取适当的隔磁措施，如采用非磁性转轴或在转轴上加非磁性隔磁衬套，使制造成本增加，制造工艺复杂。,2、三种转子结构的比较 表面式的特点：电机交、直轴电感相等，是一种隐极式同步电动机；有效气隙较大，绕组电感低，有利于改善电机的动态性能；转子直径小，惯量低。因此多用这种结构。,嵌入式和内置式的
4、特点：交、直轴磁路磁阻不相等。直轴磁路磁阻大于交轴磁路磁阻，因此内置式和嵌入式转子结构的无刷永磁伺服电动机属于凸极同步电动机。,图3-4 内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路,二、无刷永磁电动机伺服系统的组成,1、无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电 由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于恒速场合。为解决起动问题，转子上需设笼型起动绕组，利用笼型绕组感应产生的转矩将电机加速到近同步速，然后由永磁体的同步转矩将转子牵入同步。伺服电动机，要求转速大范围连续调节，因此无刷永磁伺服电动机常由变频电源供电，变频调速。由于电源频率可由低逐渐升高，可直接利用同步转矩起动，转子一般不设阻尼绕组。,2、同步电
5、动机变频调速系统的基本类型 根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调速分为他控变频、自控变频。他控变频：用独立变频器给电机供电，通过直接改变变频器的输出频率调节电机的转速，是开环控制方式。自控变频：变频电源非独立的，变频装置输出电流频率、相位受转子位置信号控制，是闭环控制方式。电动机输入电流的频率和转子转速保持同步，自控变频的同步电动机不会产生振荡和失步现象。,3、无刷永磁电动机伺服系统的组成 他控变频同步电动机存在振荡、失步等问题，因此无刷永磁伺服电动机常用自控变频方式，构成的伺服系统如图。,图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成,组成：主要由永磁同步电动机MS、转子位置检测器BQ、
6、逆变器和控制器组成。,工作原理：由位置检测器产生转子磁极空间位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据控制信号和转子位置信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变器将输入直流信号转换成相应频率和相位的交流信号，供给伺服电动机。,逆变器通常由电力MOSFET、IGBT等全控型器件构成，并采用脉宽调制技术PWM的逆变器，可以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均可调的交流电输出。在输入为交流电源的场合，可整流、滤波后，作为直流电源提供给逆变器。,三、无刷永磁伺服电动机的分类,1、无刷永磁伺服电动机的分类 无刷直流电动机：定子绕组中的感应电动势为梯形波，定子绕组中应通入方波电流，因此无刷直
7、流电动机也称梯形波永磁同步电动机或方波永磁同步电动机。正弦波永磁同步电动机：简称永磁同步电动机，定子绕组感应电动势为正弦波，为了产生恒定转矩，定子绕组应通入正弦波电流。,2、两种电动机在结构上的差别 无刷直流电动机：为得到平顶部分足够宽的梯形波感应电动势，转子常采用表面式、嵌入式结构，转子磁钢呈瓦形，并采用径向充磁方式。内置式转子很难产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机中一般不采用。,正弦波永磁同步电动机：转子可采用表面式、嵌入式、内置式结构。为产生正弦波感应电动势，设计时应使气隙磁密尽可能呈正弦分布。以图3-1a）所示的表面式结构为例，在正弦波永磁同步电动机中，转子磁钢表面常呈抛物线形，并采
8、用平行充磁方式；定子采用短距分布绕组或正弦绕组，最大限度抑制谐波磁场对感应电动势波形的影响。,3、两种电动机在其它方面的差别 两种电动机在运行原理、分析方法、控制策略、控制系统、运行性能等均有很大差异。正弦波永磁同步电动机：由电励磁同步电动机发展而来，是用永磁体取代转子励磁绕组，运行原理、分析方法、运行性能等与普通同步电动机基本相同，只是采用永磁体励磁和自控变频带来一些新特点。无刷直流电动机：由直流电动机发展而来，用位置传感器和逆变器构成的电子换向器取代机械换向器，把输入直流电流转换成交变的方波电流输入电枢绕组，其转矩产生方式、控制方法、运行性能等接近直流电动机，由于省去机械换向器和电刷，故名
