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1、 交流永磁同步电机/伺服原理注塑机伺服泵原理与应用2009华南区东莞办：张志军 18603065969大纲汇川能为注塑机行业贡献些什么？ 1：注塑机伺服泵驱动器标准驱动器，用于电液混合系统2：大吨位注塑机自动门控制器采用直驱永磁同步电机内置编码器，实现低速大力矩 ，省去异步电机的减速机。用于大吨位门3：电溶胶马达及驱动器用于注塑机螺杆直接驱动，实现溶胶与其他动作的同时动作 大纲一：交流永磁同步/伺服电机原理和结构 二：交流永磁同步/伺服电机的驱动技术 三：交流永磁同步/伺服电机在注塑机上的应用 四：交流永磁同步/伺服电机应用中的注意事项一：交流永磁同步电机/伺服电机原理和结构1：交流永磁同步电
2、机的材料和磁极构造与电励磁的同步电机不同，永磁同步电机采用高磁能积，高 内禀矫顽力的铷铁硼Nd2Fe14B永磁材料制造成特定的形状，在 电机的定子或转子形成气隙磁场。在永磁同步电机设计中，通常将转子设计成永磁体，而将定子 设计成线圈，则可以免去电刷和滑环装置，提高电机的可维护性 和控制性能。永磁电机通常可以组合励磁方式与磁场结构如图一所示意一：交流永磁同步电机/伺服电机原理的励磁方式图一：永磁电机的磁极结构与励磁方式一：交流永磁同步电机/伺服电机原理和结构1定子绕组等效磁极 2定子铁心 3转子铁心 4转子磁极电机的定子电枢绕组在三相正弦交流电流的作 用下之下，在定转子之间的气隙中所产生一个 合
3、成的旋转磁场。这个等效的磁场必然和转子 的永磁磁场相互作用，就象上图中示意的。如 果定子等效磁场不停的连续旋转，转子磁场在“ 同性相斥、异性相吸”的受力过程中，必然会跟 着定子等效磁场一起旋转起来。实际上，一台 永磁同步电机的结构不论有多么复杂，都可以 用这个物理模型来描述。2：永磁同步电机的旋转原理编码器分类编码器模拟量编码器数字编码器旋转变压器Sin/Cos 编码器增量编码器绝对值编码器A, A, B, B, C, C_ 格雷码二进制码二：交流永磁同步电机驱动技术-编码器概览二：交流永磁同步电机驱动技术-OC门开路集电极光电编码器 OC门增量式旋转编码器用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相
4、联），通过 检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度二：交流永磁同步电机驱动技术-SIN/COS编码器sin/cos编码器也称为正余弦编码器。该种编码器利用励磁原理，通过给励磁线圈励磁，输出 一路SIN信号，一路COS信号，同时也脉冲输出仿真信 号。二：交流永磁同步电机驱动技术-SIN/COS编码器这种编码器最重要的特征是：由于正余弦信号为模拟量连续信号，因此，理论上可以被无限分割 。因此，可以做到很高的精度，关键取决与解码电路与软件处理例如： 一个编码器具有1024脉冲的正弦波，一个周期被分割为 1024，则此编码器脉冲数为1024*1024.可以达到非常高的精度二：交流永磁同步电机驱动技术-
5、RESOLVE旋转变压器旋转变压器编码器，顾名思义，是一个旋转的变压器，通过给原边励磁，可理 解为马达的定子，转子则有两副绕组，一副正弦绕组，一副余弦绕组）。所不 同的是： 定子与转子有匝数比的关系。二：交流永磁同步电机驱动技术-RESOLVE旋转变压器通过鉴相（相位角为转子与定子的交角成正比）和鉴幅（电压幅度为定子和转 子的交角成正比）方式.二：交流永磁同步电机驱动技术-RESOLVE旋转变压器信号引脚：SIN+（sin信号输出） :标准线色：黄SIN-（sin信号输出参考）：标准线色：蓝COS+（cos信号输出） ：标准线色：红COS-（cos信号参考） ：标准线色:黑R+（电源正） ：标
