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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 3.3 正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服驱动系统 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,3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构 3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成 3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类,3.1.1 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为交流永磁伺服电动机，通常是指由永磁电动机和相应驱动、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，有时也仅指永磁电动机本体。无刷永磁伺服电动机就电动机本体而言是一种采用永磁体励磁的多相同步电动机
2、，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电励磁同步电动机的转子励磁绕组 。,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、控制系统、制造工艺和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（凸装式）、嵌入式和内置式三种基本形式。,3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构,表面式转子：典型结构如图3-1a）所示，永磁体通常呈瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。在体积和功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可以采用圆环形永磁体，如图3-1b）所示，永磁体为一整体
3、的圆环，该结构的转子制造工艺性较好。,图3-1 表面式转子结构,3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构,嵌入式转子：结构如图3-2所示，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，为了防止离心力的破坏，常需在其外表面再套一非磁性金属套筒或包以无纬玻璃丝带作为保护层。,3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构,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，可能的几何形状有多种，图3-3给出了两种典型结构。图3-3a）所示转子结构中永磁体为径向充磁，在图3-3b）所示转子结构中永磁体为横向充磁。,图3-3 内置式转子结
4、构,3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构,当电动机极数较多时，径向充磁结构受到永磁体供磁面积的限制，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。横向充磁结构的不足之处是漏磁系数较大，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，制造工艺变得复杂。,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，是一种隐极式同步电动机；由于有效气隙较大，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，惯量低。因此许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。,3.
5、1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构,嵌入式和内置式的特点：交、直轴磁路磁阻是不相等的。内置式转子的交、直轴磁路如图3-4所示。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,注意：电励磁凸极同步电动机中直轴磁路磁阻小于交轴磁路，因此直轴同步电抗Xd（电感Ld）大于交轴同步电抗Xq（电感Lq），而永磁同步电动机中正好相反，其交、直轴绕组电感的关系是LqLd。,3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成,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在要求恒速运转的场合作
6、为驱动电机使用。为了解决电动机的起动问题，其转子上需装设笼型起动绕组（阻尼绕组），利用笼型绕组感应产生的异步转矩将电动机加速到接近同步速，然后由永磁体产生的同步转矩将转子牵入同步。对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广的范围内连续调节，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，由于供电电源频率可以由低频逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子上一般不设阻尼绕组。,3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成,同步电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系统可以分为他控变频和自控
7、变频两大类。他控变频：用独立的变频装置给同步电动机供电，通过直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种频率开环控制方式。自控变频：所用的变频电源是非独立的，变频装置输出电流（电压）的频率和相位受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步现象，故也称为自同步电动机系统。,3.1.2 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 由于他控变频的同步电动机存在振荡和失步等问题，因此无刷永磁伺服电动机通常采用自控变
8、频方式，所构成的无刷永磁电动机伺服系统如图3-5所示。,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、逆变器和控制器4个部分组成。,3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成,基本工作原理： 由转子位置检测器产生转子磁极的空间位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部（如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置信号，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电压转换成具有相应频率和相位的交流电流和电压，供给伺服电动机。,图中的逆变器通常为由电力MOSFET、IGBT等全控型器件构成，并采用脉宽调制技术的PWM逆变器，可以直接
9、将输入的不可调直流电压变成频率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了一台交-直-交变频器。,3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类,无刷永磁伺服电动机的分类无刷直流电动机（BLDCMBrushless DC Motor）： 定子绕组中的感应电动势应为梯形波，定子绕组中应通入方波电流，因此无刷直流电动机也称为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（PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor）。定子绕组
10、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。,3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类,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，转子常采用表面式或嵌入式结构，转子磁钢呈弧形（瓦形），并采用径向充磁方式。由于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宜采用。 正弦波永磁同步电动机：转子既可以采用表面式和嵌入式结构，也可以采用内置式结构。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，并采用平行充磁方式；定子方面采用短距分布绕
11、组或正弦绕组，以最大限度地抑制谐波磁场对感应电动势波形的影响。,3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类,两种电动机在其它方面的差别 两种电动机在运行原理、分析方法及数学模型、控制策略及控制系统、运行性能等方面均有很大差异。正弦波永磁同步电动机：由电励磁同步电动机发展而来，出发点是用永磁体取代转子励磁绕组，运行原理、分析方法、运行性能等与普通电励磁同步电动机基本相同，只是由于采用永磁体励磁和自控变频方式带来了一些新特点。无刷直流电动机：是由直流电动机发展而来的，其出发点是用由转子位置传感器和逆变器构成的电子换向器取代有刷直流电动机中的机械换向器，把输入直流电流转换成交变的方波电流输入多相电枢绕组，
12、其转矩产生方式、控制方法和运行性能等更接近直流电动机，由于省去了机械换向器和电刷，故得名为无刷直流电动机。,3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类,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
13、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,3.2.1 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，电枢绕组位于转子上。由电源向电枢绕组提供的电流为直流，而为了能产生大小、方向均保持不变的电磁转矩，每一主磁极下电枢绕组元件边中的电流方向应相同并保持不变，但因每一元件边均随转子的旋转而轮流经过N、S极，故每一元件边中的电流方向必须相应交替变化，即必须为交变电流。在有刷直流电动机中，把外部输入的直流电变换成电枢绕组中的交变电流是由电刷和机械式换向器
14、完成的，每当一个元件边经过几何中性线由N极转到S极下或由S极转到N极下时，通过电刷和机械换向器使绕组电流改变方向。,3.2.1 无刷直流电动机的运行原理,无刷直流电动机的基本思想：为了消除电刷和机械换向器，在无刷直流电动机中将直流电动机反装，即将永磁体磁极放在转子上，而电枢绕组成为静止的定子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组与电力电子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位置（由此可以确定电枢绕组各线圈边所在处磁场的极性）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及绕组电流的方向，
15、显然在这里转子位置检测器和逆变器起到了“电子换向器”的作用。,3.2.1 无刷直流电动机的运行原理,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数很多，其电枢绕组相当于一个相数很多的多相绕组，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，也有采用二相、四相和五相的。无刷直流电动机的定子绕组可以采用星形连接，也可以采用角形（或称封闭形）连接。当绕组为星形连接时，其逆变器可以采用桥式电路，也可以采用半桥电路；当绕组为角形连接时，逆变器只能采用桥式电路。以三相无刷直流电动机为例，三种连接方式如图3-6所示
16、。,3.2.1 无刷直流电动机的运行原理,图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式,3.2.1 无刷直流电动机的运行原理,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。,3.2.1 无刷直流电动机的运行原理,3无刷直流电动机的工作原理下面以图3-7所示的星形全桥接法三相无刷直流电动机为例，对无刷直流电动机的具体工作情况作进一步分析，为了便于分析，图中还给出了各电量的正方向。,图3-7 三相无刷直流电动机原理图,设电机为2极，定子为三相整距集中绕组，转子采用表面式结构，永磁体宽度为120电角度，转子按逆时针方向旋转，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：,3.2.1 无刷直流电动机的运行原理,图3-8 无刷直流电动机工作原理,a）rt=0换相前,图3-9 不同时刻的电流路径,b）rt=0换相后,3.2.1 无刷直流电动机的运行原理,
