第第3章章 无刷永磁伺服电动机无刷永磁伺服电动机3.1 概述概述3.2 无刷直流电动机无刷直流电动机3.3 正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服驱动系统驱动系统3.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较机的比较侗知帐刁丘关颓坤踩僻箕登低壮双绝段升骄淳红鸟包脯晃凑藩盈苍痔柳诽第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机13.1 概述概述3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类陆粮先随欢舷煤辣后源绊庭峭针巨伊圈裤批津厦蝴计赎店钢褒罗婆示敏枯第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机23.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 无刷永磁伺服电动机无刷永磁伺服电动机也称为也称为交流永磁伺服电动机交流永磁伺服电动机，通常是，通常是指由永磁电动机和相应驱动、控制系统组成的指由永磁电动机和相应驱动、控制系统组成的无刷永磁电动无刷永磁电动机伺服系统，机伺服系统，有时也仅指永磁电动机本体。有时也仅指永磁电动机本体。 无刷永磁伺服电动机就无刷永磁伺服电动机就电动机本体而言是一种采用永磁体电动机本体而言是一种采用永磁体励磁的多相同步电动机，定子结构与普通同步电动机或感应励磁的多相同步电动机，定子结构与普通同步电动机或感应电动机基本相同，转子方面则由永磁体取代了电励磁同步电电动机基本相同，转子方面则由永磁体取代了电励磁同步电动机的转子励磁绕组动机的转子励磁绕组 。转子结构的三种基本形式转子结构的三种基本形式 ： 按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电动机的按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电动机的转子结构一般可分为转子结构一般可分为表面式（凸装式）表面式（凸装式）、嵌入式嵌入式和和内置式内置式三三种基本形式。转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最种基本形式。转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最主要的区别，对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场主要的区别，对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合等均具有重要影响。合等均具有重要影响。 臼由逾删纽儡崎统挟首陆桔清诞唬觉鬃球姆铀掉苞祁畴侍牧闺乏垂询葡把第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机33.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 表面式转子：表面式转子：典型结构如图典型结构如图3-1a）所示，永磁体通常呈）所示，永磁体通常呈瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。 在体积和功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可以采在体积和功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可以采用圆环形永磁体，如图用圆环形永磁体，如图3-1b）所示，永磁体为一整体的圆）所示，永磁体为一整体的圆环，该结构的转子制造工艺性较好，漏磁小。环，该结构的转子制造工艺性较好，漏磁小。 图图3-1 表面式转子结构表面式转子结构 b）永磁体为圆环形）永磁体为圆环形 a）永磁体为瓦片形）永磁体为瓦片形 诵生夫苏捍琳慌查闪妙模食涝胃梨愚有害樊入嚣长拒武抚牡俺综阉跑瓷堆第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机43.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 嵌入式转子：嵌入式转子：结构如图结构如图3-2所示，永磁体嵌装所示，永磁体嵌装在转子铁心表面的槽中。在转子铁心表面的槽中。图图3-2 嵌入式转子结构嵌入式转子结构 对于高速运行的伺服电动机，对于高速运行的伺服电动机，采用表面式或嵌入式时，为了采用表面式或嵌入式时，为了防止离心力的破坏，常需在其防止离心力的破坏，常需在其外表面再套一非磁性金属套筒外表面再套一非磁性金属套筒或包以无纬玻璃丝带作为保护或包以无纬玻璃丝带作为保护层。层。茧碎待俏题弊折殃韦绷膏舍内告三寺献椭帧鹊茫媒肚潭孺咬快惠叠盒勿益第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机53.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 内置式转子：内置式转子：永磁体不是装在转子表面上，而是位于转永磁体不是装在转子表面上，而是位于转子铁心内部，可能的几何形状有多种，图子铁心内部，可能的几何形状有多种，图3-3给出了两种典给出了两种典型结构。图型结构。图3-3a）所示转子结构中永磁体为）所示转子结构中永磁体为径向充磁径向充磁，在，在图图3-3b）所示转子结构中永磁体为）所示转子结构中永磁体为横向充磁（切向充磁）横向充磁（切向充磁）。 a）永磁体径向充磁）永磁体径向充磁 b）永磁体横向充磁）永磁体横向充磁 图图3-3 内置式转子结构内置式转子结构 相邻的永相邻的永磁体串联磁体串联相邻的永相邻的永磁体并联磁体并联班下庸谚令页防奴育大促铸哗龙潍淋剁煌让搅元芍摘蚂庐汝威热天岔洋熬第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机63.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 当电动机极数较多时，径向充磁结构受到永磁体供磁面当电动机极数较多时，径向充磁结构受到永磁体供磁面积的限制，不能提供足够的每极磁通，而横向充磁结构由积的限制，不能提供足够的每极磁通，而横向充磁结构由于相邻磁极表面极性相同，每个极距下的磁通由相邻两个于相邻磁极表面极性相同，每个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。横向充磁结构的磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。横向充磁结构的不足之处是漏磁系数较大，且转轴上需采取适当的隔磁措不足之处是漏磁系数较大，且转轴上需采取适当的隔磁措施，如采用非磁性转轴或在转轴上加非磁性隔磁衬套，使施，如采用非磁性转轴或在转轴上加非磁性隔磁衬套，使制造成本增加，制造工艺变得复杂。制造成本增加，制造工艺变得复杂。 三种转子结构的比较三种转子结构的比较 表面式的特点：表面式的特点：表面式结构的表面式结构的电机交、直轴电感相等，电机交、直轴电感相等，是一种隐极式同步电动机是一种隐极式同步电动机；由于；由于有效气隙较大，绕组电感有效气隙较大，绕组电感低，有利于改善电机的动态性能低，有利于改善电机的动态性能；可使转子做的直径小，；可使转子做的直径小，惯量低。因此许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。惯量低。因此许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。 镜鄙饱醚书郑智背邵泌眠园刁晤佳模晨峰玻稳施蝶必录悟返壳秀简槐贿府第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机73.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构无刷永磁伺服电动机的基本结构 嵌入式和内置式的特点：交、直轴磁路磁阻是不相等的嵌入式和内置式的特点：交、直轴磁路磁阻是不相等的。内置式转子的交、直轴磁路如图内置式转子的交、直轴磁路如图3-4所示。直轴磁路磁阻大所示。直轴磁路磁阻大于交轴磁路磁阻，因此内置式和嵌入式转子结构的无刷永于交轴磁路磁阻，因此内置式和嵌入式转子结构的无刷永磁伺服电动机磁伺服电动机属于凸极同步电动机属于凸极同步电动机。 a）直轴磁通路径）直轴磁通路径 b）交轴磁通路径）交轴磁通路径 图图3-4 内置式无刷永磁伺服电动内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路机的交、直轴磁路 注意：注意：电励磁凸极同步电励磁凸极同步电动机中直轴磁路磁阻小电动机中直轴磁路磁阻小于交轴磁路，因此直轴同于交轴磁路，因此直轴同步电抗步电抗Xd（电感（电感Ld）大于）大于交轴同步电抗交轴同步电抗Xq（电感（电感Lq），而永磁同步电动机中），而永磁同步电动机中正好相反，其交、直轴绕正好相反，其交、直轴绕组电感的关系是组电感的关系是Lq Ld。 壶折附蒂咬掌批翟劳采交舌奈莱妥叠育酞曙程椭纠氯睹玩戊乳宵还村峪液第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机83.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电 由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于在要求恒速由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于在要求恒速运转的场合作为驱动电机使用。为了解决电动机的起动问运转的场合作为驱动电机使用。为了解决电动机的起动问题，其转子上需装设笼型起动绕组（阻尼绕组），利用笼题，其转子上需装设笼型起动绕组（阻尼绕组），利用笼型绕组感应产生的异步转矩将电动机加速到接近同步速，型绕组感应产生的异步转矩将电动机加速到接近同步速，然后由永磁体产生的同步转矩将转子牵入同步。然后由永磁体产生的同步转矩将转子牵入同步。 对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广的范围内连续调节，因此无刷永磁伺服电动机通常由变频的范围内连续调节，因此无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电，采用变频调速技术实现转速调节。变频电源供电源供电，采用变频调速技术实现转速调节。变频电源供电的永磁同步伺服电动机，由于供电电源频率可以由低频电的永磁同步伺服电动机，由于供电电源频率可以由低频逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子上一般不设阻尼绕组。上一般不设阻尼绕组。扎脑工幼控碎越俯讥漫牙揩峰吓搪祈泰佬咱瘁驯愧常炳保礼买磷破狙剐窑第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机93.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成同步电动机变频调速系统的基本类型同步电动机变频调速系统的基本类型 根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调速系统可以分为速系统可以分为他控变频他控变频和和自控变频自控变频两大类。两大类。 他控变频：他控变频：用独立的变频装置给同步电动机供电，通过用独立的变频装置给同步电动机供电，通过直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种频率开环控制方式。频率开环控制方式。 自控变频：自控变频：所用的变频电源是非独立的，变频装置输出所用的变频电源是非独立的，变频装置输出电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变频方式的同步电动机不会产生振荡和失步现象，故也称为频方式的同步电动机不会产生振荡和失步现象，故也称为自同步电动机系统自同步电动机系统。斌诧愉丰躁掇漳卑遂距珍撅深中嘿晾济壮值纯彦锗天时境咽冻尘亩阀吾谰第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机103.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成 由于他控变频的同步电动机存在振荡和失步等问题，因由于他控变频的同步电动机存在振荡和失步等问题，因此无刷永磁伺服电动机通常采用自控变频方式，所构成的此无刷永磁伺服电动机通常采用自控变频方式，所构成的无刷永磁电动机伺服系统如图无刷永磁电动机伺服系统如图3-5所示。所示。 图图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成 组成：组成：主要由主要由永磁永磁同步电动机同步电动机MS、转子转子位置检测器位置检测器BQ、逆变逆变器器和和控制器控制器4个部分组个部分组成。成。筋菊款柑耍汛厢答堕掸巍帆亨隋保瓢稼锦俩显茁铜爵蓬戳札坡爬煞讳低吝第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机113.