永磁交流伺服电机位置反馈传感器检测相位与电机磁极相位的对齐方式
2008-11-07 来源：internet 浏览：504
主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等。为支持永磁交流伺服驱动的矢量控制，这些位置反馈元件就必须能够为伺服驱动器提供永磁交流伺服电机的永磁体磁极相位，或曰电机电角度信息，为此当位置反馈元件与电机完成定位安装时，就有必要调整好位置反馈元件的角度检测相位与电机电角度相位之间的相互关系，这种调整可以称作电角度相位初始化，也可以称作编码器零位调整或对齐。下面列出了采用增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等位置反馈元件的永磁交流伺服电机的传感器检测相位与电机电角度相位的对齐方式。
增量式编码器的相位对齐方式
在此讨论中，增量式编码器的输出信号为方波信号，又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器，普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B，以及零位信号Z；带换相信号的增量式编码器除具备ABZ 输出信号外，还具备互差120度的电子换相信号UVW，UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位，或曰电角度相位之间的对齐方法如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察编码器U相信号跳变沿，和Z信号，直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平），锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，Z信号都能稳定在高电平上，则对齐有效。
撤掉直流电源后，验证如下：
1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合，编码器的Z信号也出现在这个过零点上。
上述验证方法，也可以用作对齐方法。
需要注意的是，此时增量式编码器的U相信号的相位零点即与电机UV线反电势的相位零点对齐，由于电机的U相反电势，与UV线反电势之间相差30度，因而这样对齐后，增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐，而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致，所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。
有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐，为达到此目的，可以：
1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线；
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U 相反电势波形；
3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置；
4.一边调整，一边观察编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使上升沿和过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。
由于普通增量式编码器不具备UVW相位信息，而Z信号也只能反映一圈内的一个点位，不具备直接的相位对齐潜力，因而不作为本讨论的话题。
绝对式编码器的相位对齐方式
绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言，差别不大，其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。早期的绝对式编码器会以单独的引脚给出单圈相位的最高位的电平，利用此电平的0和1的翻转，也可以实现编码器和电机的相位对齐，方法如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察绝对编码器的最高计数位电平信号；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察最高计数位信号的跳变沿，直到跳变沿准确出现在电机轴的定向平衡位置处，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，跳变沿都能准确复现，则对齐有效。
这类绝对式编码器目前已经被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行协议，以及日系专用串行协议的新型绝对式编码器广泛取代，因而最高位信号就不符存在了，此时对齐编码器和电机相位的方法也有所变化，其中一种非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM，存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：
1.将编码器随机安装在电机上，即固结编码器转轴与电机轴，以及编码器外壳与电机外壳；
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
3.用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值，并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中；
4.对齐过程结束。
由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向，因此存入的编码器内部EEPROM中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后，驱动器将任意时刻的单圈位置检测数据与这个存储值做差，并根据电机极对数进行必要的换算，再加上-30度，就可以得到该时刻的电机电角度相位。
这种对齐方式需要编码器和伺服驱动器的支持和配合方能实现，日系伺服的编码器相位之所以不便于最终用户直接调整的根本原因就在于不肯向用户提供这种对齐方式的功能界面和操作方法。这种对齐方法的一大好处是，只需向电机绕组提供确定相序和方向的转子定向电流，无需调整编码器和电机轴之间的角度
关系，因而编码器可以以任意初始角度直接安装在电机上，且无需精细，甚至简单的调整过程，操作简单，工艺性好。
