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1、1 1 1 伺服系伺服系统统的基本的基本构构成要素成要素 2 2 电动电动机的基机的基础础知知识识 基本功能，常用法基本功能，常用法则则，绕组电绕组电感，感， 转转矩波矩波动动和定位力矩的和定位力矩的概概念，念， 3 3 电电机的基本原理机的基本原理 直流有刷直流有刷电电机机 直流无刷直流无刷电电机机 永磁交流伺服永磁交流伺服电电机，机，M3M3伺服特点伺服特点 4 4 伺服伺服电电机控制基机控制基础础 直流伺服直流伺服电电机的控制及分析方法机的控制及分析方法 永磁交流伺服 永磁交流伺服电电机的机的数学数学模型，坐模型，坐标变换标变换，控制框，控制框图图 伺服电机伺服电机基本基本原理原理、数学
2、模型数学模型及坐标变换及坐标变换 2 指令指令 控制器控制器 功率变换器功率变换器 负载负载 电机电机 电源电源 速度速度 传感器传感器 位置位置 传感器传感器 电流电流 传感器传感器 1 伺服系统的基本构成伺服系统的基本构成要素要素 伺服伺服系统系统：跟随指令运行的电机驱动系统跟随指令运行的电机驱动系统 控制指令：位置，速度，转矩控制指令：位置，速度，转矩 基本要求：快速，精准，可靠基本要求：快速，精准，可靠 伺服电机系统伺服电机系统 3 电机的基本功能 电动机的种类 常用法则 电感的概念 2 2 电动电动机的基机的基础础知知识识 4 电动机的基本功能：电动机的基本功能： 将电能转换为机械能
3、将电能转换为机械能 损损耗和效率：耗和效率： 100 損失出力 出力 100 入力 出力 %电机効率 + 电动机的种类电动机的种类 按原理可分为按原理可分为3 3大类大类 直流电机直流电机（DCMDCM） 18301830年巻線界磁、年巻線界磁、19301930永久磁石界磁永久磁石界磁 异步电机异步电机（IMIM） 18851885年三相機年三相機 同步电机（同步电机（SMSM） 1870 1870巻線巻線励磁励磁、19301930磁钢励磁，磁钢励磁， 转子结构：表贴磁钢式（ 转子结构：表贴磁钢式（SPMSPM）, ,内置磁钢式（内置磁钢式（IPMIPM） 可变磁阻式（可变磁阻式（VRVR），
4、混合式（），混合式（HBHB） 5 电机的基本电机的基本特性特性 直流直流电电机机 转转矩矩 转转速速 异步异步电电机机 同步电机 TL 0 7 电机常用法则电机常用法则1 ： 左手法则左手法则 在置于与磁场相垂直的方向上的导体中通以电流，则导体在于磁场和电在置于与磁场相垂直的方向上的导体中通以电流，则导体在于磁场和电 流方向都垂直的方向上所受到的力流方向都垂直的方向上所受到的力F F的大小有如下的关系的大小有如下的关系 2-7 BILF= 8 电机常用法则电机常用法则2 ：右手法则：右手法则 2-7 BVLE= 感感应电势现应电势现象象 右手定右手定则则 L: L: 切割磁力线导体长度切割磁
5、力线导体长度 V: V: 速度速度 E E： 感应电压感应电压 电机电机常用法则常用法则3 3 ：电：电磁感应定律磁感应定律 dt d e = 感感应电势应电势的大小与的大小与闭闭合合电电路的路的铰链铰链磁通的磁通的时间变时间变化率化率 成正比成正比 感感应电应电流的方向流的方向总总是抑制是抑制铰链铰链磁通磁通变变化的方向化的方向 9 e： ： 闭 闭合合电电路的感路的感应电势应电势 ： ： 闭闭合合电电路的路的铰链铰链磁通磁通 闭闭合回路磁通合回路磁通变变化化产产生感生感应电势应电势 电感的概念：电感的概念： 当当线线圈中有圈中有电电流流流流过时过时将在将在铁铁心中心中产产生磁生磁 通，通，