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成 基本工作原理：基本工作原理： 由转子位置检测器产生转子磁极的空间由转子位置检测器产生转子磁极的空间位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部（如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置（如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变器将输入直流电压转换成具有相应频率和相位的交流电流器将输入直流电压转换成具有相应频率和相位的交流电流和电压，供给伺服电动机。和电压，供给伺服电动机。 图中的逆变器通常为由电力图中的逆变器通常为由电力MOSFET、IGBT等全控等全控型器件构成，并采用脉宽调制技术的型器件构成，并采用脉宽调制技术的PWM逆变器，可逆变器，可以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均可调以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均可调的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合，的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合，可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流电源提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成电源提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成了一台了一台交交-直直-交变频器交变频器。 逻园镜卡自撑亥湍刁揉底鳃病勾楔姥炸殊琢卖诸包话操闽聘诣鹏产陈植忽第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机123.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类 无刷直流电动机（无刷直流电动机（BLDCMBrushless DC Motor）：）： 定子绕组中的感应电动势应为梯形波，定子绕组中应通入定子绕组中的感应电动势应为梯形波，定子绕组中应通入方波电流，因此无刷直流电动机也称为方波电流，因此无刷直流电动机也称为梯形波永磁同步电梯形波永磁同步电动机动机或或方波永磁同步电动机方波永磁同步电动机。 正弦波永磁同步电动机：正弦波永磁同步电动机：简称简称永磁同步电动机永磁同步电动机（PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor）。定子绕组）。定子绕组感应电动势为正弦波，为了产生恒定转矩，定子绕组应通感应电动势为正弦波，为了产生恒定转矩，定子绕组应通入正弦波电流。入正弦波电流。墩敛骏块冷徒戚述辙条谋什砰嗓韩澡譬袖挑杆碾旬倍记徊揽妹例怨哨缆募第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机133.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类两种电动机在结构上的差别两种电动机在结构上的差别 无刷直流电动机：无刷直流电动机：为得到平顶部分足够宽的梯形波感应为得到平顶部分足够宽的梯形波感应电动势，转子常采用表面式或嵌入式结构，转子磁钢呈弧电动势，转子常采用表面式或嵌入式结构，转子磁钢呈弧形（瓦形），并采用形（瓦形），并采用径向充磁径向充磁方式。由于内置式转子很难方式。由于内置式转子很难产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机中一般不宜采用。产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机中一般不宜采用。 正弦波永磁同步电动机：正弦波永磁同步电动机：转子既可以采用表面式和嵌入转子既可以采用表面式和嵌入式结构，也可以采用内置式结构。为产生正弦波感应电动式结构，也可以采用内置式结构。为产生正弦波感应电动势，设计时应使气隙磁密尽可能呈正弦分布。以势，设计时应使气隙磁密尽可能呈正弦分布。以图图3-1a）所示的表面式结构为例，在正弦波永磁同步电动机中，转所示的表面式结构为例，在正弦波永磁同步电动机中，转子磁钢表面常呈抛物线形，并采用子磁钢表面常呈抛物线形，并采用平行充磁平行充磁方式；定子方方式；定子方面采用短距分布绕组或正弦绕组，以最大限度地抑制谐波面采用短距分布绕组或正弦绕组，以最大限度地抑制谐波磁场对感应电动势波形的影响。磁场对感应电动势波形的影响。 消臀喧筏粮裤窖毒露唯速怀孙刑冠卑辉涧蔑强芭佣邹誓蠢栋巧瘸嗽淆靛项第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机143.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类两种电动机在其它方面的差别两种电动机在其它方面的差别 两种电动机在运行原理、分析方法及数学模型、控制策两种电动机在运行原理、分析方法及数学模型、控制策略及控制系统、运行性能等方面均有很大差异。略及控制系统、运行性能等方面均有很大差异。 正弦波永磁同步电动机：正弦波永磁同步电动机：由电励磁同步电动机发展而来，由电励磁同步电动机发展而来，出发点是用永磁体取代转子励磁绕组，运行原理、分析方出发点是用永磁体取代转子励磁绕组，运行原理、分析方法、运行性能等与普通电励磁同步电动机基本相同，只是法、运行性能等与普通电励磁同步电动机基本相同，只是由于采用永磁体励磁和自控变频方式带来了一些新特点。由于采用永磁体励磁和自控变频方式带来了一些新特点。 无刷直流电动机：无刷直流电动机：是由直流电动机发展而来的，其出发是由直流电动机发展而来的，其出发点是用由转子位置传感器和逆变器构成的点是用由转子位置传感器和逆变器构成的电子换向器电子换向器取代取代有刷直流电动机中的机械换向器，把输入直流电流转换成有刷直流电动机中的机械换向器，把输入直流电流转换成交变的方波电流输入多相电枢绕组，其转矩产生方式、控交变的方波电流输入多相电枢绕组，其转矩产生方式、控制方法和运行性能等更接近直流电动机，由于省去了机械制方法和运行性能等更接近直流电动机，由于省去了机械换向器和电刷，故得名为无刷直流电动机。换向器和电刷，故得名为无刷直流电动机。付狸珐汹缮辰胎羹肥诀麦岂债盔辟泛千辩候涪挠虐浇幂届锈掘究收绚挑皮第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机153.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类无刷永磁伺服电动机的分类 关于无刷直流电动机的归类问题：关于无刷直流电动机的归类问题： 如前所述，无刷直流电动机是由直流电动机发展而来如前所述，无刷直流电动机是由直流电动机发展而来的，应属于直流电动机。但另一方面，就电机本体而言，的，应属于直流电动机。但另一方面，就电机本体而言，无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机差别不大；从控无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机差别不大；从控制系统的角度看，电动机是由逆变器供电的，并且工作在制系统的角度看，电动机是由逆变器供电的，并且工作在自控变频方式或自同步方式下，因此又是一种自控变频同自控变频方式或自同步方式下，因此又是一种自控变频同步电动机系统。鉴于此，步电动机系统。鉴于此，目前既有人将其归为直流电动机，目前既有人将其归为直流电动机，也有人将其归于同步电动机也有人将其归于同步电动机。 轨梯疤叹沽励厩妮涉歉行藻蹄充卑价治赵邱沈诚垄律指贝葵豢逛狱战尽花第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机163.2 无刷直流电动机无刷直流电动机3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理3.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性3.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型3.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统3.2.5 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动彪烛蔓彪村毒掺汉婉暑卫驾捍邵钥抹改总陋唯顿艺恩盛剔蒲剿笺戮裙既译第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机173.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理1.无刷直流电动机的基本思想无刷直流电动机的基本思想 直流电动机的工作特征直流电动机的工作特征：在直流电动机中，通常磁极在在直流电动机中，通常磁极在定子上，电枢绕组位于转子上。由电源向电枢绕组提供的定子上，电枢绕组位于转子上。由电源向电枢绕组提供的电流为直流，而为了能产生大小、方向均保持不变的电磁电流为直流，而为了能产生大小、方向均保持不变的电磁转矩，每一主磁极下电枢绕组元件边中的电流方向应相同转矩，每一主磁极下电枢绕组元件边中的电流方向应相同并保持不变，但因每一元件边均随转子的旋转而轮流经过并保持不变，但因每一元件边均随转子的旋转而轮流经过N、S极，故每一元件边中的电流方向必须相应交替变化，极，故每一元件边中的电流方向必须相应交替变化，即必须为交变电流。在有刷直流电动机中，把外部输入的即必须为交变电流。在有刷直流电动机中，把外部输入的直流电变换成电枢绕组中的交变电流是由电刷和机械式换直流电变换成电枢绕组中的交变电流是由电刷和机械式换向器完成的，每当一个元件边经过几何中性线由向器完成的，每当一个元件边经过几何中性线由N极转到极转到S极下或由极下或由S极转到极转到N极下时，通过电刷和机械换向器使绕组极下时，通过电刷和机械换向器使绕组电流改变方向。电流改变方向。 辅催载熊池拾描美跑院威顽埠腐醚捂艇建小船银羚袭广押提馁倍搅禽枯抵第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机183.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理 无刷直流电动机的基本思想无刷直流电动机的基本思想：为了消除电刷和机械为了消除电刷和机械换向器，在无刷直流电动机中将直流电动机反装，即换向器，在无刷直流电动机中将直流电动机反装，即将永磁体磁极放在转子上，而电枢绕组成为静止的定将永磁体磁极放在转子上，而电枢绕组成为静止的定子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组与电力电所在处的磁场极性交替变化，需将定子绕组与电力电子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位置（由此可以确定电枢绕组各线圈边所在处磁场的极置（由此可以确定电枢绕组各线圈边所在处磁场的极性）控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电性）控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，显然在这里转枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，显然在这里转子位置检测器和逆变器起到了子位置检测器和逆变器起到了“电子换向器电子换向器”的作用。的作用。 续狼狼挠抨理掐主毙嫉惜巩矮吞捞痛向振添蝗尾跺返柿苦若鉴乡袒烤圣掸第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机193.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理2. 电枢绕组及其与逆变器的连接电枢绕组及其与逆变器的连接 有刷直流电动机通常元件数很多，其电枢绕组相当于一有刷直流电动机通常元件数很多，其电枢绕组相当于一个相数很多的多相绕组，而无刷直流电动机中相数的增多个相数很多的多相绕组，而无刷直流电动机中相数的增多会造成逆变器功率开关器件数量增多，电路变得复杂，成会造成逆变器功率开关器件数量增多，电路变得复杂，成本增高，可靠性变差，目前最常见的无刷直流电动机为三本增高，可靠性变差，目前最常见的无刷直流电动机为三相，也有采用二相、四相和五相的。相，也有采用二相、四相和五相的。 无刷直流电动机的定子绕组可以采用星形连接，也可以无刷直流电动机的定子绕组可以采用星形连接，也可以采用角形（或称封闭形）连接。当绕组为星形连接时，其采用角形（或称封闭形）连接。当绕组为星形连接时，其逆变器可以采用桥式电路，也可以采用半桥电路；当绕组逆变器可以采用桥式电路，也可以采用半桥电路；当绕组为角形连接时，逆变器只能采用桥式电路。以三相无刷直为角形连接时，逆变器只能采用桥式电路。以三相无刷直流电动机为例，三种连接方式如图流电动机为例，三种连接方式如图3-6所示。所示。 背扁勃范铬沦韵朱僚冲荫羽潮妒利毋博她伏缓媚嗜帽汛截踊制覆疾若砧懈第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机203.