9、无刷直流电动机。,4、关于无刷直流电动机的归类问题：如前所述，无刷直流电动机是由直流电动机发展而来的，应属于直流电动机。但另一方面，就电机本体而言，无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机差别不大；从控制系统的角度看，电动机是由逆变器供电的，并且工作在自控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，也有人将其归于同步电动机。,3.2 无刷直流电动机,3.2.1 无刷直流电动机的运行原理3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性3.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型3.2.4 无刷直流电动机的控制系统3.2.5 无刷直流电动机的转矩脉动,一
10、、无刷直流电动机的运行原理,无刷直流电动机的基本思想 直流电动机的工作特征：在直流电动机中，通常磁极在定子上，电枢绕组在转子上。由电源向电枢绕组供电，为了能产生大小、方向不变的电磁转矩，每一主磁极下电枢绕组6中的电流方向应相同并保持不变，但因每元件边均随转子轮流经过N、S极，故每一元件边中的电流方向必须交替变化。在有刷直流电动机中，把外部输入的直流电变换成电枢中的交变电流是由电刷和机械式换向器完成。,无刷直流电动机的基本思想：为消除电刷和机械换向器，在无刷直流电机中将电机反装，即将永磁体磁极放在转子上，电枢绕组为定子绕组，为使定子绕组中电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组
11、与逆变器连接，并安装转子位置检测器，检测转子磁极的空间位置，根据转子空间位置控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电枢绕组的导通情况，位置检测器和逆变器起到“电子换向器”作用。,2.电枢绕组及其与逆变器的连接 有刷直流电动机通常元件很多，其电枢绕组相当于一个多相绕组，而无刷直流电动机中相数的增多会造成逆变器功率开关器件数量增多，电路变得复杂，成本增高，可靠性变差，目前最常见的无刷直流电动机为三相。无刷直流电动机的定子绕组可采用星形连接，也可角形连接。星形连接时，逆变器可采用桥式电路、半桥电路；角形连接时，逆变器只能采用桥式电路。三种连接方式如图3-6。,图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方
12、式,对于角形连接，当感应电动势不平衡时闭合绕组回路中会产生环流，因此在无刷直流电动机中较少采用。半桥连接由于绕组利用率较低，一般仅用于对成本敏感的小功率场合，广泛应用的是星形全桥接法。,3无刷直流电动机的工作原理 下面以星形全桥接法三相无刷直流电动机为例，对电动机的工作情况进行分析，为了便于分析，图中给出各电量的正方向。,图3-7 三相无刷直流电动机原理图,设电机为2极，定子为三相绕组，转子采用表面式结构，永磁体宽度为120电角度，转子按逆时针旋转，电角速度为r。,rt=0 换相前；换相后,rt=60换相前；换相后,工作情况分析：,图3-8 无刷直流电动机工作原理,a）rt=0换相前,图3-9
13、 不同时刻的电流路径,b）rt=0换相后,图3-8 无刷直流电动机工作原理,c）rt=60换相前,c）rt=60换相后,图3-9 不同时刻的电流路径,d）rt=60换相后,b）rt=60换相前,工作情况小结：转子每转过60，进行一次换相，使绕组导通情况改变一次，转子转过一对磁极，对应360电角度，需6次换相，在每个60区间都只有两相绕组同时导通，另一相绕组电流为零。各60区间同时导通的功率开关依次为V6V1V1V2V2V3V3V4 V4V5 V5V6。,可见，根据转子磁极的空间位置，通过逆变器改变绕组电流的通断，实现电流换相，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