6、电电流越大流越大 匝数越多匝数越多产产生的磁通越多，磁生的磁通越多，磁 通与通与电电流和流和 匝数的乘匝数的乘积积成正比（如成正比（如图图）。）。 F=NiF=Ni 磁磁势势 磁阻磁阻 R Ni R F = S l R = 磁磁链链 i R N N 2 = R N i L 2 = 电电感感 电电感的端感的端电压电压与与电电流的流的时间变时间变化率成正比化率成正比 dt di L dt d v= 磁通磁通 Li= 重要性重要性质质： ：电电感中的感中的电电流是流是连续连续的。的。 应应用注意：在含有用注意：在含有电电感的感的电电路中，瞬路中，瞬时时关断关断 电电路将会路将会产产生瞬生瞬间间高高压
7、损压损坏开关坏开关电电路路 定义：输出转矩随转角的变化定义：输出转矩随转角的变化。 产生：基本由产生：基本由齿槽转矩齿槽转矩和和電流電流转矩波动转矩波动合成合成。 影响：转矩控制精度，转速波动以及振动噪声影响：转矩控制精度，转速波动以及振动噪声 希望越小越好希望越小越好 齿槽转矩的概念齿槽转矩的概念 ： 电机不电机不通電時通電時的转矩的转矩 電流電流转矩波动转矩波动： 由电机电流产生的转矩波动（包括电磁的和控制电路的影响）由电机电流产生的转矩波动（包括电磁的和控制电路的影响） 如何减少转矩波动是如何减少转矩波动是电机設計电机設計和电机控制的重要课题和电机控制的重要课题 转矩波动和定位力矩转矩波
8、动和定位力矩： 12 3 3 电电机机的的基本原理基本原理 直流电机直流电机 直流无刷电机直流无刷电机 永磁交流伺服电机永磁交流伺服电机 13 永磁铁与单匝导线（称为线圈）按下图放置，线圈的左边向上，右边向永磁铁与单匝导线（称为线圈）按下图放置，线圈的左边向上，右边向 下各受到大小为下各受到大小为BILBIL的力，线圈全体将产生对于线圈中心线的旋转力，的力，线圈全体将产生对于线圈中心线的旋转力， 也就是转矩。这个转矩也就是转矩。这个转矩T T的大小为的大小为 T=T=RBILRBIL 直流电机直流电机 线线圈数与圈数与转转矩波形矩波形 1个个线线圈的圈的转转矩波形矩波形 转转矩波矩波动动大大
9、有无法启有无法启动动的点（死点）的点（死点） 转转矩波矩波动动改善改善 任意位置可以启任意位置可以启动动 实际的高性能直流电机具有许多绕组实际的高性能直流电机具有许多绕组、电机的转矩波动电机的转矩波动 很小很小 ， 转矩的大小转矩的大小 由电机电流决定。由电机电流决定。 T TKtIKtI K K：转矩系数转矩系数 15 2个个线线圈的圈的转转矩波形矩波形 直流电机直流电机 电刷位置与转矩关系电刷位置与转矩关系 电刷的设计：保证电流磁场电刷的设计：保证电流磁场HFHF的方向与磁钢的磁场成的方向与磁钢的磁场成9090关系关系 电电流的磁流的磁场场 磁磁钢钢的磁的磁场场 转转矩最大位置矩最大位置
10、转转矩矩为为零位置零位置 磁磁钢钢的磁的磁场场 电电流的磁流的磁场场 16 直流电机直流电机 直流的直流的稳态稳态特性特性 電圧、電流、転速電圧、電流、転速等均不随等均不随时间变时间变化化时时的的电电机机特性特性 特性特性方程：方程： EIRV a += IKT tem = V V：DCDC電圧電圧 Ra:Ra:电电机机电电阻阻 E E：反反電圧電圧 N: N: 电电机机转转速速 TemTem：电电机机转转矩矩 K K: : 转转矩系数矩系数 KeKe：反反电势电势系数系数 NKE e = em T KK R K V N tee = V I RaI E DC电电机等效机等效电电路路 直流无刷化