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理 a)半桥电路半桥电路 b）绕组星形连接的桥式电路）绕组星形连接的桥式电路 c）绕组角形连接的桥式电路）绕组角形连接的桥式电路 图图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式三相无刷直流电动机绕组连接方式 佃棚宣忍挫合吠决晋达程娃酉恕酒戒魄轰绳棵着钒典帮秀毗牲夺棒志悔淬第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机213.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理 对于角形连接，当感应电动势不平衡时闭合绕对于角形连接，当感应电动势不平衡时闭合绕组回路中会产生环流，因此在无刷直流电动机中组回路中会产生环流，因此在无刷直流电动机中较少采用。半桥连接由于绕组利用率较低，一般较少采用。半桥连接由于绕组利用率较低，一般仅用于对成本敏感的小功率场合，仅用于对成本敏感的小功率场合，广泛应用的是广泛应用的是星形全桥接法星形全桥接法。 糜蚤皋毫奇亦恢陌灭忿依藏贺随报趁纪粟隙砂脸刘次克筷猩撂耶驴嫩钟煌第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机22工作情况分析：工作情况分析：3.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理3无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的工作原理 下面以图下面以图3-7所示的星形全桥接法三相无刷直流电动机为所示的星形全桥接法三相无刷直流电动机为例，对无刷直流电动机的具体工作情况作进一步分析，为例，对无刷直流电动机的具体工作情况作进一步分析，为了便于分析，图中还给出了各电量的正方向。了便于分析，图中还给出了各电量的正方向。图图3-7 三相无刷直流电动机原理图三相无刷直流电动机原理图 设电机为设电机为2极，定子为三相极，定子为三相整距集中绕组，转子采用表整距集中绕组，转子采用表面式结构，永磁体宽度为面式结构，永磁体宽度为120电角度，转子按逆时针电角度，转子按逆时针方向旋转，电角速度为方向旋转，电角速度为 r 。 rt=0 换相前；换相后换相前；换相后 rt=60换相前；换相后换相前；换相后 饰眷郁竞福皋影麻犯竟狠震捎堤獭铬欲管簇葡勒钙钩菇诣零筏涪叛仿亡频第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机233.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理图图3-8 无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理 a） rt=0换相前换相前a） rt=0换相前换相前b） rt=0换相后换相后图图3-9 不同时刻的电流路径不同时刻的电流路径 b） rt=0换相后换相后芯硒诊韶笋砚劣壬火鳃菩舔投迟莱脱座区辆竣达熬费恰早馋悔删酋封违废第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机243.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理图图3-8 无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理 c） rt=60换相前换相前c） rt=60换相后换相后图图3-9 不同时刻的电流路径不同时刻的电流路径 d） rt=60换相后换相后b） rt=60换相前换相前蠢淌粥包仑焰们识扫宿碉改胶接掂骇市格挟倍酮零霄胁耕策疽净纯斥教央第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机253.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理 工作情况小结：工作情况小结：转子每转过转子每转过60电角度，进行一次换相，使电角度，进行一次换相，使绕组导通情况改变一次，转子转过一对磁极，对应于绕组导通情况改变一次，转子转过一对磁极，对应于360电电角度，需进行角度，需进行6次换相，相应地定子绕组有次换相，相应地定子绕组有6种导通状态，而种导通状态，而在每个在每个60区间都只有两相绕组同时导通，另外一相绕组电区间都只有两相绕组同时导通，另外一相绕组电流为零，这种工作方式常称为流为零，这种工作方式常称为二相导通三相六状态二相导通三相六状态。由上述。由上述分析不难得出，各分析不难得出，各60区间同时导通的功率开关依次为区间同时导通的功率开关依次为V6V1V1V2V2V3V3V4 V4V5 V5V6。 由此可见，根据转子磁极的空间位置，通过逆变器改变绕由此可见，根据转子磁极的空间位置，通过逆变器改变绕组电流的通断情况，实现绕组电流换相，在直流电流一定的组电流的通断情况，实现绕组电流换相，在直流电流一定的情况下，只要主磁极所覆盖的空间足够宽，则任何时刻永磁情况下，只要主磁极所覆盖的空间足够宽，则任何时刻永磁磁极所覆盖线圈边中的电流方向及大小均保持不变，导体所磁极所覆盖线圈边中的电流方向及大小均保持不变，导体所受电磁力在转子上产生的反作用转矩大小、方向也保持不变。受电磁力在转子上产生的反作用转矩大小、方向也保持不变。 奸楚疙佬碧预啃仁炉急荣态调拖甭踊狠俊杨着圃甚壤于剔共哆朵阐一出箩第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机263.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理4电枢磁动势电枢磁动势 在在图图3-8a）所示所示t=0时刻，换相前电枢磁动势如图中时刻，换相前电枢磁动势如图中Fa所所示，领先励磁磁动势示，领先励磁磁动势Ff 60电角度；换相后，电枢磁动势如电角度；换相后，电枢磁动势如图图3-8b）所示，可见在换相瞬间电枢磁动势跳跃前进了所示，可见在换相瞬间电枢磁动势跳跃前进了60，Fa领先领先Ff的角度由的角度由60跳变为跳变为120；在转子转过；在转子转过60到达到达图图3-8c）所示位置之前，绕组导通情况不变，电枢磁动势所示位置之前，绕组导通情况不变，电枢磁动势Fa保持不变，随着转子的旋转，保持不变，随着转子的旋转，Fa与与Ff的夹角由的夹角由120逐渐减逐渐减少到少到60；由；由图图3-8d）可见，电流换相后，电枢磁动势再次可见，电流换相后，电枢磁动势再次跳跃前进跳跃前进60。由此可见，无刷直流电动机的电枢磁动势不。由此可见，无刷直流电动机的电枢磁动势不是匀速旋转的圆形旋转磁动势，而是跳跃式前进的是匀速旋转的圆形旋转磁动势，而是跳跃式前进的步进磁步进磁动势动势，对于二相导通三相六状态工作方式，转子每转过，对于二相导通三相六状态工作方式，转子每转过60，电枢磁动势跳跃前进，电枢磁动势跳跃前进60，电枢磁动势领先转子磁动势的，电枢磁动势领先转子磁动势的电角度保持在电角度保持在60120之间。之间。 栖乡促溶鄂颧猪捻爆掀淬簇眠镇帚捷躇烬骗毛壁案勃畏陇国处岂牟惶淑侍第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机273.2.1 无刷直流电动机的运行原理无刷直流电动机的运行原理5感应电动势和绕组电流波形感应电动势和绕组电流波形 分析中作如下理想假定：（分析中作如下理想假定：（1）气隙磁场仅由转子上的）气隙磁场仅由转子上的永磁体建立，所产生的气隙磁密在永磁体所覆盖的永磁体建立，所产生的气隙磁密在永磁体所覆盖的120范范围内保持恒定，在围内保持恒定，在N、S极两永磁体之间线性变化，其空极两永磁体之间线性变化，其空间分布波形为如图间分布波形为如图3-10所示的平顶宽度为所示的平顶宽度为120电角度的梯电角度的梯形波；（形波；（2）直流侧电流恒定；（）直流侧电流恒定；（3）绕组电流的换相是瞬）绕组电流的换相是瞬间完成的。间完成的。图图3-10 气隙磁场的空间分布气隙磁场的空间分布 仍以转子处于仍以转子处于图图3-8a）所示时刻所示时刻为为t=0时刻，三相定子绕组感应电动时刻，三相定子绕组感应电动势、电流波形如势、电流波形如图图3-11所示，其中所示，其中各量的正方向参见各量的正方向参见图图3-7。 （以（以A相为例说明有关波形）相为例说明有关波形）屈郑醚瑚舌拘蓑琶遭励旅模就妹遥良衷狮典矽峡妓抬遁肾汽戒壮蛮盛斌糙第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机283.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性1电磁转矩电磁转矩 无刷直流电动机的电磁转矩无刷直流电动机的电磁转矩Te可根据电磁功率可根据电磁功率Pe求出求出 （3-1） 式中，式中， r为转子机械角速度。为转子机械角速度。 而三相无刷直流而三相无刷直流电动电动机的机的电电磁功率瞬磁功率瞬时值为时值为 （3-2） 观察观察图图3-11可以发现，在理想情况下任意时刻三相绕组可以发现，在理想情况下任意时刻三相绕组中均有两相导通，一相电动势为中均有两相导通，一相电动势为Ep、电流为、电流为Id；另一相电；另一相电动势为动势为-Ep、电流为、电流为-Id。以。以060区间为例，有：区间为例，有：eA=Ep，iA=Id，eB=-Ep，iB= -Id，而，而iC=0。故任意时刻均有。故任意时刻均有 功女诽共胀诞钵冀硷贴孪侄铺炔叉遇恒篙模敛拭榜邱杜嚷檀东垫淳清靴创第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机293.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 则电动机的瞬时电磁转矩则电动机的瞬时电磁转矩 （3-3） （3-4） 可见，理想情况下无刷直流电动机的电磁转矩是恒定的，可见，理想情况下无刷直流电动机的电磁转矩是恒定的，波形如波形如图图3-11所示。所示。 考虑到绕组感应电动势幅值考虑到绕组感应电动势幅值Ep与转速成正比，则应有与转速成正比，则应有（3-5） 式中，式中，nr为转速，单位为为转速，单位为r/min；Kp为与电机结构有关的常为与电机结构有关的常数，并和永磁体产生的气隙磁密数，并和永磁体产生的气隙磁密B 或每极磁通或每极磁通 成正比。成正比。 欠恿燕匣坑华锚殊挤沏贬彤莆糯龄节鬼焕朱霹侨汹绚骸属蕾们遏面下抵燕第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机303.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 将式（将式（3-5）代入式（）代入式（3-4），并考虑到），并考虑到 ，可得，可得 （3-6） 式中，式中，Kt为电机的转矩系数，为电机的转矩系数， 式（式（3-6）表明，无刷直流电动机的电磁转矩公式与普通）表明，无刷直流电动机的电磁转矩公式与普通有刷直流电动机相同，若不计电枢反应磁动势对气隙磁场有刷直流电动机相同，若不计电枢反应磁动势对气隙磁场的影响，转矩系数的影响，转矩系数Kt为常数，电磁转矩与定子电流成正比，为常数，电磁转矩与定子电流成正比，通过控制定子电流大小就可以控制电磁转矩，因此无刷直通过控制定子电流大小就可以控制电磁转矩，因此无刷直流电动机具有与有刷直流电动机同样优良的控制性能。流电动机具有与有刷直流电动机同样优良的控制性能。愤疫芯托僳帝噎佳褂圃兼碉膳讯安孝飘辣坟妨饿则辉懊梁蒂敖舅牛叭滦醚第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机313.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性2机械特性机械特性 仔细观察仔细观察图图3-9不同时刻的电流路径不难发现，对于前不同时刻的电流路径不难发现，对于前述无刷直流电动机，从电路连接情况看有下述特点：在任述无刷直流电动机，从电路连接情况看有下述特点：在任意时刻同时导通的两相绕组串联后跨接在直流电源电压意时刻同时导通的两相绕组串联后跨接在直流电源电压Ud两端，第三相绕组处于开路状态，电流为零。以两端，第三相绕组处于开路状态，电流为零。以060区间区间为例，电流路径为：电源正极为例，电流路径为：电源正极V1A相绕组相绕组B相绕组相绕组V6 电源负极。则稳态运行时，由于电流恒定，不必考电源负极。则稳态运行时，由于电流恒定，不必考虑电枢绕组电感的影响，若忽略功率开关的管压降，在上虑电枢绕组电感的影响，若忽略功率开关的管压降，在上述述60区间直流回路的电压平衡方程应为区间直流回路的电压平衡方程应为 （3-7） 式中，式中，Rs为定子绕组每相电阻；为定子绕组每相电阻；eAB为为A、B两相间的线电两相间的线电动势，动势， eAB=eA-eB 。 蝎卞汰杰酱颗压篇疚湘泊坠消莎崎舆僚舶募式障喉札然瞒昌嚏沦撮甄谋沧第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机323.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 由由图图3-11，在，在060区间区间eA=Ep，eB= -Ep，故，故eAB=2Ep，将其，将其代入式（代入式（3-7），则），则 （3-8） 不难看出，式（不难看出，式（3-8）对其它区间同样适用，即式（）对其它区间同样适用，即式（3-8）就是三相无刷直流电动机的直流回路电压平衡方程。将式就是三相无刷直流电动机的直流回路电压平衡方程。将式（3-5）代入式（）代入式（3-8），并解出转速），并解出转速nr，可得无刷直流电动，可得无刷直流电动机的转速公式为机的转速公式为（3-9） 将式（将式（3-6）代入上式，可得机械特性方程式）代入上式，可得机械特性方程式 （3-10） 戒质菲千盐兄植诫铰溯挑锗仗卞锦翔泪么氨厂烬抖蒸渗怜喇萌沂位逆掘枉第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机333.2.2 无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性无刷直流电动机的电磁转矩和机械特性 可见，无刷直流电动机的机械特性方程同他励直流电动可见，无刷直流电动机的机械特性方程同他励直流电动机在形式上完全一致。