永磁同步电动机原理与应用-2014

1、永磁同步电机、伺服系统 原理与应用 2014年 电机原理篇 电机分类(动力类电机） 永磁同步电机的基本结构 永磁同步电动机的优缺点： 功率密度高 转子的转动惯量小 运行效率高 功率因数高 电机响应快 转子励磁无法灵活控制 永磁体存在失磁现象 转子磁势受温度影响 成本高 正弦波永磁同步电机的基本运行原理 定子三相绕组采用正弦绕组; 由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋 转磁场,拖动永磁转子同步旋转; 定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速 取决于转子的实际位置和转速; 转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压 器获得; 正弦波永磁同步电动机的控制 磁钢表贴式永磁同步电机 永磁体

2、粘接到转子铁心表面，固 定困难，转速低 有效气隙较大，则同步电抗小， 电枢反应小 隐极式同步电机的特点,气隙均 匀，控制相对简单 转矩波动相对较小 表面永磁永磁同步电机基本运行 在恒励磁状态，相应的电动机运 行在恒转矩区域，其弱磁调速范 围很小 磁钢内插式永磁同步电机 永磁体镶嵌在转子铁心内部， 适用于高速运行场合 有效气隙较小，同步电抗较 大，电枢反应磁势较大，从 而存在相当大的弱磁空间； 突极式电机的特点，直轴的 有效气隙比交轴的大几倍, 控制相对较难 转矩波动相对较大 无刷直流电机 专用控制器的控制下运行，有方波 与正弦波驱动两类 用控制器中的电子换向器代替直流 电机上的换向器 电机构与

3、表贴和内插式永磁同步电 机基本相同，磁路不同 控制相对简单，与常规的永磁同步 电机相比 转矩脉动大 位置反馈要求低（只要求换向位置） 无刷直流电机的控制1 定子三相绕组采用正弦绕组 控制器按一定的顺序，轮流让电机的各相线圈通电， 在定子上产生磁场牵动转子转动 “轮流”的变换点由霍尔IC感应信号确定。 通过控制电流和换相来控制电机的转速 无刷直流电机的控制2 正弦波PMSM调速系统的组成 永磁无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动 机的比较 从结构上看从结构上看： 永磁无刷直流电机，其定子三相采用集中、整矩绕组，而转子永磁体则采用表面瓦片 式结构，永磁体厚度均匀； 正弦波永磁PMSM，其定子三相则采

4、用分布、正弦绕组，转子永磁体主要有两大类：一 类是表面永磁结构；另一种为内置永磁体结构，这两种结构均可确保气隙磁密的波形 接近正弦。 从转子位置传感器上看从转子位置传感器上看： 永磁无刷直流电机，仅需提供六个（通常为三个）离散的转子位置反馈信息即可； 正弦波永磁PMSM ，需要提供连续的转子位置反馈信息 。 从所产生的电磁转矩看从所产生的电磁转矩看： 永磁无刷直流电机存在一定的转矩脉动 ； 正弦波永磁PMSM所产生的电磁转矩基本上是恒定的 。 从体积和重量角度看从体积和重量角度看： 永磁无刷直流电动机的功率密度比永磁同步电动机更高 电机应用篇 永磁同步电机的参数（电） 电机极数（极对数），确定

5、了输入频率与转速的对应 关系 电机额定参数（电压、电流、温升、输入功率） 电机“最大”参数（电压、电流、温升、输入功率） 电阻、电感、电气时间常数驱动器需要 转速=输入频率*60/极对数 功率=电压*电流*功率因数*1.732 永磁同步电机的参数（机） 电机的工作制式（s1.GB755-2008旋转电机 定额和性能.) 电机额定参数（转矩、转速、输出功率） 电机“最大”参数（转矩、转速、输出功率） 电机价格-正比于电机转矩（机座与电压等级确 定后） 电机机械时间常数、转动惯量-驱动器需要 功率=转矩*转速（单位：kW=Nm*弧度/秒） =转矩*转速/9550（单位：kW=Nm*RPM） 永磁同

6、步电机的参数（机-电） 转矩常数Kt=输出转矩/输入电流 感生电动势常数Ke=感生电动势/转速 电机的效率=电机的输出机械功率/输入电功率 电机电压感生电动势+电流在线圈阻抗上的压降 电机的温升-相关于-电机的转速（铁损）+电机的 转矩（铜损） 电机的价格与电机的温升强相关（要求温升越低，价格越高） 永磁同步电机选型的直接参数 转矩 转速 电压 反馈传感器要求 冷却方式 工作制式 安装方式 防护等级（特殊环境） 温升 同转矩、转速的情况下，机座号（安装有关） 越小，电机的成本相对越低 永磁同步电机选型的间接参数 最终执行件的受力情况 最终执行件的运动情况（速度、加速度） 传动链上各部件的转动惯