如果绝对式编码器既没有可供使用的EEPROM，又没有可供检测的最高计数位引脚，则对齐方法会相对复杂。如果驱动器支持单圈绝对位置信息的读出和显示，则可以考虑：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.利用伺服驱动器读取并显示绝对编码器的单圈位置值；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.经过上述调整，使显示的单圈绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的单圈绝对位置点，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，上述折算位置点都能准确复现，则对齐有效。
如果用户连绝对值信息都无法获得，那么就只能借助原厂的专用工装，一边检测绝对位置检测值，一边检测电机电角度相位，利用工装，调整编码器和电机的相对角位置关系，将编码器相位与电机电角度相位相互对齐，然后再锁定。这样一来，用户就更加无从自行解决编码器的相位对齐问题了。
个人推荐采用在EEPROM中存储初始安装位置的方法，简单，实用，适应性好，便于向用户开放，以便用户自行安装编码器，并完成电机电角度的相位整定。
正余弦编码器的相位对齐方式
普通的正余弦编码器具备一对正交的sin，cos 1Vp-p信号，相当于方波信号的增量式编码器的AB正交信号，每圈会重复许许多多个信号周期，比如2048等；以及一个窄幅的对称三角波Index信号，相当于增量式编码器的Z信号，一圈一般出现一个；这种正余弦编码器实质上也是一种增量式编码器。另一种正余弦编码器除了具备上述正交的sin、cos信号外，还具备一对一圈只出现一个信号周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信号，如果以C信号为sin，则D信号为cos，通过sin、cos信号的高倍率细分技术，不仅可以使正余弦编码器获得比
原始信号周期更为细密的名义检测分辨率，比如2048线的正余弦编码器经2048细分后，就可以达到每转400多万线的名义检测分辨率，当前很多欧美伺服厂家都提供这类高分辨率的伺服系统，而国内厂家尚不多见；此外带C、D信号的正余弦编码器的C、D信号经过细分后，还可以提供较高的每转绝对位置信息，比如每转2048个绝对位置，因此带C、D信号的正余弦编码器可以视作一种模拟式的单圈绝对编码器。
采用这种编码器的伺服电机的初始电角度相位对齐方式如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察正余弦编码器的C信号波形；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察C信号波形，直到由低到高的过零点准确出现在电机轴的定向平衡位置处，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，过零点都能准确复现，则对齐有效。
撤掉直流电源后，验证如下：
1.用示波器观察编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。
这种验证方法，也可以用作对齐方法。
此时C信号的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。
如果想直接和电机电角度的0度点对齐，可以考虑：
1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线；
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U 相反电势波形；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察编码器的C相信号由低到高的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使2个过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。
由于普通正余弦编码器不具备一圈之内的相位信息，而Index信号也只能反映一圈内的一个点位，不具备直接的相位对齐潜力，因而在此也不作为讨论的话题。
如果可接入正余弦编码器的伺服驱动器能够为用户提供从C、D中获取的单圈绝对位置信息，则可以考虑：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.利用伺服驱动器读取并显示从C、D信号中获取的单圈绝对位置信息；
3.调整旋变轴与电机轴的相对位置；
4.经过上述调整，使显示的绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的绝对位置点，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，上述折算绝对位置点都能准确复现，则对齐有效。
此后可以在撤掉直流电源后，得到与前面基本相同的对齐验证效果：
1.用示波器观察正余弦编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，验证编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。
如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器，也可以存储正余弦编码器随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：
1.将正余弦随机安装在电机上，即固结编码器转轴与电机轴，以及编码器外壳与电机外壳；
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
3.用伺服驱动器读取由C、D信号解析出来的单圈绝对位置值，并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中；
4.对齐过程结束。
由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向，因此存入的驱动器内部EEPROM等非易失性存储器中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后，驱动器将任意时刻由编码器解析出来的与电角度相关的单圈绝对位置值与这个存储值做差，并根据电机极对数进行必要的换算，再加上-30度，就可以得到该时刻的电机电角度相位。
这种对齐方式需要伺服驱动器的在国内和操作上予以支持和配合方能实现，而且由于记录电机电角度初始相位的EEPROM等非易失性存储器位于伺服驱动器中，因此一旦对齐后，电机就和驱动器事实上绑定了，如果需要更换电机、正余弦编码器、或者驱动器，都需要重新进行初始安装相位的对齐操作，并重新绑定电机和驱动器的配套关系。
旋转变压器的相位对齐方式
旋转变压器简称旋变，是由经过特殊电磁设计的高性能硅钢叠片和漆包线构成的，相比于采用光电技术的编码器而言，具有耐热，耐振。耐冲击，耐油污，甚至耐腐蚀等恶劣工作环境的适应能力，因而为武器系统等工况恶劣的应用广泛采用，一对极（单速）的旋变可以视作一种单圈绝对式反馈系统，应用也最为广泛，因而在此仅以单速旋变为讨论对象，多速旋变与伺服电机配套，个人认为其极对数最好采用电机极对数的约数，一便于电机度的对应和极对数分解。