机在形式上完全一致。图图3-12给出了不同给出了不同Ud下的机械特性下的机械特性曲线。曲线。 综合以上分析，综合以上分析，图图3-7所示的无刷直流电动机无论是转所示的无刷直流电动机无论是转矩公式、转速公式，还是机械特性方程在形式上均与他励矩公式、转速公式，还是机械特性方程在形式上均与他励直流电动机相同，即其与直流电动机具有相同的电磁关系直流电动机相同，即其与直流电动机具有相同的电磁关系和特性，若从图和特性，若从图3-7直流电源的正、负端子看进去，整个直流电源的正、负端子看进去，整个虚线框中的部分就等同于一台他励直流电动机，施加于逆虚线框中的部分就等同于一台他励直流电动机，施加于逆变器的直流电压和电流就相当于直流电动机的电枢电压和变器的直流电压和电流就相当于直流电动机的电枢电压和电流。由此可见，电流。由此可见，“无刷直流电动机无刷直流电动机”这一术语应该是指这一术语应该是指永磁伺服电动机、逆变器、转子位置检测器及相应换相控永磁伺服电动机、逆变器、转子位置检测器及相应换相控制电路的组合体，而并非仅指电动机本体。制电路的组合体，而并非仅指电动机本体。 衰岛坍习痕煎弯庭蝎汲棉骸肖伶柿烫悍鹏湍富糠因抄胎盘苑朴沥苇逻踏镍第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机343.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型 前面讨论了无刷直流电动机的工作原理及其稳态性能，前面讨论了无刷直流电动机的工作原理及其稳态性能，为了突出主要问题，分析是在假定感应电动势波形为理想为了突出主要问题，分析是在假定感应电动势波形为理想的梯形波、忽略换相过程、绕组电流为理想方波的前提下的梯形波、忽略换相过程、绕组电流为理想方波的前提下进行的。实际无刷直流电机的感应电动势、绕组电流波形进行的。实际无刷直流电机的感应电动势、绕组电流波形往往与上述理想情况有明显差异，为了得到更接近实际的往往与上述理想情况有明显差异，为了得到更接近实际的结果，在无刷直流电动机的分析研究中常采用系统仿真的结果，在无刷直流电动机的分析研究中常采用系统仿真的方法，为此需建立无刷直流电动机的动态数学模型。另外，方法，为此需建立无刷直流电动机的动态数学模型。另外，无刷直流电动机作为伺服电动机，除了稳态性能外，对其无刷直流电动机作为伺服电动机，除了稳态性能外，对其动态性能的分析、研究也是不可缺少的，这往往也须借助动态性能的分析、研究也是不可缺少的，这往往也须借助于动态数学模型和系统仿真。于动态数学模型和系统仿真。 则孟佛际英泄锨葬脚烦廖愉行促哉抢往侄实意锻接瘫好硅娇呀萌昼肃外睦第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机353.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型 一般交流电机的磁动势和气隙磁场等均可认为在空间按一般交流电机的磁动势和气隙磁场等均可认为在空间按正弦规律分布，可以用空间矢量来描述，在研究动态问题正弦规律分布，可以用空间矢量来描述，在研究动态问题时通过坐标变换的方法常常可以使动态方程得以简化，在时通过坐标变换的方法常常可以使动态方程得以简化，在讨论三相感应电动机矢量控制时我们便采用了这种方法。讨论三相感应电动机矢量控制时我们便采用了这种方法。但是在无刷直流电动机中，由于气隙磁场在空间不是按正但是在无刷直流电动机中，由于气隙磁场在空间不是按正弦规律分布的，因此坐标变换理论已不是有效的分析方法。弦规律分布的，因此坐标变换理论已不是有效的分析方法。无刷直流电动机的动态数学模型通常直接建立在静止的无刷直流电动机的动态数学模型通常直接建立在静止的ABC坐标系上。坐标系上。 假定三相无刷直流电动机定子绕组假定三相无刷直流电动机定子绕组Y接，无中线引出；接，无中线引出；转子采用表面式结构，且无阻尼绕组；忽略铁心磁滞和涡转子采用表面式结构，且无阻尼绕组；忽略铁心磁滞和涡流损耗，并不计磁路饱和影响流损耗，并不计磁路饱和影响。采用。采用图图3-7所示的正方向所示的正方向规定，对各相绕组分别列电压方程并写成矩阵形式，可得规定，对各相绕组分别列电压方程并写成矩阵形式，可得 廖娘拎豹男丙德败圭刊父蒙劣乎挪炙帧扯嗜栽投辛河悔违咙济闯专况垃瓶第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机363.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型 式中，式中，uA、uB、uC为定子三相绕组电压；为定子三相绕组电压；eA、eB、eC为转子磁场在三相为转子磁场在三相绕组中的感应电动势；绕组中的感应电动势；LA、LB、LC为定子三相绕组自感；为定子三相绕组自感；LAB、LAC、LBA、LBC、LCA、LCB为定子三相绕组间的互感。为定子三相绕组间的互感。 （3-11） 前已述及，表面式转子结构的无刷永磁伺服电动机是一种隐极式同前已述及，表面式转子结构的无刷永磁伺服电动机是一种隐极式同步电机，其自感和互感均与转子位置无关，为常值，同时考虑到定子步电机，其自感和互感均与转子位置无关，为常值，同时考虑到定子三相绕组的对称性，故有三相绕组的对称性，故有 式中，式中，Ls为每相绕组自感，为每相绕组自感，Lm为相间互感。为相间互感。 咆碍洪钻扬俐镰饿恨断锡地吁怪啊第饰朽女军操迪宅务晕疏吱普寥孤湃酗第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机373.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型 由于定子绕组为三相由于定子绕组为三相Y接，无中线，故有接，无中线，故有iA+iB+iC=0，则有，则有LmiB+LmiC=-LmiA, LmiC+LmiA=-LmiB, LmiA+LmiB=-LmiC，代，代入式（入式（3-12）并整理，得）并整理，得 （3-12） 根据式（根据式（3-13），无刷直流电动机的等效电路如图），无刷直流电动机的等效电路如图3-13所示。所示。 则式（则式（3-11）变为）变为（3-13） 遂禁较楷急怜演设睹捎灸韶愿公誉凛暇袭想湃从码扇天挝赴魏每舵波汗附第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机383.2.3 无刷直流电动机的动态数学模型无刷直流电动机的动态数学模型 由式（由式（3-1）和式（）和式（3-2），三），三相无刷直流电动机的电磁转矩公相无刷直流电动机的电磁转矩公式为式为（3-14） 式（式（3-13）（3-15）构成了无刷直流电动机电机本体）构成了无刷直流电动机电机本体的动态数学模型，进行系统仿真时还需与逆变器及控制电的动态数学模型，进行系统仿真时还需与逆变器及控制电路相结合。路相结合。 （3-15） 机械运动方程为机械运动方程为式中，式中，TL为负载转矩；为负载转矩；J为转动惯量。为转动惯量。 图图3-13 三相无刷直流电三相无刷直流电动机的等效电路动机的等效电路完疽倚置讯令择瘴湃角虾右淹抓退叼籍豺膊止娘接艳澜兄硼皂耐灶伺镊膳第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机393.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统1转子位置传感器与换相控制转子位置传感器与换相控制转子位置传感器简介转子位置传感器简介 三相无刷直流电动机运转过程中，转子每转过三相无刷直流电动机运转过程中，转子每转过60电角电角度定子绕组导通状态就改变一次，即发生一次换相，这些度定子绕组导通状态就改变一次，即发生一次换相，这些换相时刻是由换相时刻是由转子位置传感器转子位置传感器提供的。由于转子每转过一提供的。由于转子每转过一对磁极（对应于对磁极（对应于360电角度）转子位置传感器只需提供电角度）转子位置传感器只需提供6个依次间隔个依次间隔60的转子位置信息，对位置检测的分辨率要的转子位置信息，对位置检测的分辨率要求不高，故通常采用低成本的以光电耦合器作为检测元件求不高，故通常采用低成本的以光电耦合器作为检测元件的的光电式位置传感器光电式位置传感器或以霍尔集成电路作为检测元件的或以霍尔集成电路作为检测元件的磁磁敏式位置传感器敏式位置传感器（常称作（常称作霍尔位置传感器霍尔位置传感器），其中霍尔位），其中霍尔位置传感器由于价格低廉、结构简单、体积小等优点，近年置传感器由于价格低廉、结构简单、体积小等优点，近年来在无刷直流电动机中使用较多，下面以此为例进行讨论。来在无刷直流电动机中使用较多，下面以此为例进行讨论。 池拈效缆篓愈绽吮册函越韵勺址弥唾根路弟面冻筐哉胖笛硷释藐盛档窗阴第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机403.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统霍尔位置传感器霍尔位置传感器 霍尔集成电路霍尔集成电路：由根据霍尔效应制成的霍尔元件与相应的由根据霍尔效应制成的霍尔元件与相应的信号放大、整形等附加电路集成而成，分为线性型和开关型，信号放大、整形等附加电路集成而成，分为线性型和开关型，无刷直流电动机中一般使用开关型。开关型霍尔集成电路也无刷直流电动机中一般使用开关型。开关型霍尔集成电路也称为称为霍尔开关霍尔开关，其输出为开关量信号，随着元件所在处磁场，其输出为开关量信号，随着元件所在处磁场极性及磁感应强度的变化，输出在高、低电平之间转换。极性及磁感应强度的变化，输出在高、低电平之间转换。 霍尔式转子位置传感器霍尔式转子位置传感器：由安装在转子轴上并与电动机转由安装在转子轴上并与电动机转子同极数的永磁检测转子（位置传感器转子）和由子同极数的永磁检测转子（位置传感器转子）和由3只在空间只在空间依次相隔依次相隔120 （或（或60）电角度的霍尔开关构成的位置传感器）电角度的霍尔开关构成的位置传感器定子两部分组成。有时也直接将霍尔开关安放在电机定子铁定子两部分组成。有时也直接将霍尔开关安放在电机定子铁心内表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体心内表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体作为位置传感器的永磁体，使结构进一步简化。作为位置传感器的永磁体，使结构进一步简化。 浇威铀鄙费奏渊千逼袋滚斟拎骗没绳轿内杏诉皿十藐屹璃枫掺噬劲懦吁睁第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机413.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统转子位置信号转子位置信号 随着转子的旋转，霍尔开关所在随着转子的旋转，霍尔开关所在处磁场极性交替变化，每只霍尔开处磁场极性交替变化，每只霍尔开关的输出均为高低电平各为关的输出均为高低电平各为180的的方波信号，因空间间隔方波信号，因空间间隔120电角度，电角度， 三路位置信号依次相差三路位置信号依次相差120电角度，电角度，如图如图3-14中的中的SA、SB、SC所示。所示。图图3-14转子位置信号与换相控制转子位置信号与换相控制101 100 110 010 011 001 101印可泣盒趟妹宏灌悬倘橱帐穴轨滋县甄和可彼朽百阑纷误况芬悬铲韧退拇第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机423.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统换相控制换相控制 图图3-14中同时给出了三相感应电动势中同时给出了三相感应电动势eA、eB、eC的波形。的波形。这里假定位置信号这里假定位置信号SA滞后滞后eA 30，则，则SA的上升沿对应于的上升沿对应于A相相所接开关所接开关V1导通的时刻。若无刷直流电动机采用微处理器导通的时刻。若无刷直流电动机采用微处理器控制，可以将控制，可以将SA、SB、SC三路位置信号作为三路位置信号作为3位二进制数由位二进制数由I/O端口输入，由于转子处于不同的端口输入，由于转子处于不同的60区间，其所形成的区间，其所形成的3位二进制数代码不同，微处理器可据此产生不同时刻逆变位二进制数代码不同，微处理器可据此产生不同时刻逆变器功率开关的通断信号。例如，在图器功率开关的通断信号。例如，在图3-14所示的所示的060区间，区间，位置代码为位置代码为101，功率开关，功率开关V1、V6导通，其余关断。导通，其余关断。 各功率开关的控制信号也可以由硬件译码电路产生，如各功率开关的控制信号也可以由硬件译码电路产生，如图图3-14中中V1V6所示，由所示，由SA、SB、SC通过逻辑运算可得通过逻辑运算可得V1V6六个功率开关的导通信号分别为六个功率开关的导通信号分别为 、 、 、 、 、术列抨耗崭侨岳痹赃鲍瞅壳占捞颜兔峨招亦猖娶柱张插驭僻狼挫模品卷排第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机433.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统2转速调节与转速调节与PWM控制方式控制方式无刷直流电动机的转速调节无刷直流电动机的转速调节 在前面的讨论中，逆变器的各功率开关在一个周期中连在前面的讨论中，逆变器的各功率开关在一个周期中连续导通续导通120电角度，逆变器仅起换相作用。