7、量 传动链的描述 辅助定位或定速装置的情况 反馈传感器:编码器 安装在伺服电机轴上，用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速 的一种传感器 反馈传感器:温度传感器 安装在电机绕组或机壳里，对电机温度进行保护，或开关降温装 置的一类温度反馈元件 PTC 一种非线性的热敏电阻，当电机线圈的温度接近绝缘 等级温度时，其PTC热敏电阻阻值显著升高，温动器 检测到这个变化时启动对电机的保护。 KTY 基于扩散电阻原理的一种线性温度传感器，驱动器检 测电机的温度，并根据设置的保护点进行“保护”。 温度开关温度开关 一种根据温度的变化会自动“开”或“关”的器件，常用于 电机的风扇控制或电机保护，用在保护时，驱动

8、器检 到它断开时对电机进行保护，单相微电机中直接将它 串在电机绕组上保护电机 永磁同步电机驱动系统参数 控制模式：速度、位置、转矩 控制精度：速度、位置、转矩的控制精度 主要内容主要内容 伺服的定义、用途伺服的定义、用途 伺服系统分类伺服系统分类 电液伺服系统基础电液伺服系统基础 电电- -电伺服系统基础电伺服系统基础 伺服系统的应用伺服系统的应用 伺服系统参数伺服系统参数 伺服的定义、用途伺服的定义、用途 伺服系统定义伺服系统定义 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。伺服系统 使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任 意变化的自动控制系统 伺

9、服系统原理与构成与其他的反馈控制系统没有原则上的区别 伺服系统的用途伺服系统的用途 以小功率指令信号去控制大功率负载 不通过物理连接，实现输入轴与输出轴的远距离同步传动 使输出机械位移精确地跟踪电信号 伺服系统分类伺服系统分类 伺服系统分类 按执行器分：电气伺服系统、液压伺服系统，电气-液压伺服系统，电气-电气 伺服系统 按控制目标分：速度，加速度，位置（姿态）、力（转矩） 按输出信号分：有模拟式伺服系统和数字式伺服系统; 按所馈方式分：开环伺服系统、半闭环伺服系统，闭环伺服系统 电电- -液伺服系统液伺服系统： 电气控制，液压执行 电电- -电伺服系统电伺服系统 电气控制，电机驱动 电液伺服

10、简介电液伺服简介 1.基础 电液伺服系统是以液压为执行器的伺服系统，它综合了电气和液压 两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处 理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。特别适应于大负载，如飞 机与船舶舵机、雷达与火炮、板带轧机的板厚、各种压力机的压力控 制等 电液伺服简介电液伺服简介 2.阀控型系统 电液伺服简介电液伺服简介 3.泵控型系统 电-电伺服系统基础（1） 伺服系统由伺服控制器、功率放大器、信号处理器和执行器组成，执行器为电器 的伺服系统就是电-电伺服系统。在应用层面上所说的“伺服系统”是执行器为 电机的系统。 常规的伺服系统包括伺服驱动器、伺服电机 现代的伺服驱

11、动器是一种数字控制的，集伺服控制器、功率放大器和信号调理器 的一体化的电机控制与驱动装置。 现在常用的伺服电机是交流永磁同步电机，它集成了电机本体、速度和位置反馈 传感器，部份伺服电机还集成了温度传感器、散热装置。 伺服电机中集成的位置和速度传感器通常有增量式光电编码器、绝对式光电编码 器、正余弦编码器、旋转弯压器等 电机中集成的温度传感器主要的双金属片温度开关、PTC 温度开关、KTY硅温度 传感器。 伺服系统基础（2） 伺服系统是一种反馈控制系统，根据反馈信号的信号的取样点设置，可分成开 环、半闭环和全闭环控制系统，不同的系统的控制精度和响应不同。 1.开环系统 2.半闭环系统 3.全闭环

12、系统 伺服系统基础（3） 伺服系统根据控制对象（给定 负、反馈信号）的不同，有三种控 制模式，速度控制、位置控制和力 矩控制。 伺服系统基础（伺服系统基础（4） 伺服系统的应用特点： 1.多轴，一个设备中可能要用 到多个伺服系统 2.多种控制模式，一个设备中 的多个伺服系统可能运行在不 同的控制模下 3.联动，设备中两个或多个轴 的运动是以一种可编程的约定 关系运动 4.单轴的控制模式在工作过程 中可转换 伺服系统的发展 集成运动控制器的部份功能 通讯总线应用替代原用的io连线 更高的速度、位置控制精度 更高的响应速度 伺服驱动基础（伺服驱动基础（4） 伺服系统应用伺服系统应用-机床机床 应用特点：多轴 控制器：数控系统 控制特点：多轴插补 伺服系统应用伺服系统应用-机器人机器人 应用特点应用特点：六轴（多）轴 控制器控制器：专用控制器 控制特点控制特点：多轴插补 伺服系统应用伺服系统应用-定长切割定长切割 应用特点应用特点：单轴 控制器控制器：专用控制器 控制特点控制特点：同步 类