旋变的信号引线一般为6根，分为3组，分别对应一个激励线圈，和2个正交的感应线圈，激励线圈接受输入的正弦型激励信号，感应线圈依据旋变转定子的相互角位置关系，感应出来具有SIN和COS包络的检测信号。旋变SIN和COS 输出信号是根据转定子之间的角度对激励正弦信号的调制结果，如果激励信号是sinωt，转定子之间的角度为θ，则SIN信号为sinωt×sinθ，则COS信号为sin ωt×cosθ，根据SIN，COS信号和原始的激励信号，通过必要的检测电路，就可以获得较高分辨率的位置检测结果，目前商用旋变系统的检测分辨率可以达到每圈2的12次方，即4096，而科学研究和航空航天系统甚至可以达到2的20次方以上，不过体积和成本也都非常可观。
商用旋变与伺服电机电角度相位的对齐方法如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出；
2.然后用示波器观察旋变的SIN线圈的信号引线输出；
3.依据操作的方便程度，调整电机轴上的旋变转子与电机轴的相对位置，或者旋变定子与电机外壳的相对位置；
4.一边调整，一边观察旋变SIN信号的包络，一直调整到信号包络的幅值完全归零，锁定旋变；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，信号包络的幅值过零点都能准确复现，则对齐有效。
撤掉直流电源，进行对齐验证：
1.用示波器观察旋变的SIN信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，验证旋变的SIN信号包络过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。
这个验证方法，也可以用作对齐方法。
此时SIN信号包络的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。
如果想直接和电机电角度的0度点对齐，可以考虑：
1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线；
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U 相反电势波形；
3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置；
4.一边调整，一边观察旋变的SIN信号包络的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使这2个过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。
需要指出的是，在上述操作中需有效区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周。由于SIN信号是以转定子之间的角度为θ的sinθ值对激励信号的调制结果，因而与sinθ的正半周对应的SIN信号包络中，被调制的激励信号与原始激励信号同相，而与sinθ的负半周对应的SIN信号包络中，被调制的激励信
号与原始激励信号反相，据此可以区别和判断旋变输出的SIN包络信号波形中的正半周和负半周。对齐时，需要取sinθ由负半周向正半周过渡点对应的SIN 包络信号的过零点，如果取反了，或者未加准确判断的话，对齐后的电角度有可能错位180度，从而造成速度外环进入正反馈。
如果可接入旋变的伺服驱动器能够为用户提供从旋变信号中获取的与电机电角度相关的绝对位置信息，则可以考虑：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.利用伺服驱动器读取并显示从旋变信号中获取的与电机电角度相关的绝
对位置信息；
3.依据操作的方便程度，调整旋变轴与电机轴的相对位置，或者旋变外壳与电机外壳的相对位置；
4.经过上述调整，使显示的绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的绝对位置点，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，上述折算绝对位置点都能准确复现，则对齐有效。
此后可以在撤掉直流电源后，得到与前面基本相同的对齐验证效果：
1.用示波器观察旋变的SIN信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，验证旋变的SIN信号包络过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。
如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器，也可以存储旋变随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：
1.将旋变随机安装在电机上，即固结旋变转轴与电机轴，以及旋变外壳与电机外壳；
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V 出，将电机轴定向至一个平衡位置；
3.用伺服驱动器读取由旋变解析出来的与电角度相关的绝对位置值，并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中；
4.对齐过程结束。
由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向，因此存入的驱动器内部EEPROM等非易失性存储器中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后，驱动器将任意时刻由旋变解析出来的与电角度相关的绝对位置值与这个存储值做差，并根据电机极对数进行必要的换算，再加上-30度，就可以得到该时刻的电机电角度相位。
这种对齐方式需要伺服驱动器的在国内和操作上予以支持和配合方能实现，而且由于记录电机电角度初始相位的EEPROM等非易失性存储器位于伺服驱动器中，因此一旦对齐后，电机就和驱动器事实上绑定了，如果需要更换电机、旋变、或者驱动器，都需要重新进行初始安装相位的对齐操作，并重新绑定电机和驱动器的配套关系。
注意
1.以上讨论中，所谓对齐到电机电角度的-30度相位的提法，是以UV反电势波形滞后于U相30度的前提为条件。
2.以上讨论中，都以UV相通电，并参考UV线反电势波形为例，有些伺服系统的对齐方式可能会采用UW相通电并参考UW线反电势波形。
3.如果想直接对齐到电机电角度0度相位点，也可以将U相接入低压直流源的正极，将V相和W相并联后接入直流源的负端，此时电机轴的定向角相对于UV相串联通电的方式会偏移30度，以文中给出的相应对齐方法对齐后，原则上将对齐于电机电角度的0度相位，而不再有-30度的偏移量。这样做看似有好处，但是考虑电机绕组的参数不一致性，V相和W相并联后，分别流经V相和W相绕组的电流很可能并不一致，从而会影响电机轴定向角度的准确性。而在UV相通电时，U相和V相绕组为单纯的串联关系，因此流经U相和V相绕组的电流必然是一致的，电机轴定向角度的准确性不会受到绕组定向电流的影响。