14、方向及大小均保持不变，导体所受转矩大小、方向也保持不变。,4电枢磁动势 在图3-8a所示t=0时刻，换相前电枢磁动势Fa领先励磁磁动势Ff 60电角度；换相后，电枢磁动势如图3-8b，在换相瞬间电枢磁动势跳跃前进了60，Fa领先Ff120；在转子转过60到达图3-8c位置之前，绕组导通情况不变，电枢磁动势Fa保持不变，随着转子的旋转，Fa与Ff的夹角由120逐渐减少到60；由图3-8d可见，电流换相后，电枢磁动势再次跳跃前进60。由此可见，无刷直流电动机的电枢磁动势是跳跃式前进的步进磁动势，对于二相导通三相六状态工作方式，转子每转过60，电枢磁动势跃进60，电枢磁动势领先转子磁动势的电角度在6
15、0120之间。,5感应电动势和绕组电流波形 分析中作如下理想假定：（1）气隙磁场仅由转子上的永磁体建立，所产生的气隙磁密在永磁体所覆盖的120范围内保持恒定，在N、S极间线性变化，其空间分布波形如图3-10，平顶宽度120电角度的梯形波；（2）直流侧电流恒定；（3）绕组电流的换相是瞬间完成的。,图3-10 气隙磁场的空间分布,仍以转子处于图3-8a所示t=0时刻，三相定子绕组感应电动势、电流波形如图3-11，其中各量的正方向参见图3-7。,（以A相为例说明有关波形）,二、无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性,1电磁转矩 无刷直流电动机的电磁转矩Te可根据电磁功率Pe求出,（3-1）,式中，r为转
16、子机械角速度。,而三相无刷直流电动机的电磁功率瞬时值为,（3-2）,观察图3-11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Ep、电流为Id；另一相电动势为-Ep、电流为-Id。以060区间为例，有：eA=Ep，iA=Id，eB=-Ep，iB=-Id，而iC=0。故任意时刻均有,则电动机的瞬时电磁转矩,（3-3）,（3-4）,可见，理想情况下无刷直流电动机的电磁转矩是恒定的，波形如图3-11。,考虑到绕组感应电动势幅值Ep与转速成正比，则应有,（3-5）,式中，nr为转速，单位为r/min；Kp为与电机结构有关的常数，并和永磁体产生的气隙磁密B或每极磁通成正比。,将式（
17、3-5）代入式（3-4），并考虑到，可得,（3-6）,式中，Kt为电机的转矩系数，,式（3-6）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。,2机械特性 如图3-9，无刷直流电动机，从电路连接看有下述特点：在任意时刻同时导通的两相绕组串联后跨接在直流电源电压Ud两端，第三相绕组电流为零。以060区间为例，电流路径为：电源正极V1A相绕组B相绕组V6 电源负极。稳态运行时，电流恒定，若不考虑电枢绕组电
18、感的影响，若忽略功率开关的管压降，在上述60区间直流回路的电压平衡方程应为,（3-7）,式中，Rs为定子绕组每相电阻；eAB为A、B两相间的线电动势，eAB=eA-eB。,由图3-11，在060区间eA=Ep，eB=-Ep，故eAB=2Ep，将其代入式（3-7），则,（3-8）,式（3-8）对其它区间同样适用，即式（3-8）就是三相无刷直流电动机的直流回路电压平衡方程。将式（3-5）代入式（3-8），并解出转速nr，可得无刷直流电动机的转速公式为,（3-9）,将式（3-6）代入上式，可得机械特性方程式,（3-10）,可见，无刷直流电动机的机械特性方程同他励直流电动机在形式上完全一致。图3-12
19、给出了不同Ud下的机械特性曲线。,综上分析，图3-7无刷直流电动机的转矩公式、转速公式、机械特性方程在形式上均与他励直流电动机相同，与直流电动机具有相同的电磁关系和特性，若从图3-7直流电源的正、负端子看进去，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压和电流。由此可见，“无刷直流电动机”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电路的组合体，而并非仅指电动机本体。,三、无刷直流电动机的控制系统,1转子位置传感器与换相控制转子位置传感器简介 三相无刷直流电动机运转过程中，转子每转过60电角度定子绕组导通状态就改
