第9章 永磁交流伺服电动机

9.1概述永磁交流伺服电动机的特点以永磁电机为驱动电机，配合以信号（转子位置、转速、定子电压和电流）检测、电力电子驱动和微电子控制电路；集电机与控制器于一体，构成自动控制系统中性能优越的伺服单元，通过控制器改变伺服电动机的运行状态，实现变频起动并响应位置或速度伺服控制指令。结构简单功率因数和效率高功率密度和转矩密度高位置分辨率和定位精度高调速范围宽力矩波动小，低速运行稳定性好响应速度快过载能力强能承受频繁起停、制动和正/反转可靠性高永磁交流伺服系统

定子旋转磁场以同步速ns旋转时，N、S极互相吸引，定子旋转磁极带着转子磁极一起旋转，转子与定子旋转磁场同步。当转子上的负载阻转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角θ就会相应增大；当负载阻转矩减小时，θ减小。两对磁极间的磁力线如同弹性的橡皮筋一样。负载变化时，定、转子磁极轴线之间的夹角会变大或变小，但只要负载不超过一定限度，转子就始终跟着定子旋转磁场以恒定的同步速ns转动，即转子转速为永磁式同步电动机工作原理影响永磁式同步电动机不能自行起动的因素主要有下面两个方面：(1)转子本身存在惯性；(2)定、转子磁场之间转速相差过大。永磁式同步电动机起动为了使永磁式同步电动机能自行起动，在转子上一般都装有起动绕组。但如果电动机转子本身惯性不大，或者是多极的低速电机，定子旋转磁场转速不很大，那末永磁式同步电动机不另装起动绕组还是会自己起动的。永磁式同步电动机起动9.2转子磁路结构1.SurfacePMMotor交(Quadratureaxis)轴、直轴(Directaxis)磁路电磁气隙长度相同，磁路磁阻大小相等，为隐极电机（Non-salientpolemotor）2.InsetPMMotorTeethBetweenMagnetstoCreateRotorSaliency交、直轴磁路电磁气隙长度不同，磁路磁阻大小不相等，为凸极电机3.InteriorPMMachine3-phase,12slot,8polebrushlessIPMsynchronousmachine交、直轴磁路电磁气隙长度不同，磁路磁阻大小不相等，为凸极电机MagneticfieldofanIPMmotorinthecross-sectionofa3-phase9-slot6-pole.Coilsarewoundaroundeverytoothandinter-connectedtoproduceaconcentratedtypewinding.在一个三相96极截面的IPM电机的磁场。线圈缠绕在每个齿间连接产生集中式绕组。InteriorPMMotorwithRotorSaliencywithaSingleFluxBarrierInteriorPMMotorwithMultipleFluxBarrierRotorSaliencyInteriorPMMotorwithRotorSaliencywithaSingleFluxBarrierandaSquirrelCageWindingforStarting与一个单一的磁通屏障和鼠笼绕组转子凸极永磁电机启动内部Statorandcut-awayrotorfora2-poleline-fedIPMmotor,whichoperatesatsynchronousspeedwithoutelectroniccontrols.TherotorincludesasquirrelcageandPMs定子和切开一个极线馈IPM电机的转子，它工作在同步速度没有电子控制。转子包括鼠笼和PMS永磁交流伺服系统的组成1.永磁交流伺服电机本体前面已经介绍过2.功率驱动单元永磁交流伺服电动机的功率驱动单元是向定子绕组供电的电力电子逆变电路，包括可关断功率器件（开关管）。信号反馈单元包括转子位置、定子电压和电流（有时还包括直流母线电压和电流）的信号检测和调理等电路，实现控制所需机械量和电量的反馈。转子位置检测——通常采用光/电编码器电压和电流检测——通常采用霍尔传感器3.信号反馈单元控制单元构成

控制交流伺服电动机运行的指挥中心，大多采用高速、高精度微处理器（如DSP、ARM）及其外围接口电路（输入、显示、存储）。控制单元功能

接收控制指令和反馈信息，按照选择的控制算法，生成控制逆变器电路开关导通和关断的脉冲宽度调制信号，控制驱动电路给定子供电。总结

永磁交流伺服系统是根据给定的指令，将电信号转换为转矩的伺服运行。该系统在获得指令后，通过处理器运行预先编制好的程序，生成所需的脉冲，控制逆变主电路中电力电子器件的通/断，将电压施加到永磁同步电动机的定子多相绕组，在气隙中产生旋转磁场。定子旋转磁场与转子磁场相互作用，产生电磁转矩，拖动负载作伺服运动。4.控制单元中国首辆永磁高铁下线2014-11-0314:06由中国南车集团株洲所研制的新一代高速列车永磁同步牵引系统，近日已成功通过国家铁道检测试验中心的地面试验考核。首辆装有永磁牵引系统的高铁已经在南车青岛四方整车下线，接下来将进入考核试验阶段，最快3年后实现商业化运营。株洲所此次永磁高铁的下线，标志着我国成为世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家。9.3永磁交流伺服电动机的稳态分析9.3.1定子绕组的电势平衡方程（1）电枢绕组漏电势（2）励磁电势（