4.不排除伺服厂商有意将初始相位错位对齐的可能性，尤其是在可以提供绝对位置数据的反馈系统中，初始相位的错位对齐将很容易被数据的偏置量补偿回来，以此种方式也许可以起到某种保护自己产品线的作用。只是这样一来，用户就更加无从知道伺服电机反馈元件的初始相位到底该对齐到哪儿了。用户自然也不愿意遇到这样的供应商。
哈尔滨工业大学，电气工程系 Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology 电力电子与电力传动专题课 报告 报告题目:永磁同步电机无传感器控制技术 哈尔滨工业大学 电气工程系 姓名：沈召源 学号：14S006040 2016年1月
目录 1.1 研究背景 (1) 1.2 国内外研究现状 (1) 1.3 系统模型 (2) 1.4 控制方法设计 (4) 1.5 系统仿真 (7) 1.6 结论 (8) 参考文献 (8)
1.1 研究背景 永磁同步电机具有体积小、惯量小、重量轻等优点，在各领域的应用越来越广泛。目前在永磁同步电机的各种控制算法中，使用最多的是矢量控制和直接转矩控制，而这两种控制方式都需要转子位置，但转子位置传感器的采用限制了系统使用范围。永磁同步电机控制系统大多采用测速发电机或光电码盘等传感器检测速度和位置的反馈量，这不但提高了驱动装置的造价，而且增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路，使系统易于受环境干扰、可靠性降低。由于永磁同步电机无传感器控制系统具有控制精度高、安装、维护方便、可靠性强等一系列优点，成为近年来研究的一个热点。 1.2 国内外研究现状 无传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用电机绕组中的有关电信号，通过直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中提取出与速度、位置有关的量，利用这些检测到的量和电机的数学模型推测出电机转子的位置和转速，取代机械传感器，实现电机闭环控制。 最早出现的无机械传感器控制方法可统称为波形检测法。由于同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，所要解决的问题是采用何种方法获取转速和转角。目前适合永磁同步电机的最主要的无速度传感器的控制策略主要有以下几种 (1)利用定子端电压和电流直接计算出θ和ω。该方法的基本思想是基于场旋转理论，即在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角δ，该方法适用于凸极式和表面式永磁同步电机。该方法计算方法简单，动态响应快，但对电机参数的准确性要求比较高，应用这种方法时需要结合电机参数的在线辨识。 (2)模型参考自适应(MRAS)方法。该方法的主要思想是先假设转子所在位置，利用电机模型计算出该假设位置电机的电压和电流值，并通过与实测的电压、电流比较得出两者的差值，该差值正比于假设位置与实际位置之间的角度差。当该值减小为零时，则可认为此时假设位置为真实位置。采用这种方法，位置精度与模型的选取有关。该方法应用于PMSM时有一些新的需要解决的问题。 (3)观测器基础上的估计方法。观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直接测量的变量，如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号，并使输出信号在一定条件下等价于原系统的状态。目前主要存在的观测器:全阶状态观测器、降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波和滑模观测器。其中滑模观测器有很好的鲁棒性，但其在本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，这对于矢量控制在低速下运行是有害的，将会引起较大的转矩脉动。扩展卡尔曼滤波器提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量的微分
中文论文题目：现代控制理论及其在直流电机位置控制中的 应用 英文论文题目：Modern Control Theory and Application in The DC Motor Location Control 姓名： 指导教师： 专业名称： 所在学院： 论文提交日期
摘要 控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。现代控制理论极点配置控制方法是线性系统综合中的重要问题，它是一种寻求一个反馈控制律，使得闭环传递函数的极点位于希望位置的一种控制器设计方法。本文首先介绍了现代控制理论的产生、发展、容及其与经典控制理论的差异，提出了学习现代控制理论的重要意义。随后介绍了采用现代控制理论极点配置的控制方法为小型直流电机设计位置控制系统，并应用Matlab/Simulink软件对控制系统进行辅助分析和设计。 关键词：现代控制理论，极点配置，控制系统
Abstract Control theory as a science and technology, has been widely used in all aspects of our social life. Modern control theory pole placement control method is linear system integration is an important issue, it is a search for a feedback control law, the closed-loop transfer function poles in a desired position controller design method. This paper describes the generation of modern control theory, development, content and the differences with classical control theory is proposed to learn the significance of modern control theory. Then introduced the use of modern control theory pole placement control method for small DC motor position control system design and application of Matlab / Simulink software control system aided analysis and design. Keywords: Modern control theory, Pole placement, Control system