20、变一次，即换相，这些换相时刻是由转子位置传感器提供的。由于转子每转过一对磁极（360电角度）转子位置传感器只需提供6个依次间隔60的转子位置信息，对位置检测的分辨率要求不高，故通常采用低成本的光电式位置传感器或以霍尔集成电路作为检测元件的霍尔位置传感器，其中霍尔位置传感器价格低廉、结构简单、体积小等优点，近年来在无刷直流电动机中使用较多，下面以此为例进行讨论。,霍尔位置传感器 霍尔集成电路：由霍尔元件、信号放大、整形等附加电路集成而成，分为线性型和开关型，无刷直流电动机中一般使用开关型。其输出为开关量信号，随着元件所在处磁场极性及磁感应强度的变化，输出在高、低电平之间转换。霍尔式转子位置传感器
21、：由安装在转轴上并与电动机转子同极数的永磁检测转子和由3只在空间依次相隔120电角度的霍尔开关构成的位置传感器定子两部分组成。有时也直接将霍尔开关安放在电机定子铁心内表面紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体作为位置传感器的永磁体，使结构进一步简化。,转子位置信号 随着转子的旋转，霍尔开关所在处磁场极性交替变化，每只霍尔开关的输出均为高低电平各为180的方波信号，因空间间隔120电角度，三路位置信号依次相差120电角度，如图3-14中的SA、SB、SC所示。,图3-14转子位置信号与换相控制,换相控制 图3-14中给出了三相感应电动势eA、eB、eC的波形。这里假定位置信号SA滞后eA 30，则S
22、A的上升沿对应A相所接开关V1导通的时刻。若无刷直流电动机采用微处理器控制，可以将SA、SB、SC三路位置信号作为3位二进制数由I/O端口输入，转子处于不同的60区间，所形成的二进制数代码不同，微处理器可据此产生不同时刻逆变器功率开关的通断信号。例如，在图3-14所示的060区间，位置代码为101，功率开关V1、V6导通，其余关断。,各功率开关的控制信号也可以由硬件译码电路产生，如图3-14中V1V6所示，由SA、SB、SC通过逻辑运算可得V1V6六个功率开关的导通信号分别,2转速调节与PWM控制方式无刷直流电动机的转速调节 逆变器的各功率开关在一个周期中连续导通120电角度，逆变器仅起换相作
23、用。由转速公式和机械特性方程可知，在此工作方式下，要调节无刷直流电动机的转速，需改变直流电压Ud。考虑到实际决定无刷直流电动机转速的应是施加到同时导通的两相绕组间的线电压，我们可以在直流电源电压Ud一定的情况下，通过对逆变器的功率开关进行PWM控制，连续地调节施加到电机绕组的平均电压和电流，实现转速调节，此时逆变器同时承担换相控制和PWM电压调节两种功能。,反馈斩波方式与续流斩波方式 进行PWM控制时可以对上、下桥臂两只功率开关同时进行PWM通、断控制，也可以只对其中之一进行通断控制，而另一只功率开关保持连续导通状态（仅进行换相控制，而不进行PWM控制），前者称为反馈斩波方式，后者称为续流斩波
24、方式。,下面以对应于图3-14中的060区间为例，说明两种斩波方式的具体工作情况。,根据换相逻辑，在060区间V1、V6处于工作状态，其它功率开关始终关断。,反馈斩波方式时 在PWM导通期间，V1、V6均导通，如图3-15a，施加在A、B两相绕组的电压为Ud；在PWM关断期间，V1、V6同时关断，如图3-15b，A、B两相绕组的电压为-Ud，在此阶段实际上是电动机向直流电源回馈能量。,图3-15 PWM控制时的电流路径,若PWM周期为T，每个开关周期中导通时间为ton，则施加到定子绕组的电压平均值为,（3-16）,式中，=ton/T为导通占空比。,反馈斩波方式时绕组电压波形如图3-16a。,图
25、3-16 a）反馈方式时的绕组电压波形,续流斩波方式时 只对V1或V6进行PWM控制，另一只开关始终导通。以对V1斩波为例，在PWM导通期间V1导通，电流路径如图3-15a与反馈斩波相同，绕组电压为Ud；在PWM关断期间，V1关断，而V6持续导通，电流路径如图3-15c，电流经D4、V6续流，A、B两相绕组短路，电压为零。,图3-15 PWM控制时的电流路径,定子绕组的电压平均值为,（3-17）,续流斩波方式时绕组电压波形如图3-16b。,可见采用PWM方式时，在直流电压Ud一定的条件下，通过改变PWM信号的占空比，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（