6、准线色：红白R-（电源负） ：标准线色：黄白二：交流永磁同步电机驱动技术-长线UVW编码器长线型又成为线驱动型，差分输出型。 UVW编码器也是一种光电型编码器。除了有ABZ方波脉冲之外 还有UVW相带方波.UVW相带和电机的极对数一一对应，这样，当 鉴别UVW信号时，可以很容易得到转子与编码器安装的交角 这种编码器除了有分辨率指标之 外，还有极对数之分，当选用这 种编码器的时候，必须知道所使 用的电机的极对数。二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机的驱动变革同步电机的启动问题同步电机不同于异步电机，是不能实现自启动的（即接入380V电网，不 能自行启动）。为什么呢？当同步电机直接接入50HZ的
7、工频电网时，定子线圈产生旋转磁场，其磁 场的转速为60f/p.由于是同步电机，此时永磁转子总是企图跟随定子磁场同步旋转，但是 由于转子的惯量和负载惯量总是企图阻止转子旋转， 因此，高速的定子 磁场总是当转子准备要旋转的时候，掠过了转子磁场表面。马达不能启 动，而处于交替磁场的变化中，表现出振动现象。因此，同步电机的启动和同步成为人们思考的问题。？1：主机拖入同步，甩离主机同步运行简述：用一台原动机，拖动同步电机轴旋转，当接近同步转速 时，利用离心开关接通50HZ工频，同步电机开始运行。2：异步启动同步运行简述：在同步电机的转子上的永磁体内圆，另外铸造一个笼型 转子，这样，投入工频电源时，由于异
8、步鼠笼的作用，做异步 旋转。当接近同步转速时，被自然牵入同步运行。 缺点：有异步附加转矩。二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机的驱动变革3：变频启动同步运行简述：采用VF型变频器，利用N=60F/P.用变频从0速慢慢往上提升频 率，以便等待转子克服转子惯量和负载惯量。缺点：VF型本意是控制磁通，而同步机并不需要控制磁通，因此， VF仅仅可以调速而已，但没有低频力矩特性4：闭环矢量控制.A:关于自同步与磁极偏角B:关于速度环与转矩环C:关于弱磁扩速D:电枢反应与D轴，Q轴二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机的驱动变革同步电机在运行中，由于电网电压波 动，或者轴负载的变化，会导致轴速有变 化。
9、如果没有及时的追踪，可能导致同步 电机失步，进入不正常状态。为了解决这个问题，驱动器需要实时 检测转子位置状态，当发现偏离一定范围 时，通过电流控制，纠正这个磁极位置偏 差。这称之为自同步。毫无疑问：驱动器需要知道转子磁极 定子某相磁极的初始偏差角。才可以在运 转的过程中按照这个初始偏差角进行控制 这就是转子与编码器的磁极偏角二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制A：磁极偏角与自同步B：速度环与转矩环二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-环路框图同步机同样具备速度环和转矩环，与异步机不同的是：同步机由于电枢反应磁动 势与永磁磁场不正交，并非直接控制控制电枢电流来调节转矩。当变
10、换为DQ坐标 系之后，交轴电流Iq相当于转矩电流，而直轴电流Id改变磁阻（即永磁体反向磁 场）， 相当于励磁电流，可以用于弱磁升速C：弱磁扩速电机的理想空载转速二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速而与频率，极对数的关系为：N=60F/P.电机一旦制成，则其额定转 速确定。 其中，m为极下磁通。Ce1为电势常数。E1为反电势。 从公式中可以看出，如果想提高电机转速，则必须减弱磁场。在异步电机中，我们可以用降低励磁电流的方式，达到弱磁目的。 因此在异步电机弱磁升速到额定转速以上时，定子电流是减小的。而在同步电机中，由于磁场是有永磁体所产生的，并不需要励磁电流，永 磁体磁场是不可