伺服电机控制跟变频器控制原理上的区别 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。变频是伺服控制的一个必须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。但伺服将电流环速度环或者位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。除此外，伺服电机的构造与普通电机是有区别的，要满足快速响应和准确定位。现在市面上流通的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服，但这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几KW以上的同步伺服价格及其昂贵，这样在现场应用允许的情况下多采用交流异步伺服，这时很多驱动器就是高端变频器，带编码器反馈闭环控制。所谓伺服就是要满足准确、精确、快速定位，只要满足就不存在伺服变频之争。 两者的共同点： 交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节：变频就是将工频的50、60HZ的交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各类晶体管（IGBT，IGCT等）通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电，由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了（n=60f/p ，n转速，f频率，p 极对数） 二、谈谈变频器： 简单的变频器只能调节交流电机的速度，这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的V/F控制方式。现在很多的变频已经通过数学模型的建立，将交流电机的定子磁场UVW3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，现在大多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式控制力矩，UVW每相的输出要加霍尔效应的电流检测装置，采样反馈后构成闭环负反馈的电流环的PID调节；ABB的变频又提出和这样方式不同的直接转矩控制技术，具体请查阅有关资料。这样可以既控制电机的速度也可控制电机的力矩，而且速度的控制精度优于v/f控制，编码器反馈也可加可不加，加的时候控制精度和响应特性要好很多。 三、谈谈伺服： 驱动器方面：伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的变频强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置（当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里），驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。 电机方面：伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。就是说不是变
极槽配合对永磁同步电机性能的影响 摘要：永磁同步电机由于具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠等特点，在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。永磁同步电机的齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，不平衡径向电磁力则是电机的主要噪声源。本文着重研究极槽配合对永磁同步电机性能的影响，主要包括齿槽转矩和径向电磁力两个方面。详细介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理，并通过仿真对8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行分析比较，验证了相关的理论的正确性，最后得出电机设计中应综合考虑齿槽转矩、径向电磁力等相关因素合理选择极槽配合。 关键词：极槽配合；齿槽转矩；永磁同步电机；径向力 Influence of Pole-Slot Combination on The Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract: Permanent magnet synchronous motor has simple structure, small volume, high efficiency, high power factor, small moment of inertia, strong overload capacity, reliable operation, widely used in household appliances, medical equipment and vehicles. Cogging torque will cause output torque ripple and noise of PMSM ,And unbalanced radial electromagnetic force is the main reason of noise of motor. In this paper,we focuses on the research of pole-slot combination effects on the performance of PMSM, including two aspects:the cogging torque and radial electromagnetic force. The relevant principles of the cogging torque and radial electromagnetic force were introduced in detail, and through the simulation of 8 poles 9 slots and 8 poles 12 slots motors,the two kinds of pole-slot combination motor were analyzed and compared, verified the related , we conclude that the cogging torque and radial electric