26、3-9）、（3-10）转速公式和机械特性方程中的Ud应代入Ud。,图3-16 b）续流方式时的绕组电压波形,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PWM控制，也可以对下桥臂开关进行PWM控制；在各个60区间既可以始终只对上桥臂或下桥臂开关进行PWM控制，也可以交替对上、下桥臂进行PWM控制。为了实现简单，常采用前者。仅对上桥臂进行PWM控制时，6个功率开关的控制信号波形如图3-17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匀，当各桥臂使用相同的功率器件时，其电流容量不能得到充分利用。,PWM电压控制方式与PWM电流控制方式 前述PWM方式直接通过改变占空
27、比调节施加到定子绕组电压的平均值，常称为PWM电压控制方式。采用PWM电压控制方式时，若无电流环，由于感应电动势波形不理想及绕组电感的存在，无刷直流电动机的实际电流波形与理想方波相差较大，导致转矩脉动大，只能用于一般驱动。为了改善电流波形，可采用PWM电流控制方式。PWM电流控制方式 PWM电流控制方式是指根据电流实测值与给定值的偏差产生PWM控制信号，对电流瞬时值进行控制，以使实际电流跟踪电流给定值的一种PWM方式。,PWM电流控制方式的实现 在三相无刷直流电动机中，可用3只电流传感器分别检测3相绕组电流，直接对3相电流瞬时值控制。由于除了换相期间之外，其余时刻只有两相绕组导通，绕组电流与直
28、流侧电流一致，故可只用一只电流传感器检测直流侧电流，通过PWM方式对直流侧电流进行控制。,采用反馈斩波对直流侧电流进行PWM电流控制的原理 设在A相正向导通、B相反向导通的60区间，若IdId*，则使V1、V6关断，绕组电压uAB=-Ud，电流迅速下降。由此，根据实测电流与给定值的偏差控制相应功率开关的通断，可以使实际电流Id在给定值Id*附近的小范围内波动。,3控制系统举例 图3-18是一个无刷直流电动机速度控制系统，该系统采用三只电流传感器分别检测三相绕组电流，并通过PWM逆变器对三相绕组电流瞬时值进行控制。需要说明的是，对于中性点隔离的三相Y接无刷直流电动机，由于iA+iB+iC=0，可
29、以只用两只电流传感器，另一相绕组电流可以由iC=-（iA+iB）得到。,图3-18 三相无刷直流电动机控制系统举例,三相电流给定值iA*、iB*、iC*的产生 在该系统中，转子位置传感器BQ输出3路相位依次差120的方波信号如图3-14 SA、SB、SC所示，经解码器产生3路正负半波宽度各为120并与感应电动势波形同相位、幅值为1的方波信号，波形如图3-19中的gA、gB、gC。注意：gA、gB、gC与各相绕组电流的理想波形相同，只是幅值为1。转速控制环根据实测转速r与转速给定值r*的差值，经速度调节器ST产生相电流幅值给定值Id*，Id*与gA、gB、gC分别相乘，即为各相电流给定值iA*、
30、iB*、iC*。,图3-19 解码器输出信号波形,控制系统的工作原理 如图3-18，各相电流瞬时值iA、iB、iC分别与其给定值iA*、iB*、iC*比较，经滞环比较器产生各功率开关的导通和关断信号，使各相绕组电流跟踪相应电流给定值。另外，图3-18中位置检测和转速检测分别由位置传感器BQ和速度传感器TG产生，实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。,4无刷直流电动机的再生制动与正反转运行 到目前为止的讨论仅限于无刷直流电动机的正向电动运行状态，对于一些高性能运动控制系统，制动运行也是十分重要的，有时还需正、反向运转。由无刷直流电动机的工作原理可知，当转子磁极处于某一空间位置时，