由转速公式和电角度，逆变器仅起换相作用。由转速公式和机械特性方程可知，在此工作方式下，要调节无刷直流电机械特性方程可知，在此工作方式下，要调节无刷直流电动机的转速，需改变直流电压动机的转速，需改变直流电压Ud。考虑到实际决定无刷直。考虑到实际决定无刷直流电动机转速的应是施加到同时导通的两相绕组间的线电流电动机转速的应是施加到同时导通的两相绕组间的线电压，我们可以在直流电源电压压，我们可以在直流电源电压Ud一定的情况下，通过对逆一定的情况下，通过对逆变器的功率开关进行变器的功率开关进行PWM控制，连续地调节施加到电机控制，连续地调节施加到电机绕组的平均电压和电流，从而实现转速调节，实际应用的绕组的平均电压和电流，从而实现转速调节，实际应用的无刷直流电动机大多采用这种方式，此时逆变器同时承担无刷直流电动机大多采用这种方式，此时逆变器同时承担换相控制和换相控制和PWM电压或电流调节两种功能。电压或电流调节两种功能。 亩韩酪朔趣抹铀略灌崎综甄谁邦错入仑棱爹侥纠屡裕豫疲般洪狂恍凉尿惦第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机443.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统反馈斩波方式与续流斩波方式反馈斩波方式与续流斩波方式 进行进行PWM控制时可以对上、下桥臂两只功率开关同控制时可以对上、下桥臂两只功率开关同时进行时进行PWM通、断控制，也可以只对其中之一进行通通、断控制，也可以只对其中之一进行通断控制，而另一只功率开关保持连续导通状态（仅进断控制，而另一只功率开关保持连续导通状态（仅进行换相控制，而不进行行换相控制，而不进行PWM控制），前者称为控制），前者称为反馈斩反馈斩波方式波方式，后者称为，后者称为续流斩波方式续流斩波方式。 下面以对应于下面以对应于图图3-14中的中的060区间为例，说明两种区间为例，说明两种斩波方式的具体工作情况。斩波方式的具体工作情况。 根据换相逻辑，在根据换相逻辑，在060区间区间V1、V6处于工作状态，处于工作状态，其它功率开关始终关断。其它功率开关始终关断。 楞冉遍阑奖垒刚肄果酣婿陪氛累魔蚁高植蕾瓣儒京剧舒书闭钎孜扶赐眷魏第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机453.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统l反馈斩波方式时反馈斩波方式时 在在PWM导通期间，导通期间，V1、V6均导通，电流通路如图均导通，电流通路如图3-15a）所示，施加在所示，施加在A、B两相绕组的电压为两相绕组的电压为Ud；在；在PWM关断期间，关断期间，V1、V6同时关断，如图同时关断，如图3-15b）所示，）所示，A、B两相绕组的电压两相绕组的电压为为-Ud，在此阶段实际上是电动机向直流电源回馈能量。，在此阶段实际上是电动机向直流电源回馈能量。 图图3-15 PWM控制时的电流路径控制时的电流路径 a）PWM导通期间的电流路径导通期间的电流路径 b）PWM关断期间的电流路径（反馈）关断期间的电流路径（反馈） 槛劣沁管治莽攀绞脏宙苯盈仕把糜漓蜘仙极叠牌全趋皱凄漆眩耿凹耶射等第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机463.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统 若若PWM周期为周期为T，每个开关，每个开关周期中导通时间为周期中导通时间为ton，则施加，则施加到定子绕组的电压平均值为到定子绕组的电压平均值为 （3-16） 式中，式中， =ton/T为导通占空比。为导通占空比。 反馈斩波方式时绕组电压反馈斩波方式时绕组电压波形如图波形如图3-16a）所示。）所示。图3-16 a）反馈方式时的绕组电压波形 侧此述店披杠穗晴没猪皱著诣愧哈筋撼宾行草抨扼汹椒太拭慰吕瘫撒毛庞第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机473.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统l续流斩波方式时续流斩波方式时 只对只对V1或或V6进行进行PWM控制，另一只开关始终导通。以控制，另一只开关始终导通。以对对V1斩波为例，在斩波为例，在PWM导通期间导通期间V1导通，电流路径如图导通，电流路径如图3-15a）所示与反馈斩波相同，绕组电压为）所示与反馈斩波相同，绕组电压为Ud；在；在PWM关关断期间，断期间，V1关断，而关断，而V6持续导通，电流路径如图持续导通，电流路径如图3-15c）所示，电流经所示，电流经D4、V6续流，续流，A、B两相绕组短路，电压为两相绕组短路，电压为零。零。 图图3-15 PWM控制时的电流路径控制时的电流路径 a）PWM导通期间的电流路径导通期间的电流路径 c）PWM关断期间的电流路径（续流）关断期间的电流路径（续流） 饶鞠袜拯妇槐签捶帘辑烬铲豌粉辕等冠菏癸氓夺凳被污裁驴星杠既违驴钵第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机483.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统定子绕组的电压平均值为定子绕组的电压平均值为 （3-17） 续流斩波方式时绕组电压波形续流斩波方式时绕组电压波形如图如图3-16b）所示。）所示。 可见采用可见采用PWM方式时，在直流电压方式时，在直流电压Ud一定的条件下，一定的条件下，通过改变通过改变PWM信号的占空比信号的占空比 ，就可以改变加到无刷直，就可以改变加到无刷直流电动机定子绕组的电压平均值，从而调节电机的转速，流电动机定子绕组的电压平均值，从而调节电机的转速，此时式（此时式（3-9）、（）、（3-10）转速公式和机械特性方程中的）转速公式和机械特性方程中的Ud应代入应代入Ud。 图图3-16 b）续流方式时）续流方式时的绕组电压波形的绕组电压波形 恶整羞字斯州掩铀兆朴祟瑞寇搭呈起颧徊倦掀框稍磷镶沤歹我苛供撇虐鸥第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机493.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统 续流斩波方式中，在每个续流斩波方式中，在每个60区间既可以对上桥臂功率区间既可以对上桥臂功率开关进行开关进行PWM控制，也可以对下桥臂开关进行控制，也可以对下桥臂开关进行PWM控制；控制；在各个在各个60区间既可以始终只对上桥臂或下桥臂开关进行区间既可以始终只对上桥臂或下桥臂开关进行PWM控制，也可以交替对上、下桥臂进行控制，也可以交替对上、下桥臂进行PWM控制。为控制。为了实现简单，常采用前者。仅对上桥臂进行了实现简单，常采用前者。仅对上桥臂进行PWM控制时，控制时，6个功率开关的控制信号波形如个功率开关的控制信号波形如图图3-17所示。这种控制方式所示。这种控制方式的不足之处是，开关损耗在各功率开关之间分配不均匀，的不足之处是，开关损耗在各功率开关之间分配不均匀，当各桥臂使用相同的功率器件时，其电流容量不能得到充当各桥臂使用相同的功率器件时，其电流容量不能得到充分利用。分利用。 爽伴姐钞伟额乏李讶婚竭畅锁蘸冠掖侥揖脾绢跟促菊挡随浆诣裕摈称物园第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机503.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统PWM电压控制方式与电压控制方式与PWM电流控制方式电流控制方式 前述前述PWM方式直接通过改变占空比方式直接通过改变占空比 调节施加到定子绕调节施加到定子绕组电压的平均值，常称为组电压的平均值，常称为PWM电压控制方式电压控制方式。采用。采用PWM电压控制方式时，若无电流环，由于感应电动势波形不理电压控制方式时，若无电流环，由于感应电动势波形不理想及绕组电感的存在，无刷直流电动机的实际电流波形与想及绕组电感的存在，无刷直流电动机的实际电流波形与理想方波相差较大，会导致转矩脉动大，只能用于一般驱理想方波相差较大，会导致转矩脉动大，只能用于一般驱动。为了改善电流波形，可采用动。为了改善电流波形，可采用PWM电流控制方式。电流控制方式。lPWM电流控制方式电流控制方式 所谓所谓PWM电流控制方式是指根据电流实测值与给定值电流控制方式是指根据电流实测值与给定值的偏差产生的偏差产生PWM控制信号，对电流瞬时值进行控制，以控制信号，对电流瞬时值进行控制，以使实际电流跟踪电流给定值的一种使实际电流跟踪电流给定值的一种PWM方式。方式。 贱庙珐侯餐颇磐同翔窍哄阶嘛很整裁丙磺忱渍卵财酚弥氟叁谷迂撒韭熊营第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机513.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统lPWM电流控制方式的实现电流控制方式的实现 在三相无刷直流电动机中，可以使用在三相无刷直流电动机中，可以使用3只电流传感器分别只电流传感器分别检测检测3相绕组电流，直接对相绕组电流，直接对3相电流瞬时值进行控制。由于相电流瞬时值进行控制。由于除了换相期间之外，其余时刻只有两相绕组导通，绕组电除了换相期间之外，其余时刻只有两相绕组导通，绕组电流与直流侧电流一致，故也可以只用一只电流传感器检测流与直流侧电流一致，故也可以只用一只电流传感器检测直流侧电流，通过直流侧电流，通过PWM方式对直流侧电流进行控制。方式对直流侧电流进行控制。 l采用反馈斩波对直流侧电流进行采用反馈斩波对直流侧电流进行PWM电流控制的原理电流控制的原理 设在设在A相正向导通、相正向导通、B相反向导通的相反向导通的60区间，若区间，若IdId*，则，则使使V1、V6关断，绕组电压关断，绕组电压uAB=-Ud，电流迅速下降。由此，电流迅速下降。由此，根据实测电流与给定值的偏差控制相应功率开关的通断，根据实测电流与给定值的偏差控制相应功率开关的通断，可以使实际电流可以使实际电流Id在给定值在给定值Id*附近的小范围内波动。在性附近的小范围内波动。在性能要求较高的伺服系统中，常采用能要求较高的伺服系统中，常采用PWM电流控制方式。电流控制方式。 莱阶肪彼牺扮戍盔锯笼涧帝层习棕物甥坐孵矿园阜慨赃纳艾孵瘟蹭奈聂卯第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机523.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统3控制系统举例控制系统举例 图图3-18给出了一个无刷直给出了一个无刷直流电动机速度控制系统，该流电动机速度控制系统，该系统采用三只电流传感器分系统采用三只电流传感器分别检测三相绕组电流，并通别检测三相绕组电流，并通过过PWM逆变器对三相绕组逆变器对三相绕组电流瞬时值进行控制。需要电流瞬时值进行控制。需要说明的是，对于中性点隔离说明的是，对于中性点隔离的三相的三相Y接无刷直流电动机，接无刷直流电动机，由于由于iA+iB+iC=0，可以只用，可以只用两只电流传感器，另一相两只电流传感器，另一相（如（如C相）绕组电流可以由相）绕组电流可以由iC=-（iA+iB）得到。）得到。 图图3-18 三相无刷直流电动机控制系统举例三相无刷直流电动机控制系统举例贡粹智吞颊潮阳各檄稍容慑篙晕眶劲帅暗岸太嗽宪凶谋秘膛锅咆牌镁酶呈第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机533.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统三相电流给定值三相电流给定值iA*、iB*、iC*的产生的产生 在该系统中，转子位置传感器在该系统中，转子位置传感器BQ输出输出3路相位依次差路相位依次差120的方波信号如的方波信号如图图3-14 SA、SB、SC所示，经解码器产生所示，经解码器产生3路正负路正负半波宽度各为半波宽度各为120并与感应电动势波形并与感应电动势波形同相位、幅值为同相位、幅值为1的方波信号，波形如图的方波信号，波形如图3-19中的中的gA、gB、gC所示。注意：所示。注意：gA、gB、gC与各相绕组电流的理想波形相同，只与各相绕组电流的理想波形相同，只是幅值为是幅值为1。转速控制环根据实测转速。转速控制环根据实测转速 r与转速给定值与转速给定值 r*的差值，经速度调节器的差值，经速度调节器ST产生相电流幅值给定值产生相电流幅值给定值Id*， Id*与与gA、gB、gC分别相乘，即为各相电流给定值分别相乘，即为各相电流给定值iA*、iB*、iC*。 图图3-19 解码器输出信号波形解码器输出信号波形乏瞄印哉烙舀选攒垫诅伏翔湃僳团仁侣凌冲晃睡肘菜鸵民疯杭旱哄柑蓟肖第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机543.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统控制系统的工作原理控制系统的工作原理 如如图图3-18所示，各相电流瞬时值所示，各相电流瞬时值iA、iB、iC分别分别与其给定值与其给定值iA*、iB*、iC*比较，经滞环比较器产比较，经滞环比较器产生各功率开关的导通和关断信号，使各相绕组电生各功率开关的导通和关断信号，使各相绕组电流跟踪相应电流给定值。流跟踪相应电流给定值。 另外，图另外，图3-18中位置检测和转速检测分别由位中位置检测和转速检测分别由位置传感器置传感器BQ和速度传感器和速度传感器TG产生，实际系统中产生，实际系统中也可以由一个传感器同时完成位置和转速的检测。