11、的必要性：直流无刷化的必要性： 直流电机的优点直流电机的优点 使用简单，小型化容易使用简单，小型化容易 控制性能好控制性能好 直流电机的缺点直流电机的缺点 电刷与整流子的摩擦引起电刷与整流子的摩擦引起 摩擦转巨大摩擦转巨大 寿命短，电磁干扰大寿命短，电磁干扰大 高速旋转困难高速旋转困难 要求无刷化要求无刷化 18 直流无刷电机直流无刷电机 无刷化无刷化- -BLDCBLDC的实现方法的实现方法： 将电刷式的机械换向转换为电子换向，这样的直流电动将电刷式的机械换向转换为电子换向，这样的直流电动 机一般称为机一般称为无刷直流电动机无刷直流电动机。 実現方法：実現方法： 利用传感器检测永磁转子的磁极
12、位置，由电路根据检测利用传感器检测永磁转子的磁极位置，由电路根据检测 到的磁极位置信号控制电机电流，即可实现定子电流的电到的磁极位置信号控制电机电流，即可实现定子电流的电 子换向。子换向。 19 永磁转子磁极位置检测方法永磁转子磁极位置检测方法： 常用转子位置检测传感器常用转子位置检测传感器 霍尔元件（低成本） 编码器（高性能） 旋转变压器（高性能） 无位置传感器技术无位置传感器技术 利用电压和电流信息推测转子磁极位置 反电势法（存在上电和零速启动问题） 利用转子凸极效应（三菱等已经产品化） 一般来说，一般来说，BLDCBLDC常用霍尔元件（低成本）常用霍尔元件（低成本） 伺服电机常用编码器或
13、旋变（高性能）伺服电机常用编码器或旋变（高性能） 20 霍尔元件的特点和应用（可用于霍尔元件的特点和应用（可用于BLDCBLDC） 21 无刷电机的结构，基本特性无刷电机的结构，基本特性 固定子 回転子 电电机机结结构构 转转子子 ： ：永磁型永磁型 定子定子 ： ：3相相 基本基本构成：构成：霍霍尔尔同步同步电电机机+驱动实现驱动实现 基本特性：基本特性：实现实现DC电电机同等的性能机同等的性能 转 矩 转速 N1 N2 電圧 22 伺服电机的基本构成方式 各种伺服电机的主要特点，电机框图 伺服电机电磁结构动向，鸣志M3伺服电机 23 永磁交流永磁交流伺服伺服电电机机 伺服电机伺服电机的基本
14、构成方式的基本构成方式 构成方式构成方式 交流交流伺服伺服电电机机 异步异步伺服电机伺服电机 （IMIM） 同步同步伺服电机伺服电机 （SMSM） 直流有刷直流有刷伺服电机伺服电机 SM:synchronous motor IM:induction motor 24 各种伺服电机的主要特点各种伺服电机的主要特点 25 伺服伺服电电机机 直流伺服直流伺服电电机机 交流伺服交流伺服电电机机 控制控制 电电路路 转转矩矩 控制控制 转转矩矩电电流（流（标标量）量） 转转矩成分矩成分电电流（矢量）流（矢量） 兼兼顾转顾转矩成分矩成分电电流，流， 励磁励磁电电流，滑差的流，滑差的协协同控制同控制 略复略
15、复杂杂 制制动动 转转矩矩 机械刹机械刹车车或直流制或直流制动动 控制控制 难难易易 26 1/(Ls+R) Kt 1 1/ /JsJs TL 伺服电机伺服电机本体的基本框图本体的基本框图 Ke r T i v e 框图适用于直流电机和交流电机框图适用于直流电机和交流电机 有刷直流电机直接对应此框图有刷直流电机直接对应此框图 交流电机作为控制结果可以得到此框图交流电机作为控制结果可以得到此框图 永磁交流伺服电机的永磁交流伺服电机的结构结构 无刷无刷电电机加机加编码编码器即可构成伺服器即可构成伺服电电机机 伺服电机电磁结构最新动向伺服电机电磁结构最新动向 近年来近年来, ,行业知名厂家的最新款电机纷纷采用行业知名厂家的最新款电机纷纷采用1212槽槽1010极结构极结构. . 1010极结构电机的经纬极结构电机的经纬 20042004年年东方东方BXBX产品化产品化, , 是是行业最早行业最早1010极伺服极伺服 2011年安川推出安川推出SIGAM5SIGAM5 (10(10极极) ) 20122012年年松下推出松下推出A5(10A5(10极极) ) 之后台达，汇川之后台达，汇川(10(10极极) )已有产品已有产品 伺服伺服计划