31、只要改变N、S极下导通绕组中电流的方向，就可以改变电磁转矩的方向，因此只要使各相绕组电流波形与图3-11所示波形反相，就可以使无刷直流电动机由正向电动转入正向制动。即正向制动状态下，各相电动势波形正半波平顶部分应使绕组流过反向电流，为此应使相应下桥臂功率开关导通；在各相感应电动势负半波平顶部分，应使绕组流过正向电流，为此应使相应上桥臂功率开关导通。,3.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较,概述 性能比较1成本2转矩惯量和功率密度3转速范围4转矩电流5脉动转矩 其它差异,一、概述 传统的交流伺服电动机是指采用幅值控制或幅值-相位控制等的两相感应伺服电动机，其性能与直流伺服电动机相比
32、存在明显差距，只能用于性能要求不高的小功率场合。而由采用矢量控制技术的三相感应电动机或无刷永磁伺服电动机构成的现代伺服驱动系统在动静态性能方面已可与直流伺服系统相媲美，在某些性能上甚至已超过了直流伺服系统，例如：在转矩惯量、峰值转矩能力、功率密度等方面，现代交流伺服电动机均优于直流伺服电动机。因此，在很多应用场合，特别是在高性能应用领域，现代交流伺服电动机正在取代直流伺服电动机。,三相感应伺服电动机、无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机，在伺服系统构成及动、静态性能等许多方面都非常相似，特别是三相感应伺服电动机和正弦波永磁同步电动机，在很多性能指标上更是难分优劣，但在成本、转矩惯量、转速范围、
33、转矩电流等方面还是各有千秋。,二、性能比较 1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、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，后两部分的成本差不多，因为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要比三相感应伺服电动机昂贵得多。,2转矩惯量和功率密度 在某些高性能领域（机器人、航空航天系统），体积和重量是十分重要的技术指标，对于电动机来讲，这方面的性能评价指标有两个，即功率密度和转矩惯量。三相感应伺服电动机的功率密度大约为100Wkg，正弦波永磁同步电动机约为115Wkg，而无刷直流电动机
34、约为130Wkg。转矩惯量方面无刷永磁伺服电动机明显优于三相感应伺服电动机，无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机的转矩惯量最高可达4.2krads2，而三相感应伺服电动机只能达到2krads2。,3转速范围 三相感应伺服电动机在基速以下为恒转矩运行，在基速以上可以方便地实现近似恒功率运行，只要电压保持恒定，随着频率的升高，磁通自然地近似成反比减少。而正弦波永磁同步电动机，由于转子采用永磁体励磁，励磁磁通不可调，空载电动势随着转速升高成比例增加，使其最高运行转速受到逆变器输出电压的限制，虽可通过直轴电枢反应的去磁作用来削弱励磁磁场的作用，实现弱磁调速，但对于表面式电机其转速范围仍小于三相感应伺服
35、电动机，内置式电机通过适当设计可获得较大的弱磁调速范围。无刷直流电动机，由于受感应电动势和绕组电流波形的限制，其转速范围比正弦波永磁同步电动机还要窄。,4转矩电流 三相感应伺服电动机定子电流中除了转矩分量 isT之外，还需要有励磁分量 isM。而正弦波永磁同步电动机若按id0控制，定子绕组电流全部为转矩分量，因此其转矩电流要大于三相感应伺服电动机。而无刷直流电动机的转矩电流比正弦波永磁同步电动机还要高一些。,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
36、，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。,脉动转矩的存在会严重影响电动机的伺服性能，特别是低速运行时的性能。高速运行时，脉动转矩的脉动频率较高，由于转动惯量的存在，脉动转矩一般不会引起转速的波动，而主要表现为振动和噪声；而低速运行时，转矩的脉动频率也随着降低，从而会引起转速的波动，对高性能伺服系统这是不允许的，因此在电动机和控制系统的设计中必须采取有效措施，尽可能减少转矩脉动。,第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