报告者：1004520233余敏同组人：1004520235张昕煜 1004520209谢清楠 实验十 PSD位置传感器实验 一、实验目的： 了解PSD光电位置敏感器件的原理与应用 二、基本原理： PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片。其断面结构如图10—1所示，表面层P为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。当光点入射到PSD表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流，光生电流就流向两个输出电极，从I0而在两个输出电极上分别得到光电流和，显然。而和II?I?III201112的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。假设I2PSD 表面分流层的阻挡是均匀的，则PSD可简化为图10—2所示的电位器模型，其中、为入射光点位置到两个输出电极间的等效电RR21阻，显然、正比于光点到两个输出电极间的距离。RR21
图10-1 图10-2 因为)?X)/(L/R?(L?X?I/IR1212I?I?I201所以可 得)L/2I(L?X?I01)2LL?X/?II(02L)I/IIX?(?012当入射光恒定时，恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X I0与成线性关系，与入射光点强度无关。通过适当的处理电路，II?12就可以获得光点位置的输出信号。 三、需用器件与单元： PSD传感器及位移装置、PSD传感器实验模板、主机箱 四、实验步骤： 1观察PSD结构，它有四只管脚，其中有一边为园弧状附近的管脚加反偏电压，V
f其对角线部位管脚为空 脚（如图10—3）。PSD接线中黑线接端，其中两个为输V f出端可随意接入。 图10—3 2按图10-4接线，将实验模块的和“⊥”插孔与主机箱中V?15的稳压电源和“⊥”分别相连，再将实验PSD传感器装V?15置中的半导体激光器的两个插孔与实验模板的激光电源的插孔相应连接。实验模板的PSD I2接PSD传感器的蓝色插孔，vref基准源接PSD传感器的白色插孔，PSD I1接PSD传感器的红色插孔。 与3将PSD传感器实验模板单元电路连接起来，即与接，VVV1io21o接（注：V、V、V、V不用接线）与接，与VVVVV i4i305036o4oii256i接，将实验模板上激光电源的“⊥”与的“⊥”及输V V15?7i出的“⊥”连接起来。将主机箱的电压表接到实验模板的V07或“⊥”上。
伺服电机位置、速度、转矩控制的区别？ “位置”、”速度”、”转矩”是伺服系统由外到内的三个闭环控制方式。 位置控制方式有伺服完成所有的三个闭环的控制，计算机只需要发送脉冲串给伺服单元即可，计算机一侧不需要完成 PID控制算法；使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电流）两个闭环的控制，计算机需要发送模拟量给伺服单元，计算机一侧需要完成PID 位置控制算法，然后通过D/A输出。 一般来讲，我们的需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。另外，有人认为位置控制方式容易受到干扰。 扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩的闭环控制，即电流控制，上位机的算法也简单，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，是一个模拟量。多用在单一的扭矩控制场合，比如在印刷机系统中，一个电机用速度或位置控制方式，用来确定印刷位置，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力。这三种工作方式实际上由三个控制回路来实现的。 位置控制方式由位置环实现，即将输出位置与指令位置比较生成控制量，使输出位置与输入位置保持一致。 位置控制模式是上位机给到电机的设定位置和电机本身的编码器位置反馈信号，或者设备本身的直接位置测量、反馈进行比较形成位置环，以保证伺服电机运动到设定的位置。位置环的输出给到速度环作为速度环的设定。 速度方式时，由速度环实现，速度回路则将输出速度与指令速度比较，生成控制量，位置环断开。使输出速度与输入速度信号保持一致。 速度模式下就是电机速度设定和电机上所带编码器的速度反馈形成闭环控制。以伺服电机实际速度和和设定速度一致。速度环的控制输出就是转矩模式的下的电流环的力矩给定。 转矩方式时，由电流环实现，速度环与位置环均断开，它的用途是使输出的电流与输入的电流保持一致。 转矩控制模式，就是让伺服电机按给定的转矩进行旋转就是保持电机电流环的输出恒定。如果外部负载转矩大于或等于电机设定的输出转矩则电机的输出转矩会保持在设定转矩不变，电机会跟随负载来运动。如果外部负载转矩小于电机设定的输出转矩则电机会一直加速直到超出电机或驱动的最大允许转速后报警停在。 电流环为最内环，速度环为次外环，位置环为外环。所以说，转矩控制模式是利用了伺服电机控制最基层的电流控制环，速度控制环是建立在电流环之上的，位置控制环又是建立在速度环之上的还有底层的电流环。 早期的伺服驱动一般没有位置环。由定位模块和数控装置实现位置环。
伺服电机工作原理及和步进电机的区别 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。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.。 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 伺服和步进电机 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 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（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，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。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 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。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 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，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膜片联轴器，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
