永磁同步伺服电机控制系统设计与实现

1、永磁同步伺服电机控制系统设计与实现（伺服电机在自动控制系统中的应用）姓名： 李海强 学号：200909584952 专业：机电一体化 学习中心： 北京大钟寺奥鹏学习中心 住址：北京市昌平区天通苑西三区16-1707 电话：邮箱： 指导教师：盛忠起 2011年9月13日摘 要伺服系统是以机械运动的驱动设备，伺服电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。关 键 词：伺服系统，伺服电机，数控机床 引 言近年来，伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 交流伺服电动机的简介1 交流伺服电动机的组成结构交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分，即定子部分和转子。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相

2、同，在定子铁心中也安放着空间互成90电角度的两相绕组，如图1所示。其中L1- L2称为励磁绕组， k1-k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。转子的结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。 鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图2所示， 它的转子由转轴、 转子铁心和转子绕组等组成。 转子铁心是由硅钢片叠成的， 每片冲成有齿有槽的形状， 如图3所示， 然后叠压起来将轴压入轴孔内。 铁心的每一槽中放有一根导条， 所有导条两端用两个短路环连接， 这就构成了转子绕组1 定子绕组 2 定子铁心 3 鼠笼转子图1 两相绕组分布图图2 鼠笼型转子交流伺服电机 图3 转子冲片非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图4所示。 图中外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样,内定子由环形钢片叠成,通常内定子不放绕组， 只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯子形状，所以又称为空心杯形转子。空心杯由非磁性材料铝或铜制成，它的杯壁极薄，一般在0.3 mm左右。 杯形转子套在内定子铁心外，并通过转轴可以在内、外定子之间的气隙中自由转

3、动，而内、 外定子是不动的。1杯形转子 2外定子 3内定子4机壳 5端盖图4 杯形转子伺服电动机与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子惯量小，轴承摩擦阻转矩小。由于它的转子没有齿和槽，所以定、转子间没有齿槽粘合现象，转矩不会随转子不同的位置而发生变化，恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳。但是由于它内、外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙)，所以励磁电流就大，降低了电机的利用率，因而在相同的体积和重量下，在一定的功率范围内，杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小；另外，杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。因此， 目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机， 只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如：积分电路等)， 才采用非磁性杯形转子伺服电动机。交流伺服电动机的工作原理交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在

4、继续转动。当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋

5、转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。鼠笼转子(或者是非磁性杯形转子)所以会转动起来是由于在空间中有一个旋转磁场。 旋转磁场切割转子导条， 在转子导条中产生感应电势和电流， 转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩， 转矩的方向和旋转磁场的转向相同， 于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。 这就是交流伺服电动机的简单工作原理。交流伺服电动机在数控系统中的应用1 交流伺服电动机在数控系统中的应用特点无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。其交流伺服电机还有以下特点。1、精度高数控机床是按预定的程序自

6、动进行加工的，不可能象普通机床那样手动操作来调整和补偿，各种因素对加工精度的影响，故数控机床的实际位移与指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.010.001mm甚至可高达0.1微米，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲面、曲面零件的加工精度。2、调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度的比，目前先进调速水平是在脉冲当量或最小设定单位为1微米的情况下，进给速度能在0240m/min的范围内连续可调，一般数控机床的进给速度能在024m/min的范围内连续可调，即调速范围为1：24000。3、快速响应并无超调对伺服系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪信号的响应要快。伺服系统的这个特点对伺服系统的动态性提出了两方面要求：一方面在伺服系统处于频繁的启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和加工质量则要求加、减速度足够大以缩短过度过程时间。一般电机速度0到最大或从最大减到0，时间应控制在200ms以下，甚至小于几十毫秒且速度变化时不应有超调；另一方面，是当负载突变时，过度过程前言要陡，恢复时间要短，且无震荡，这样才能得到光滑的加工表面。

7、4、能在低速时输出大的转矩。数控机床的进给系统常在相对较低的速度下进行切削，故要求伺服系统能够输出大的转矩。普通加工直径400mm的车床，纵向和横向的驱动力矩都在10Nm以上。为此，数控机床的进给传动链应尽量短，传动摩插系数尽量小，并减少间隙，提高刚度，减少惯量，提高效率。交流伺服电动机与其他电动机的比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异，现就二者的使用性能作一比较。一 、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关

8、，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000rpm或3000rpm）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现

9、了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000rpm仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。 交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以，交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用其交流伺服优点有以下特点（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。（2）定子绕组散热比较方便。（3）惯量小，易于提高系统的

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