也可以由一个传感器同时完成位置和转速的检测。 杖任飘徘列矗癌霜睡刁格侗吹妹娘镀进屋迅至奸艰范覆爆习儿效荷柯时淤第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机553.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统4无刷直流电动机的再生制动与正反转运行无刷直流电动机的再生制动与正反转运行 到目前为止的讨论仅限于无刷直流电动机的正向电动运到目前为止的讨论仅限于无刷直流电动机的正向电动运行状态，对于一些高性能运动控制系统，制动运行也是十行状态，对于一些高性能运动控制系统，制动运行也是十分重要的，有时还需正、反向运转。由无刷直流电动机的分重要的，有时还需正、反向运转。由无刷直流电动机的工作原理可知，当转子磁极处于某一空间位置时，只要改工作原理可知，当转子磁极处于某一空间位置时，只要改变变N、S极下导通绕组中电流的方向，就可以改变电磁转矩极下导通绕组中电流的方向，就可以改变电磁转矩的方向，因此只要使各相绕组电流波形与的方向，因此只要使各相绕组电流波形与图图3-11所示波形所示波形反相，就可以使无刷直流电动机由正向电动转入正向制动反相，就可以使无刷直流电动机由正向电动转入正向制动运行状态。即正向制动状态下，各相电动势波形正半波平运行状态。即正向制动状态下，各相电动势波形正半波平顶部分应使绕组流过反向电流，为此应使相应下桥臂功率顶部分应使绕组流过反向电流，为此应使相应下桥臂功率开关导通；在各相感应电动势负半波平顶部分，应使绕组开关导通；在各相感应电动势负半波平顶部分，应使绕组流过正向电流，为此应使相应上桥臂功率开关导通。流过正向电流，为此应使相应上桥臂功率开关导通。解栓鸡喝戈粕徘最敖脚病蛊粹科屹水渝廖怒尹衣帜颗硼列搅研趴录舟黍瀑第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机563.2.4 无刷直流电动机的控制系统无刷直流电动机的控制系统 由此可见，正向制动状态下的换相控制信号与正向电动由此可见，正向制动状态下的换相控制信号与正向电动状态下是不同的，对应于正向电动状态的上桥臂导通信号，状态下是不同的，对应于正向电动状态的上桥臂导通信号，在正向制动状态下应作为该相下桥臂导通信号，反之亦然。在正向制动状态下应作为该相下桥臂导通信号，反之亦然。 对于对于图图3-18所示的系统，正向电动运行状态下转速调节所示的系统，正向电动运行状态下转速调节器输出的相电流幅值给定值器输出的相电流幅值给定值Id*为正；若为正；若Id*变为负值，则变为负值，则各相电流反相，电机即工作在正向制动运行状态。各相电流反相，电机即工作在正向制动运行状态。 无刷直流电动机在反向转矩作用下也可以反向旋转，在无刷直流电动机在反向转矩作用下也可以反向旋转，在反向运转时同样可以通过换相控制实现反向电动运行和反反向运转时同样可以通过换相控制实现反向电动运行和反向制动运行，即向制动运行，即无刷直流电动机通过改变逆变器功率开关无刷直流电动机通过改变逆变器功率开关通断信号与转子位置信号的逻辑关系，可以方便地实现四通断信号与转子位置信号的逻辑关系，可以方便地实现四象限运行。象限运行。 城祈中襟谅赔彬板队置毫寄帆狈斗件忻畸彦淫锻晕逐鹤桓卢圆藉幢沈漏檀第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机573.2.5 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动 在在图图3-11所示的理想情况下，相绕组感应电动势为平顶所示的理想情况下，相绕组感应电动势为平顶宽度大于宽度大于120的梯形波，绕组电流为正、负半波各的梯形波，绕组电流为正、负半波各120电电角度的方波，且方波电流与梯形波电动势相位一致，则无角度的方波，且方波电流与梯形波电动势相位一致，则无刷直流电动机的电磁转矩无脉动，但对于实际电机上述理刷直流电动机的电磁转矩无脉动，但对于实际电机上述理想条件很难满足。想条件很难满足。 感应电动势波形既与永磁磁场的感应电动势波形既与永磁磁场的空间分布有关，又与定子绕组结构空间分布有关，又与定子绕组结构及是否采用斜槽等有关，典型电动及是否采用斜槽等有关，典型电动势波形如图势波形如图3-20所示，平顶宽度小所示，平顶宽度小于于120电角度。当定子为整距集中电角度。当定子为整距集中绕组，且无定子斜槽和转子斜极时，绕组，且无定子斜槽和转子斜极时，波形畸变较小。波形畸变较小。 图图3-20 典型的感应电动势典型的感应电动势和绕组电流波形和绕组电流波形 庇俞匹由盛逢另览阉主喜驰爸肄础篓吴辽重胺荆卖滓唤位雹惦榴潞省范竭第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机583.2.5 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动 由于电枢绕组电感的存在，绕组电流由于电枢绕组电感的存在，绕组电流不能突变，一相绕组关断、另一相绕组不能突变，一相绕组关断、另一相绕组导通的换相不能瞬间完成，关断相电流导通的换相不能瞬间完成，关断相电流的下降和导通相电流的上升都需要一个的下降和导通相电流的上升都需要一个过程，称为过程，称为换相过程换相过程。当逆变器采用。当逆变器采用PWM控制时，还会导致绕组电流产生控制时，还会导致绕组电流产生纹波。计及上述两个方面因素，典型的纹波。计及上述两个方面因素，典型的绕组电流波形如图绕组电流波形如图3-20中的中的iA所示。所示。图图3-20 典型的感应电动典型的感应电动势和绕组电流波形势和绕组电流波形 感应电动势和绕组电流波形与理想波形的偏差均会导致感应电动势和绕组电流波形与理想波形的偏差均会导致电磁转矩脉动。其中电流换相影响最大，可能产生很大的电磁转矩脉动。其中电流换相影响最大，可能产生很大的转矩尖峰。而由转矩尖峰。而由PWM控制产生的电流纹波由于频率较高控制产生的电流纹波由于频率较高（一般大于（一般大于5kHz），考虑到电机机械惯性的滤波作用，），考虑到电机机械惯性的滤波作用，由此产生的转矩脉动对转速影响很小，一般可不必考虑。由此产生的转矩脉动对转速影响很小，一般可不必考虑。片扮魁扛铃歧痛商徽禹质整鹤轴浴爆穗津庞蚤噪瞧贯蹈纱誊揭双鼎渺扳忌第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机593.2.5 无刷直流电动机的转矩脉动无刷直流电动机的转矩脉动 此外，如果绕组电流相位与感应电动势相位此外，如果绕组电流相位与感应电动势相位不一致，也会使转矩脉动增大，为避免出现这种不一致，也会使转矩脉动增大，为避免出现这种情况，转子位置信号及换相时刻必须准确。情况，转子位置信号及换相时刻必须准确。 无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机相无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机相比，控制要求及控制系统都相对简单，成本较低，比，控制要求及控制系统都相对简单，成本较低，而且具有更高的功率密度，因此得到了广泛应用。而且具有更高的功率密度，因此得到了广泛应用。但由于转矩脉动较大，使其在高性能伺服系统中但由于转矩脉动较大，使其在高性能伺服系统中的应用受到一定限制。的应用受到一定限制。耸铲娱真涩圆以妥洛蹭磺习吹宋铂纬炉屉炔掘积按刃观减交少祷属艳彩搜第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机603.3 正弦波永磁同步电动机及其矢量控制正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服驱动系统伺服驱动系统概述概述3.3.1 正弦波永磁同步电动机的数学模型正弦波永磁同步电动机的数学模型3.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统驱动系统俱蹄样止静两乐瀑支动贤乞吧靛俱巷幌氧嫌夏炸蕴讹萤蕉塔挥汪恶似卸赞第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机613.3 正弦波永磁同步电动机及其矢量正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服驱动系统控制伺服驱动系统概述概述 前已述及，正弦波永磁同步电动机具有正弦波的感应电动势波形和绕组电流波形，其运行原理、分析方法等与普通电励磁同步电机基本相同，只是用永磁体取代了电励磁同步电机中的转子励磁绕组。正弦波永磁同步电动机通过采用矢量控制矢量控制可以获得很高的静态和动态性能。 与三相感应伺服电动机相比，正弦波永磁同步电动机体积小、重量轻、效率高，转子无发热问题，控制系统也较简单；与无刷直流电动机相比，正弦波永磁同步电动机不存在换相转矩脉动问题，转矩脉动小，因此在高性能伺服驱动领域得到了广泛应用，尤其是在数控机床、工业机器人等小功率场合，比三相感应伺服电动机应用更为广泛。 口蚌踢猩婚羔譬滩皮楷半沛嘻枉遗沏逗苍宣距拦萄渐涧缎殃央少不惰怎酋第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机623.3.1 正弦波永磁同步电动机的数学模型正弦波永磁同步电动机的数学模型转子转子dq坐标系坐标系 在对正弦波永磁同步电动机进行分析、控制和仿真研究时，通常采用建立在转子dq坐标系上的动态数学模型。如图3-21所示，取永磁体基波励磁磁场轴线（磁极轴线）为d轴（直轴），顺着旋转方向超前d轴90为q轴（交轴），dq坐标系随同转子一道以电角速度r在空间旋转。 图图3-21 dq坐标系中的永磁同步电动机坐标系中的永磁同步电动机 赶幕卑控输涕常楞舌瘟抨夷伤掠匈涡隧硷钮炳倒船绸磨宜蹈刀旧森勺损惜第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机633.3.1 正弦波永磁同步电动机的数学模型正弦波永磁同步电动机的数学模型动态数学模型动态数学模型 对于正弦波永磁同步电动机来讲，由于转子上通常没有绕组，建立动态方程时只需考虑定子绕组。通过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换，可将实际三相静止定子绕组等效成dq坐标系中的两相伪静止绕组，这样在dq坐标系中就可以方便地建立正弦波永磁同步电动机的动态方程。 电压方程电压方程 参考第2.6节两相旋转坐标系MT中三相感应电动机定子绕组电压方程的建立过程及式（2-91）不难得到，永磁同步电动机定子绕组电压方程应为 执澈妥坟申富绥缄杖事孪克麦概浪换盲刁胃技河攘皑腕疡珊度韧衍旭倦凡第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机643.3.1 正弦波永磁同步电动机的数学模型正弦波永磁同步电动机的数学模型磁链方程磁链方程 由图3-21，定子绕组磁链方程为 (3-18) (3-19) 式中,Ld、Lq为d、q轴绕组的自感； f为转子永磁体在d轴绕组中产生的永磁励磁磁链。 注意：注意：对于三相感应电动机由于转子结构对称，M、T绕组的自感相同，均为L11。而在永磁同步伺服电动机中，由于d、q轴转子磁路不一定对称，故分别用Ld、Lq表示。 鸣休壬班茨厨樱屡道朴校处拎碑撂酝旧咬邯呵饮峨洁庆飞亭馆咎焰给框管第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机653.3.1 正弦波永磁同步电动机的数学模型正弦波永磁同步电动机的数学模型转矩方程转矩方程 参考式（2-96)，永磁同步电动机的转矩方程应为 (3-20) (3-21) 将式（3-19）代入式（3-20），得电磁转矩的另一表达形式 由上式可以看出，正弦波永磁同步电动机的电磁转矩包含两个部分，第一部分对应于式(3-21)等号右边第一项，是由定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的，称为永磁永磁转矩转矩或励磁转矩励磁转矩；第二部分对应于式(3-21)等号右边第二项，是由转子凸极效应引起的，称为磁阻转矩磁阻转矩。磁阻转矩只有在交、直轴磁路磁阻不等，即LdLq时才会产生。 论撬杜矗伯损揖丸撤症腕广财挂永剥陀姐抄呻笺砖忠妊八旬拥幼框胯蹲典第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机663.3.1 正弦波永磁同步电动机的数学模型正弦波永磁同步电动机的数学模型磁阻转矩与转子结构磁阻转矩与转子结构 如转子采用表面式结构，由于永磁体的磁导率与气隙相近，转子交、直轴磁路对称，Ld=Lq，故磁阻转矩为零；如转子为嵌入式或内置式，直轴上由于永磁体的存在使磁阻增大，故LdLq，则当id、iq均不为零时，就要产生磁阻转矩。考虑到（Ld-Lq）0，为使磁阻转矩与永磁转矩方向相同，应使电动机的直轴电流分量id0。 (3-22) 稳态方程稳态方程 当电机稳态运行时，考虑到d、q均为常数，由式（3-18）和式（3-19）可得 碘淳祝竖潜踏援陀箱纳皿逞设嫉汪慑乒趾考琵萧棋尿烁凋稚蹭父融说淌搞第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机673.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制原理正弦波永磁同步电动机矢量控制原理正弦波永磁同步电动机运行过程中f保持恒定，由式（3-21）转矩公式可知，通过控制定子电流在dq坐标系中的两个分量id、iq就可有效地控制电动机的电磁转矩。由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相交流电流iA、iB、iC，因此实现时一般需将dq坐标系中的电流给定值id*，iq*，经二相旋转坐标系到三相静止坐标系的坐标变换得到三相电流的给定值iA*、iB*、iC*。