永磁同步电动机的分类和特点 一，永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。 二，永磁同步电动机的分类 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法
上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。 三无刷直流电动机（BLDCM） 1，BLDCM研究现状 永磁无刷直流电动机与传统有刷直流电动机相比, 是用电子换向取代 原直流电动机的机械换向, 并将原有刷直流电动机的定转子颠倒（转子采用永磁体）从而省去了机械换向器和电刷，其定子电流为方波, 而且控制较简单, 但在低速运行时性能较差, 主要是受转矩脉动的影响。 引起转矩脉动的因素很多, 主要有以下原因： （1）电枢反应引起的转矩脉动 减弱或克服这种原因造成转矩脉动采用的方法是适当增大气隙, 设计 磁路时使电机在空载时达到足够饱和, 以及电机选择瓦形或环形永磁 体径向励磁结构等。 （2）电流换相引起的转矩脉动
传感器测速实验报告 院系： 班级： 、 小组： 组员： 日期：2013年4月20日
实验二十霍尔转速传感器测速实验 一、实验目的 了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理 利用霍尔效应表达式：U H=K H IB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平 三、需用器件与单元 霍尔转速传感器、直流电源+5V，转动源2~24V、转动源电源、转速测量部分。 四、实验步骤 1、根据下图所示，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，调节探头对准转盘内的磁钢。 图 9-1 霍尔转速传感器安装示意图 2、将+15V直流电源加于霍尔转速器的电源输入端，红（+）、黑（ ），不能接错。 3、将霍尔传感器的输出端插入数显单元F，用来测它的转速。 4、将转速调解中的转速电源引到转动源的电源插孔。 5、将数显表上的转速/频率表波段开关拨到转速档，此时数显表指示电机的转速。 6、调节电压使转速变化，观察数显表转速显示的变化，并记录此刻的转速值。
五、实验结果分析与处理 1、记录频率计输出频率数值如下表所示： 电压（V) 4 5 8 10 15 20 转速（转/分）0 544 930 1245 1810 2264 由以上数据可得：电压的值越大，电机的转速就越快。 六、思考题 1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有所限制？ 答：有，测量速度不能过慢，因为磁感应强度发生变化的周期过长，大于读取脉冲信号的电路的工作周期，就会导致计数错误。 2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否只用一只磁钢？ 答：如果霍尔是单极的，可以只用一只磁钢，但可靠性和精度会差一些；如果霍尔是双极的，那么必须要有一组分别为n/s极的磁钢去开启关断它，那么至少要两只磁钢。
说明书摘要 本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。
摘要附图
1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计 的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收 敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。
山东欧凯机电设备有限公司企业标准 Q/OKB005－2011 KHX24矿用本安型位置传感器
目 次 前言..............................................................................................................................................................II 1范围. (1) 2 规范性引用文件 (1) 3型式及型号 (1) 4技术要求 (2) 5试验方法 (4) 6检验规则 (6) 7 标志、包装、运输和贮存 (7)
前 言 本标准由山东欧凯机电设备有限公司负责起草。 本标准由山东欧凯机电设备有限公司负责解释。 本标准主要起草人：左增民、李诚新、陈井明 本标准于2011年05月01日首次发布，2011年05月01日实施。
Q/OKB005－2011 K H X24矿用本安型位置传感器 1范围 本标准规定了KHX24矿用本安型位置传感器（以下简称位置传感器）的型式、型号及基本参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。 本标准适用于煤矿用KHX24矿用本安型位置传感器。（此设备为简单设备。） 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而构成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T 191-2000 包装储运图示标志 GB/T2423.1-2008 电工电子产品环境试验第2部分 试验方法 试验A：低温 GB/T2423.2-2008 电工电子产品环境试验第2部分 试验方法 试验B：高温 GB/T2423.4-2008 电工电子产品环境试验第2部分 试验方法 试验Db：交变湿热 GB/T2423.10-2008 电工电子产品环境试验第2部分 试验方法 试验Ea和导则：振动（正弦） GB/T2423.5-1995 电工电子产品环境试验 第2部分 试验方法 试验Fc和导则：冲击 GB 3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备第1部分:通用要求 GB 3836.4-2000 爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“i” GB 4208-2008外壳防护等级(IP代码) GB 13306-1991 标牌 GB 13384-1992 机电产品包装通用技术条件 MT 209-1990 煤矿通讯、检测、控制用电工电子产品通用技术要求 MT 210-1990 煤矿通讯、检测、控制用电工电子产品基本试验方法 AQ 1043-2007 矿用产品安全标志标识 3型式及型号 3.1型式 3.1.1防爆型式：矿用本质安全型。 3.1.2防爆标志为ExibI。 3.2型号命名和编制方法如下:
