伺服电机工作原理.docx

伺服电机的工作原理图令狐采学伺服电机工作原理——伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动 器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转 动，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 值与目标值进行比较，调整转子转动的角度1、永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1） 电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单;（2） 定子绕组散热快；（3）惯量小，易提高系统的快速性；（4） 适应于高速大力矩工作状态；（5） 相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、 机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速 卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发 展后，目前已经进入了全数字的时代全数字伺服驱动器不仅克 服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发 挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱 动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠现在，高性能的伺服 系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服 电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分伺服驱动器有 两部分组成：驱动器硬件和控制算法。

控制算法是决定交流伺服 系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要 部分，也是在技术垄断的核心2、交流永磁伺服系统的基本结构交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单 元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其 结构组成如图1所示其中伺服控制单元包括位置控制器、速度 控制器、转矩和电流控制器等等我们的交流永磁同步驱动器其 集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、 高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是 传统的驱动系统所不可比拟的目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为 控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、 网络化和智能化功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为 核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电 压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加 入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击图1交流永磁同步伺服驱动器结构伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制 板两个模块如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包 括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开 关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。

控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术 核心控制算法的运行载体控制板通过相应的算法输出PWM信 号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率以达到 控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的3、功率驱动单元功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电 或者市电进行整流，得到相应的直流电经过整流好的三相电或 市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁 式同步交流伺服电机功率驱动单元的整个过程可以简单的说就 是AC-DC-AC的过程整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三 相全桥不控整流电路逆变部分（DC-AC）采用采用的功率器件集驱动电路，保护 电路和功率开关于一体的智能功率模块（IPM），主要拓扑结构是 采用了三相桥式电路原理图见图3,利用了脉宽调制技术即 PWM（Pulse Width Modulati on）通过改变功率晶体管交替导通的时 间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断 时间比，也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值 的大小以达到调节功率的目的4、控制单元控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、 速度控制、转矩和电流控制器。

所采用的数字信号处理器(DSP) 除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的 专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、 异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和 大容量的程序存储器等伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原 理(FOC)和坐标变换,实现矢量控制(VC),同时结合正弦波脉宽 调制(SPWM)控制模式对电机进行控制永磁同步电动机的矢量 控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定 子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直 流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能对于永磁同 步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子 的实际位置就可以得知电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电 机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化伺服驱动器控制交流永磁伺服电机(PMSM)伺服驱动器在控 制交流永磁伺服电机时，可分别工作在电流(转矩)、速度、位置 控制方式下系统的控制结构框图如图4所示由于交流永磁伺服 电机(PMSM)采用的是永久磁铁励磁,其磁场可以视为是恒定;同 时交流永磁伺服电机的电机转速就是同步转速，即其转差为零。

这些条件使得交流伺服驱动器在驱动交流永磁伺服电机时的数 学模型的复杂程度得以大大的降低从图4可以看出，系统是基于 测量电机的两相电流反馈和电机位置将测得的相电流结合位置 信息，经坐标变化(从a ,b ,c坐标系转换到转子d ,q坐标系)，得到 分量，分别进入各自得电流调节器电流调节器的输出经过反向 坐标变化(Md ,q坐标系转换到a ,b ,c坐标系)，得到三相电压指 令控制芯片通过这三相电压指令，经过反向、延时后，得到6路 PWM波输出到功率器件,控制电机运行系统在不同指令输入方 式下，指令和反馈通过相应的控制调节器，得到下一级的参考指 令在电流环中,d ,q轴的转矩电流分量是速度控制调节器的输出 或外部给定而一般情况下，磁通分量为零(=0),但是当速度大 于限定值时,可以通过弱磁(< 0)，得到更高的速度值图4系统控制结构图4某岫制结救I从a,b, c坐标系转换到d, q坐标系有克拉克（CLARKE） 和帕克（PARK）变换来是实现；从d, q坐标系转换到a,b, c 坐标系是有克拉克和帕克的逆变换来是实现的以下是两个变换帕克（F曲K）变换*一〃] [cos&j/ silica ]八「、. r. r r - 、 L, - sni flV cos公式，克拉克变换（CLARKE）:［弓」1。