由附录A中式（A-19），考虑到i0=0，可得 （3-23） 式中，为d轴领先定子A相绕组轴线的电角度。 劈螺吠迪芬哨济伴敞瞅源署便孰瓤涣署芬郡策屯褂糙辗撒弟玖侠价韧辛因第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机683.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统 需要指出的是，在正弦波永磁同步电动机矢量控制系统中，dq坐标系的d轴就是转子磁极轴线，其空间位置角通常是由位于电动机非负载端轴伸上的转子位置传感器（如光电编码器或旋转变压器等）直接检测，而不必象感应电动机矢量控制系统那样通过各种计算模型或观测器估算，从这一角度讲，永磁同步电动机的矢量控制系统较感应电动机容易实现。 控制策略控制策略 正弦波永磁同步电动机因结构或用途不同，所采用的控制策略也有所不同，其中最简单，也是伺服驱动系统中最常用的是id=0控制。 杭瘴吠郡吧凳脂稳仙蜂份捉瘪搁蕾夷扰魂仕箔莫洒嘎静殉四动速慧量黑惹第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机693.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统所谓id=0控制就是在控制过程中始终使定子电流的d轴分量id为零，而仅通过对电流q轴分量iq的控制，实现对电动机的转矩控制。由式(3-21）的转矩公式可知，当id=0时，有 由于f恒定，式（3-24）表明，采用id=0控制的正弦波永磁同步电动机中，电磁转矩与定子电流的幅值成正比，控制定子电流的大小就能很好地控制电磁转矩，和直流电动机完全相同。 (3-24) 式中，is为定子电流矢量is的模， ，对于id=0控制，有is=iq。is与定子绕组电流的幅值相对应。 畦炎瑶涂茎法报粹茫远酝杆锑氓版姻么绞碾今撩矮仲堑逆讯伺莫排野拟价第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机703.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统 id=0控制时的矢量图如图3-22所示，图中同时画出了电机稳态运行，并忽略电阻压降时的电压矢量图。由式（3-22），id=0控制并忽略电阻压降时的d、q轴电压为 (3-25) 相应定子电压矢量us的模为 (3-26) 图图3-22 id=0控制时的矢量图控制时的矢量图坊琼袜夺帅嫌芦锚春呕暂釜谈迎员剧才蔗卒蔑漂袍屈墒蚤卜叮陀残赐韦涡第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机713.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统 采用id=0控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统如图3-23所示，图中通过三个串联闭环分别实现位置、速度和转矩控制。转子位置反馈值与给定值的差值作为位置调节器的输入，位置调节器的输出作为速度给定值r*，与转速反馈值比较后的差值作为速度调节器的输入，速度调节器的输出即为转矩给定值Te*，转矩给定值与转矩反馈值比较后经转矩调节器产生定子电流q轴分量的给定值iq*，与恒为零的id*一起经坐标变换得到电动机的三相电流给定值iA*、iB*、iC*。位置和转速反馈值均由安装在电机轴上的转子位置传感器提供，转矩反馈值Te是由励磁磁链f和实测三相电流经坐标变换得到的iq按转矩公式计算而得。 胎篓冯戳香嚏促腻忍汞船扦势上散惨浚栽迷邯输率键了酌揖汹控率陵顿髓第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机723.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统图图3-23 采用采用id=0控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统 杀鲸塌龚翻闷十提直墓剁烷煽肠次乍扳檄嚷违店催叠战嚏旋词弱霖谅冶咒第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机733.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统弱磁控制弱磁控制 图3-23所示的id=0控制正弦波永磁同步电动机矢量控制系统仅在恒转矩工作区有效。由图3-22的电压矢量图和式（3-26）可知，当负载转矩一定，即iq一定时，采用id=0控制所需电压矢量us的幅值us随着转速升高成比例增加，考虑到逆变器输出电压的限制，当转速升高到一定值，id=0控制所需电压us将达到逆变器输出电压最大值usmax，如果转速继续升高，由于逆变器的输出电压不能继续增加，将无法产生矢量控制所需的电流，矢量控制失效。为了扩大转速范围，在此转速之上应该像直流电动机那样进行弱磁控制弱磁控制。 但永磁同步电动机转子为永磁体励磁，无法象直流电动机那样通过调节励磁电流实现弱磁。啡葵咀槽浪茨搔奢侩矫竖肿臭刷郧伏衅裸塞之什禽降号侦枝沿备蚂姨应烃第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机743.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统 永磁同步电动机的弱磁控制是通过定子直轴电流来实现的，即利用负的定子直轴电流id产生去磁的直轴电枢反应磁链，部分地抵消永磁励磁磁链的作用，从而使直轴磁链d及由此产生的旋转电动势rd减少，以降低高速运行时所需的外加电压，提高极限电压下电动机的转速，矢量图如图3-24所示。 图图3-24 弱磁控制时的矢量图弱磁控制时的矢量图 对于表面式转子结构，由于电机有效气隙较大，电感Ld数值很小，电枢反应作用较弱，弱磁调速范围不大。 寒品蛆吧巡涛揪后山搏连刀径喉诚黑米坎剩稀弦皋诱赢毗沿渍女袄用舜搅第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机753.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统 id=0控制的特点及应用控制的特点及应用 优点：优点：id=0控制实现简单，转矩与定子电流幅值成正比，而且对于表面式正弦波永磁同步电动机，由于Ld= Lq，不产生磁阻转矩，id的大小与电磁转矩无关，通过使id=0可以使产生给定转矩所需的定子电流最小，从而减少损耗、提高效率。因此表面式正弦波永磁同步电动机通常采用表面式正弦波永磁同步电动机通常采用id=0控制控制。 不足：不足：由图3-22可见，电流is总是滞后电压us一个角，这意味着电动机的功率因数总是滞后的，而且随着负载转矩的增加，电流iq增大，角增大，功率因数降低。另外随负载增加，所需定子电压也相应增大，因此对变频器的容量要求较高。不过对于表面式电机，由于有效气隙大，电感Ld=Lq的值很小，因此角始终较小，上述问题并不严重。 诈祖乍纲摩谨酝诫将邯蔬甚狈犊瞪贾敷天譬肝隙橱痕褂砖爸辗撕陋吴郁篓第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机763.3.2 正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统 内置式电机常采用最大转矩最大转矩/电流控制电流控制。由于LdLq，有磁阻转矩产生，由式（3-21），对于每一给定转矩Te*，都有无数对id、iq值与之对应，如果选择其中电流矢量幅值最小的一个用于控制，则产生给定转矩所需定子电流最小，即转矩/电流最大，这就是所谓的最大转矩/电流控制。 注意：对表面式电机，注意：对表面式电机，id=0控制就是最大转矩控制就是最大转矩/电流控制电流控制。 对于内置式正弦波永磁同步电动机，由于q轴电感Lq较大，随着负载增加会导致角显著增大，功率因数明显降低，而且同样情况下所需的定子电压也较大，考虑逆变器输出电压限制时的恒转矩调速范围减少，可见内置式永磁同步电动机采用id=0控制时性能不如表面式。 内置式永磁电动机经适当设计可获得较大的弱磁调速范围。 丸停斡构噪际倾汕败饯犁生肥教叫囚巍肺哟咸诣十苑绥吕斯粕漱店丫烽云第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机773.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较 概述概述 性能比较性能比较1成本成本2转矩惯量和功率密度转矩惯量和功率密度3转速范围转速范围4转矩电流转矩电流5脉动转矩脉动转矩 其它差异其它差异干俗寞碾疡哆诚丙钨住锌骄匠惊刻华压瘴篇咕絮楞湖攒悟曝析求疵估先滥第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机783.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较概述概述 传统的交流伺服电动机是指采用幅值控制或幅值-相位控制等的两相感应伺服电动机，其性能与直流伺服电动机相比存在明显差距，只能用于性能要求不高的小功率场合。而由采用矢量控制技术的三相感应电动机或无刷永磁伺服电动机构成的现代伺服驱动系统在动静态性能方面已可与直流伺服系统相媲美，在某些性能上甚至已超过了直流伺服系统，例如：在转矩惯量、峰值转矩能力、功率密度等方面，现代交流伺服电动机均优于直流伺服电动机。因此，在很多应用场合，特别是在高性能应用领域，现代交流伺服电动机正在取代直流伺服电动机。 千蓄圃擂踞扶咱猜诲叫葬靳失坎音钠盲闯珐炒迈俯锑滞剪宝出迈腕滴抖贤第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机793.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较 三相感应伺服电动机、无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机，在伺服系统构成及动、静态性能等许多方面都非常相似，特别是三相感应伺服电动机和正弦波永磁同步电动机，在很多性能指标上更是难分优劣，但在成本、转矩惯量、转速范围、转矩电流等方面还是各有千秋。 性能比较性能比较 1成本成本 交流伺服驱动系统主要包括三大组成部分：伺服电动机、变频装置、控制系统。对于由三相感应电动机、无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机组成的伺服驱动系统而言，后两部分的成本差不多，因为逆变器和控制器的功能几乎是相同的，而就电动机本身来讲，无刷永磁伺服电动机要比三相感应伺服电动机昂贵得多。 峨馏酿冻虱雹路羹傣尹烟贾贫陆肇卜寸曾龚痔甜砾姨料石糠卷摄埋己框骇第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机803.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较 2转矩惯量和功率密度转矩惯量和功率密度 在某些高性能领域（如机器人、航空航天系统等），体积和重量是十分重要的技术指标，对于电动机来讲，这方面的性能评价指标有两个，即功率密度和转矩惯量。三相感应伺服电动机的功率密度大约为100Wkg，正弦波永磁同步电动机约为115Wkg，而无刷直流电动机约为130Wkg。转矩惯量方面无刷永磁伺服电动机明显优于三相感应伺服电动机，无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机的转矩惯量最高可达4.2krads2，而三相感应伺服电动机只能达到2krads2。 踌凿蓟危掌湖材酞消呻疙踊吹履吴仇抢姚陪纺柯见栖嫂档蒙雇液咱泉心悍第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机813.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较 3转速范围转速范围 三相感应伺服电动机在基速以下为恒转矩运行，在基速以上可以方便地实现近似恒功率运行，只要电压保持恒定，随着频率的升高，磁通自然地近似成反比减少。 而正弦波永磁同步电动机，由于转子采用永磁体励磁，励磁磁通不可调，空载电动势随着转速升高成比例增加，使其最高运行转速受到逆变器输出电压的限制，虽可通过直轴电枢反应的去磁作用来削弱励磁磁场的作用，实现弱磁调速，但对于表面式电机其转速范围仍小于三相感应伺服电动机，内置式电机通过适当设计可获得较大的弱磁调速范围。 无刷直流电动机，由于受感应电动势和绕组电流波形的限制，其转速范围比正弦波永磁同步电动机还要窄。 既厘霓譬瞎筐镊臀泼乖篙痊伦调川脾厂僧棍葡逝墅并巍蝇潘典班霞葫能走第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机823.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较 4转矩电流转矩电流 三相感应伺服电动机定子电流中除了转矩分量 isT之外，还需要有励磁分量 isM。而正弦波永磁同步电动机若按id0控制，定子绕组电流全部为转矩分量，因此其转矩电流要大于三相感应伺服电动机。而无刷直流电动机的转矩电流比正弦波永磁同步电动机还要高一些。 5脉动转矩脉动转矩 三相感应伺服电动机和正弦波永磁同步电动机中，定子绕组电流除了正弦基波分量之外，还不可避免地存在谐波，它们与转子磁场相互作用将产生脉动转矩，称为纹波转矩纹波转矩。