37、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受到一定限制。,三、三种现代交流伺服电动机还在下述方面存在差异：（1）参数敏感性不同。电动机参数会随工作条件的变化而变化，如温度升高会使永磁电动机永磁材料性能下降，导致转矩电流值和峰值转矩能力下降；对于感应伺服电动机，温度升高转子电阻随之增大，若无相应措施，矢量控制中磁场定向坐标系就会发生偏差，从而影响系统的动、静态性能。（2）对转子位置传感器要求不同。对于无刷直流电动机，由于每隔60电角度绕组电流才进行一次换相，转子位置传感器提供的转子位置信号每60电角度变化一次即可，因此如果作为速度伺服使用，无刷直流电动
38、机采用低分辨率的位置传感器就足够了，与正弦波永磁同步电动机相比这是一个优点。但如作为位置伺服，由于仍需要作为转子位置反馈用的角位置传感器，在这方面就没有什么优势了。,（3）三相感应伺服电动机由于转子铜耗的存在，运行中转子温度会升高，在数控机床等应用中若电机的转轴直接与传动丝杠相联，由于热传导的原因，将会影响机床的传动精度，而无刷永磁伺服电动机转子无绕组，故无此问题。,图3-1 表面式转子结构,图3-1 表面式转子结构,a）永磁体为瓦片形 b）永磁体为圆环形,图3-2 嵌入式转子结构,图3-2 嵌入式转子结构,图3-3 内置式转子结构,a）永磁体径向充磁 b）永磁体横向充磁,图3-3 内置式转子
39、结构,图3-4 内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路,a）直轴磁通路径 b）交轴磁通路径,图3-4 内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路,图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成,图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成,图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式,a)半桥电路；b）绕组星形连接的桥式电路；c）绕组角形连接的桥式电路,图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式,图3-7 三相无刷直流电动机原理图,图3-7 三相无刷直流电动机原理图,图3-8 无刷直流电动机工作原理,图3-8 无刷直流电动机工作原理,图3-9 不同时刻的电流路径,a）rt=0（换相前）,b）rt=0（换相后）,c）r
40、t=60（换相后）,图3-9 不同时刻的电流路径,图3-10 气隙磁场的空间分布,图3-10 气隙磁场的空间分布,图3-11 感应电动势、绕组电流及电磁转矩波形,图3-11 感应电动势、绕组电流及电磁转矩波形,图3-12 无刷直流电动机的机械特性曲线,图3-12无刷直流电动机的机械特性曲线,图3-13 三相无刷直流电动机的等效电路,图3-13 三相无刷直流电动机的等效电路,图3-14 转子位置信号与换相控制,图3-14转子位置信号与换相控制,图3-15 PWM控制时的电流路径,a）PWM导通期间的电流路径,b）反馈方式时PWM关断期间的电流路径,c）续流方式时PWM关断期间的电流路径,图3-1
41、5 PWM控制时的电流路径,图3-16 不同斩波方式时的绕组电压波形,图3-16 不同斩波方式时的绕组电压波形,图3-17 仅对上桥臂进行PWM控制时的控制信号波形,图3-17 仅对上桥臂进行PWM控制时的控制信号波形,图3-18 三相无刷直流电动机控制系统举例,图3-18 三相无刷直流电动机控制系统举例,图3-19 解码器输出信号波形,图3-19 解码器输出信号波形,图3-20 典型的感应电动势和绕组电流波形,图3-20 典型的感应电动势和绕组电流波形,图3-21dq坐标系中的永磁同步电动机,图3-21dq坐标系中的永磁同步电动机,图3-22 id=0控制时的矢量图,图3-22 id=0控制时的矢量图,图3-23 采用id=0控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统,图3-23 采用id=0控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统,图3-24 弱磁控制时的矢量图,图3-24 弱磁控制时的矢量图,