运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、位置环。 1、电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，电流环的输入值和 电流环的反馈值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在系统进行速度和位置控制的同时系统也在进行电流/转矩的控制以达到对速度和位置的相应控制。 2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值， 速度环输入值和速度环反馈值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出到电流环。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。速度环控制包含了速度环和电流环。 3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电 子齿轮计算后作为“位置环的设定”，位置环输入值和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分调节）后输出和位置给定的前馈值的和构成速度环的给定。 位置环的反馈也来自于编码器。位置控制模式下系统进行了3个环的运算，系统运算量大，动态响应速度最慢。 编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。 三种控制模式 位置控制：通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的数量来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。 速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中
霍尔位置传感器的定标和杨氏模量的测定 通过弯梁法测量固体材料的杨氏模量，可以学习和掌握基本长度和微小位移量测量的方法和手段，提高学生的实验技能，是大学物理实验中一个十分重要的项目。传统的弯梁法测量固体材料杨氏模量实验是采用光杠杆放大的方法测量微小位移量。随着科学技术的发展，微小位移量的测量技术愈来愈先进，在弯梁法测量固体材料杨氏模量的基础上，通过位移传感器的输出电压与位移量线性关系的定标和微小位移量的测量，有利于联系科研和生产实际，使学生了解和掌握微小位移的非电量电测新方法。 【实验目的】 1．本实验要求掌握用米尺、游标卡尺、螺旋测微计、读数显微镜测量长度的方法。 2．用弯曲法测出金属黄铜（或可锻铸铁）的杨氏模量。 【实验原理】 1．位移传感器 位移传感器是将霍尔元件置于磁感应强度为B 的磁场中，在垂直于磁场方向通以电流I ，则与这二者相垂直的方向上将产生霍尔电势差U H H U K I B = (1) 式中K 为元件的霍尔灵敏度。如果保持霍尔元件的电流I 不变，而使其在一个均匀梯度的磁场中移动时，则输出的霍尔电势差变化量为 H dB U KI Z dZ ?=? （2） 式中△U 为位移量，此式说明若dB dZ 为常数时，△U H 与△Z 成 正比。取比例系数为κ，则 H U Z κ?=? （3） 为实现均匀梯度的磁场，可以如图1 所示，两块相同的磁铁(磁铁截面积及表面磁感应强度相同) 相对放置，即N 极与N 极相对( S 极与S 极相对)，两磁铁之间留一等间距间隙，霍尔元件平行于磁铁放在该间隙的中轴上。间隙大小要根据测量范围的测量灵敏度要求而定，间隙越小，磁场梯度就越大，灵敏度就越高。磁铁截面要远大于霍尔元件，以尽可能的减小边缘效应影响，提高测量精确度。 若磁铁间隙内中心截面处的磁感应强度为零，霍尔元件处于该处时，输出的霍尔电势差 图1
伺服电机原理 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅 0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 2、运行范围较广 3、无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）。 交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。 二、交流伺服电动机原理 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
实验霍尔位置传感器测杨氏模量 实验目的 1.熟悉霍尔位置传感器的特性： 2.弯曲法测量黄铜的杨氏模量： 3.测黄铜杨氏模量的同时，对霍尔位宜传感器左标： 4.用霍尔位置传感器测量可锻铸铁的杨氏模量。 实验仪器 1.霍尔位置传感器测杨氏模量装置一台 (1)读数显微镜 型号丿C — 10型 放大倍数20 分度值0.01〃"“ 测量范围0?6〃劝 (2)舷码lO.Og 8 块、20.0g 2 块 (3)95型集成霍尔位置传感器 (4)样品(铜板和冷扎板) 2.霍尔位宜传感器输出信号测量仪(放大倍数3—5倍)一台(包括直流数字电压表0? 20OW )。 实验原理 1.霍尔位置传感器 霍尔元件置于磁感应强度为3的磁场中，在垂直于磁场方向通以电流/,则与这二者 相垂直的方向上将产生霍尔电势差U〃 : (1)式中K为元件的霍尔灵敏度。如果保持霍尔元件的电流/不变，而使其在一个均匀梯 度的磁场中移动时，则输出的霍尔电势差变化量为: (2) (2)式中AZ为位移量，此式说明若劣 为实现均匀梯度的磁场，可以如图1所 示，两块相同的磁铁(磁铁截而积及表而磁 感应强度相同)相对放置，即N极与N极相 对，两磁铁之间留一等间距间隙，霍尔元 件平行于磁铁放在该间隙的中轴上。间隙大小要根据测量范和测量灵敏度要求 - 而上，间隙越小，磁场梯度就越大，灵敏 度就越髙。磁铁截而要远大于霍尔元件， 以尽可能的减小边缘效应影+ out
响，提髙测量精确度。 若磁铁间隙内中心截而处的磁感应强度为零，霍尔元件处于该处时，输出的霍尔电势差 应该为零。当霍尔元件偏离中心沿Z 轴发生位移时，由于磁感应强度不再为零，霍尔元件 也就产生相应的电势差输出，其大小可以用数字电压表测量。由此可以将霍尔电势差为零时 元件所处的位程作为位移参考零点。 霍尔电势差与位移量之间存在一一对应关系，当位移量较小（＜2加加），这一对应关系 具有良好的线性。 2. 杨氏模童 杨氏模量测左仪主体装置如图2所示,在横梁弯曲的情况下，杨氏模量丫可以用下式表 示： 丫_ / ?Mg 4/?b ?AZ 1. 铜刀口上的基线 2.读数显微镜 成 霍尔传感器）6.磁铁盒 实验步骤 1. 调节底座箱上的水平螺丝旋，将实验装置调节水平。 2. 将横梁穿在琏码铜刀口内，安放在两立柱刀口的正中央位苣。接着装上铜杠杆，将 有传 感器一端插入两立柱刀口中间，该杠杆中间的铜刀口放在刀座上。圆柱型拖尖应在祛码 刀口的小圆洞内，传感器若不在磁铁中间，可以松弛固左螺丝使磁铁上下移动，或者用调节 架上的套筒螺 (3) 3?刀口 4 ?横梁 7?磁铁（“极相对放宜） 5?铜杠杆（顶端装有95A 型集 8 ?调节架 9磁码盘 其中：〃为两刀口之间的距离? M 为所加磁码的质量，"为梁的厚度，〃为梁的宽度， 5 4 3 2