11、以控制的。因此，弱磁比异步机复杂。 必须采用与永磁体磁极方向相反的电流，削弱永磁磁场来达到目的。 在前一节中，我们提到了直轴电流，这个直轴电流产生的磁场就可以用来 削弱永磁体磁场。 因此，在同步电机中，弱磁升速到额定转速以上时，定子电流是增加的C：弱磁扩速与母线电压(驱动器输出电压)的关系。在恒转矩控制过程中，随着电机转速的升高，电枢绕组的反电势增大。当增 大到逆变器最高输出电压时（即电机的极限电压），电机转速到达恒转矩控制 时的最高转速，这个转速定义为电机的转折速度。当速度增加到转折速度时，要继续增加转速就必须采用弱磁控制，是磁场得以 减弱，才能保持反电势和电压的平衡。因此：对于额定电压低于
12、驱动器输出电压的电机而言，是可以自然弱 磁的，并不需要特别的手段。弱磁点通常就是额定转速时的频率确定一台永磁电机的实际弱磁点的方法：将电机运行在额定频率，查看驱动器输出电压是否到达电机额定电压，以及电流是否接近0A.从这个频率点开始向上增加频率，电流逐渐增大的这个点，就是弱磁频率点二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速D:电枢反应与D轴，Q轴对称负载时，电枢磁动势对主极磁场基波产生的影响，这种现象称为电枢反 应。 当电枢绕组中没有电流通过时，由磁极所形成的磁场称为主磁场，近似按正弦 规律分布。当电枢绕组中有电流通过时，绕组本身产生一个磁场，称为电枢磁 场。电枢磁场对主磁场的作
13、用将使主磁场发生畸变,产生电枢反应;二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速D:电枢反应与D轴，Q轴合成磁势分解为两个方向的作用，一个垂直与主磁极，称之为交轴（Q轴）反应，可以对负载轴产生电磁转矩，相当与异步电机的转矩电流。一个平行于主磁极，称之为直轴（D轴）反应，可以对主磁极去磁 或助磁，相当于异步机的励磁电流。通常用于弱磁升速因此，D轴，Q轴都需要有电流环。这在IS300的伺服驱动器中可以得 到体现。二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速基于以上认识，我们得到一下结论：1：如果电机制造商的编码器角度不一致，则驱动器侧无法统一参数；2：如果电机制造上的电机参
14、数，D,Q电感，定子电阻，反电势等参数 不具备一致性，则驱动器无法统一参数；故：如果想获得简便的参数调试，则需要电机厂统一以上相关的电机 参数二：交流永磁同步电机驱动技术-同步电机矢量控制-弱磁扩速三：交流永磁同步电机系统在注塑机上的应用-工艺过程 1、锁合模：动模扳快速接近定模扳（包括慢-快-慢速），且确认无异物存在下，系统转为高压，将模板锁合（保持油缸内压力）。2、射台前移到位：射台前进到指定位置（喷嘴与模具紧贴）。3、注射：可设定螺杆以多段速度、压力和行程，将料筒前端的溶料注入模腔。4、冷却和保压：按设定多种压力和时间段，保持料筒的压力，同时模腔冷却成型。5、冷却和预塑(储料）：模腔内制
15、品继续冷却，同时液力马达驱动螺杆旋转将塑料粒子前推，螺杆在设定的背压控制下后退，当螺杆后退到预定位置 ，螺杆停止旋转，注射油缸按设定松退，预料结束。6、射台后退：预塑结束后，射台后退到指定位置。7、开模：模扳后退到原位（包括慢-快-慢速）8、顶出：顶针顶出制品。三：交流永磁同步电机在注塑机上的应用压力流量的共性问题 1、锁合模： 假定需要P1,Q1 2、射台前移到位： 假定需要P2,Q23、注射: 假定需要P3,Q3 4、冷却和保压： 假定需要P4,Q4 5、冷却和预塑(储料） 假定需要P5,Q56、射台后退： 假定需要P6,Q67、开模： 假定需要P7,Q7 8、顶出： 假定需要P8,Q8共性问题：在每个阶段，均有两个指标需要控制：流量Q和压力P。而在电机侧，应当如何控制Q和P呢？设想1：速度N控制流量,转矩T控制压力？实践：油泵的流量Q正比于转速N.系统的压力P只有管路状态一定，动作静止的稳态状况下，有近似正比关系。而一旦管路状态发生变 化，或动态过程，压力P与转矩T没有任何线性关系。故此设想无法应用设想二：速度N控制流量，当流量建立了压力之后，由PID控制速度，稳定油压（即流量，压力均由速度予以控制）？实践：在油压还没有建立的时候，管路尚有空间，此时，用流量正比与转速的方式运转油泵，管路很快充油。油会受到管路的限制，很快建立油压。当油压