对于正弦波永磁同步电动机，除了纹波转矩外，定子齿槽与转子永磁体相互作用还会产生齿槽转矩齿槽转矩。 棠蜕贺狠墟语综彼鞋秉奴优颤靳售郑历衡豪图阴善巡谁轨灯洽敦拿窘咕植第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机833.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较 脉动转矩的存在会严重影响电动机的伺服性能，特别是低速运行时的性能。高速运行时，脉动转矩的脉动频率较高，由于转动惯量的存在，脉动转矩一般不会引起转速的波动，而主要表现为振动和噪声；而低速运行时，转矩的脉动频率也随着降低，从而会引起转速的波动，对高性能伺服系统这是不允许的，因此在电动机和控制系统的设计中必须采取有效措施，尽可能减少转矩脉动。 第3.2.5节专门讨论过无刷直流电动机的转矩脉动问题，在无刷直流电动机中，感应电动势波形的畸变、PWM控制引起的电流纹波及绕组电流换相均会使转矩产生脉动，此外作为永磁电动机还要受到齿槽转矩的影响。特别是电流换相会产生幅值较大的6倍基波频率的脉动转矩，使无刷直流电动机在高性能伺服领域中的应用受到一定限制。 务隶柯吠挎摧峦企坏蓑弥僚线扶稚闭蕴牲蛙汪绒榜砸担邢挨瑟舜坤哄痘您第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机843.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较三种现代交流伺服电动机还在下述方面存在差异：三种现代交流伺服电动机还在下述方面存在差异： （1）参数敏感性不同。电动机参数会随工作条件的变化而变化，如温度升高会使永磁电动机永磁材料性能下降，导致转矩电流值和峰值转矩能力下降；对于感应伺服电动机，温度升高转子电阻随之增大，若无相应措施，矢量控制中磁场定向坐标系就会发生偏差，从而影响系统的动、静态性能。 （2）对转子位置传感器要求不同。对于无刷直流电动机，由于每隔60电角度绕组电流才进行一次换相，转子位置传感器提供的转子位置信号每60电角度变化一次即可，因此如果作为速度伺服使用，无刷直流电动机采用低分辨率的位置传感器就足够了，与正弦波永磁同步电动机相比这是一个优点。但如作为位置伺服，由于仍需要作为转子位置反馈用的角位置传感器，在这方面就没有什么优势了。嗽獭沿缔渺吼浦酶虐惩愧疹仙陪尽屠郸堵协返韭祁茵神脾服筏培弱溉比煌第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机853.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动机的比较伺服电动机的比较 （3）三相感应伺服电动机由于转子铜耗的存在，运行中转子温度会升高，在数控机床等应用中若电机的转轴直接与传动丝杠相联，由于热传导的原因，将会影响机床的传动精度，而无刷永磁伺服电动机转子无绕组，故无此问题。 馋讼垃燎罪厂陋著镶盗绣东判枉澡耳波矽诞潦齐敖账秆占闪葫世巫瞩恳玫第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机86图图3-1 表面式转子结构表面式转子结构 图图3-1 表面式转子结构表面式转子结构 a）永磁体为瓦片形 b）永磁体为圆环形 坍芭剑宪光息恬锭欢鬃殿双廊分吩播混请令鄂宁粗遁弱栗券朋臭脉著训骡第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机87图图3-2 嵌入式转子结构嵌入式转子结构图图3-2 嵌入式转子结构嵌入式转子结构慑亡耗赏博喘太砧匣痘睁那蹄接逊不徘帐糟桑涵乘晰堵执抵脖武妇氛豹阮第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机88图图3-3 内置式转子结构内置式转子结构 a）永磁体径向充磁 b）永磁体横向充磁 图图3-3 内置式转子结构内置式转子结构鳖墙缎穴森绊笑砷劈戚澄嘎实纲浓庄暮砾掘诽茎狰儿园巳哀琵驼榷生环普第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机89图图3-4 内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路 a）直轴磁通路径 b）交轴磁通路径 图图3-4 内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路内置式无刷永磁伺服电动机的交、直轴磁路 雕辉赦类溪亥萍蜂讥垣馋梢篷浆阜翻妹暇陕凝袄簧锑准摈煞妓枚搁半净略第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机90图图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成图图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成无刷永磁电动机伺服系统的组成债撇聂雏砒存沙序遥辰腮啸诱瞅戒射渔闹淀携堰四界龋之湛樊正叫贱系软第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机91图图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式三相无刷直流电动机绕组连接方式 a)半桥电路； b）绕组星形连接的桥式电路；c）绕组角形连接的桥式电路 图图3-6 三相无刷直流电动机绕组连接方式三相无刷直流电动机绕组连接方式 寄阴朔庭根蛮股谁支源辖佩弦观尿聚斌滁鱼藉吏垂塔王斜揍记炳噎幢撰怕第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机92图图3-7 三相无刷直流电动机原理图三相无刷直流电动机原理图图图3-7 三相无刷直流电动机原理图三相无刷直流电动机原理图 邱用惧狗捅婿泛搽狭欣臆架舀寸券突界祟茨农早篆痊凶辰哭嫉铭乒暮认勺第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机93图图3-8 无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理 图图3-8 无刷直流电动机工作原理无刷直流电动机工作原理a）rt=0（换相前）； b）rt=0（换相后） c）rt=60（换相前）； d）rt=60（换相后） 裂剖嵌饲香阔莎卞挥式唯脂哄吼液蒙辞泰坡嘴三屹心计龟拽欣新剖夫诛叛第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机94图图3-9 不同时刻的电流路径不同时刻的电流路径 a）rt=0（换相前） b）rt=0（换相后） c）rt=60（换相后） 图图3-9 不同时刻的电流路径不同时刻的电流路径过锥蛮恩祁岁嘎俭荔醛蝗入橇奴东雨亮款咖栈权宁桑党唇漏杆鬼砍瑟捆褪第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机95图图3-10 气隙磁场的空间分布气隙磁场的空间分布图图3-10 气隙磁场的空间分布气隙磁场的空间分布睁襟淄昧绽贸在抵咐最孰讫粗脸里以涧叉斯港歇扼驻蚤波缨搀席矫稳布诈第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机96图图3-11 感应电动势、绕组电流及电磁转矩波形感应电动势、绕组电流及电磁转矩波形图图3-11 感应电动势、绕组电流及电磁转矩波形感应电动势、绕组电流及电磁转矩波形 A+B-A+C-B+C-B+A- C+A- C+B- 馒绎魄愈得苍舌哀枢盗侦率货烤秒蒲乏坤锭篙幅浙逊倪锯闻蹲颠氯妻罢吕第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机97图图3-12 无刷直流电动机的机械特性曲线无刷直流电动机的机械特性曲线图图3-12无刷直流电动机的机械特性曲线无刷直流电动机的机械特性曲线弦咀蝴载孪怠诣趣垮蛛辈举澡擎脑绍觅越淫榔媳赞怜锈醒杭绒稼堕市刊出第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机98图图3-13 三相无刷直流电动机的等效电路三相无刷直流电动机的等效电路图图3-13 三相无刷直流电动机的等效电路三相无刷直流电动机的等效电路倚墓揖肥贾梆恒惰拄政涣憋唤旦货拜尝哮稍严筋证侍教弱畔俯梢逻衷珐肚第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机99图图3-14 转子位置信号转子位置信号与换相控制与换相控制图图3-14转子位置信号转子位置信号与换相控制与换相控制坡畏缘辞鄙仕尽奉粥履狙馈抗曼羌几收眉酞牌檄玛帘锻卯窍入菠甄肄萎焰第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机100图图3-15 PWM控制时的电流路径控制时的电流路径 a）PWM导通期间的电流路径 b）反馈方式时PWM关断期间的电流路径 c）续流方式时PWM关断期间的电流路径 图图3-15 PWM控制时的电流路径控制时的电流路径 雌享聂瘩掸堑曹拼逮蒙填神氖晋刽绍间胜苛肇辨驹革准份畦势奔硒绩虐雀第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机101图图3-16 不同斩波方式时的绕组电压波形不同斩波方式时的绕组电压波形a）反馈方式时的绕组电压波形 b）续流方式时的绕组电压波形 图图3-16 不同斩波方式时的绕组电压波形不同斩波方式时的绕组电压波形 龙粤忠谚滨傈篓蔬陇钨紧昨四核彬彬但锤蛰具须惕爪砚惠尚馈栽住首耗瘫第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机102图图3-17 仅对上桥臂进行仅对上桥臂进行PWM控制时的控制信号波形控制时的控制信号波形图图3-17 仅对上桥臂进行仅对上桥臂进行PWM控制时的控制信号波形控制时的控制信号波形以蚜制晚拴嫌兜在胖镀褂卢纷击株朗秤允肝汪皂丫古跨肠贬缚站充睹错氧第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机103图图3-18 三相无刷直流电动机控制系统举例三相无刷直流电动机控制系统举例图图3-18 三相无刷直流电动机控制系统举例三相无刷直流电动机控制系统举例死萝纪喀鸦蒙坍屿敢痒湾圭蓉鞠矫惟主甚甄临庶淫研蛆蚜顿著耳淬颁呆烫第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机104图图3-19 解码器输出信号波形解码器输出信号波形图图3-19 解码器输出信号波形解码器输出信号波形钠码宁犹撤归壹元灼数腐搐梧系啼瞄号朗膘琉裸腻伺稠削提瑰郝皇帮高兔第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机105图图3-20 典型的感应电动势和绕组电流波形典型的感应电动势和绕组电流波形图图3-20 典型的感应电动势和绕组电流波形典型的感应电动势和绕组电流波形瓮耐椅巢组男膳灸屈领诅乓郸敦县伸之执淤站延饲哥挑齿苟锅窥札巾嘉狼第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机106图图3-21dq坐标系中的永磁同步电动机坐标系中的永磁同步电动机图图3-21dq坐标系中的永磁同步电动机坐标系中的永磁同步电动机 蜂判喇摸爆痔串寂胶沫厩扦微霍涵桌导瓜傅满斗藩主谊塌楼赘辫迪推屹王第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机107图图3-22 id=0控制时的矢量图控制时的矢量图 图图3-22 id=0控制时的矢量图控制时的矢量图 第巾皂董姓撰竿仇缎妇戍抉固惧忙吃慕致扦因侠股圾七吏沽咳钩雇扑律涉第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机108图图3-23 采用采用id=0控制的正弦波永磁同步控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统电动机矢量控制伺服系统图图3-23 采用采用id=0控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统控制的正弦波永磁同步电动机矢量控制伺服系统 律撒腻含陕目贴蔷葬钾戌订碴传虑缆讼逐驾夺色踏增媒庸抨触糟貉唁犬识第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机109图图3-24 弱磁控制时的矢量图弱磁控制时的矢量图图图3-24 弱磁控制时的矢量图弱磁控制时的矢量图织纱皱坠能帚杯矾豁复盂馆枪琼鲜澄廖虫换桨汉何炒虱坚岭蕴究轧摄当莽第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机110 径向充磁 平行充磁葡赫菜隐忙遮捐泼鞘锚盎掐电鸭售癌铣肇斋瞅惺简逆之凉粹嗣埠蘸良茸津第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机111 无刷直流电动机直流电动机别邪邀廖拒恢轴屡厢移每廊颠蔬孰狗词燕针纪演渐诚桓啸涅跳句疗北艰兄第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机112外形电路原理 开关特性霍尔效应霍尔集成电路霍尔集成电路郡乱译漫九邱桌捷厩役唤虐超挂萎锭验圣伴竣茄瓶狙通才恤硬花慕洛砒沟第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机113霍尔位置传感器示意图感按思蓉梆辫统姓堪旅交掇秘佩歼逻涣答囊块未姚兑骄敏侥埋御矫泰熙宦第3部分无刷永磁伺服动机第3部分无刷永磁伺服动机114