交流永磁同步伺服电机及其驱动技术PPT课件

NASA起初预计这两个机器人只能工作三个月，但五年过去了， 这六轮的车辆还在继续绕火星旅行，并一直在向地球回传激动 人心的数据。
可清晰看见的碳刷
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一、伺服电机的起源及分类
1.2 无刷直流伺服电机：顾名思义没有碳刷装置。 无刷直流伺服电机去掉了碳刷装置，使用电子换向，实现了电 机免维护，电磁干扰小。寿命更长。 我们的神五神六上面用的都是无刷直流伺服电机。原因并不是
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九、永磁同步伺服电机的快速发展
进入本世纪以来，永磁同步电机在中国获得了飞速发展，包括电梯电机、
工业控制电机、节能高效电机等广泛领域。产品形式包括高速、低速大扭矩
（DDR）各种范围。
不论是高速、低速（DDR）永磁同步电机的快速发展，都有共同的原因是基
于以下三个因素：
1. 永磁同步电机设计技术及工艺的快速发展
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十二、永磁同步交流伺服电机的应用-抽油机
直驱塔式抽油机 1.直接驱动，去掉减速环节， 可靠性高。 2.旋转电机设计，电机除需定 期补充润滑脂外，无需其他 维护。 3.系统效率高，节能显著。 4.良好的系统可调节性。
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十三、永磁同步交流伺服电机的应用-顶驱钻机
控制房
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我们通常所说的交流伺服电机，一般就是指永磁同步伺服电机。 在伺服电机的应用领域里，永磁同步伺服系统已经逐渐取代直 流伺服系统
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二、武汉直驱机电-产品说明
特别需要说明的是，对于我们的产品，无须过分强调伺服
1.应用与伺服电机是有差异的 伺服电机强调精确的位置控制、速度控制、转矩控制。即强调伺服 特性。 从我们目前的产品及今后可看到的市场应用，均不强调伺服特性， 是以提供驱动动力为主，关注效率、节能、可靠性、体积、重量等 要素。 2.伺服电机产业的弊病 伺服电机集中于传统高端应用，市场很狭小。而且早已被很多传统 厂家所瓜分。国内“专门”做伺服电机的，没有一个能成长为大公 司，产值能做到几千万就很不错了，而且国内的伺服电机产品，从 来都是低端产品的代名词。

2. 结构型式的选择
根据工作方式和工作环境的条件选择不同的结构型式， 如频繁启停选用空心杯转子结构的伺服电机；如速度要求较平 衡的场合选用大惯量伺服电机
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6.2 主要性能指标的选择
1．空载始动电压UCO
在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任
意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载
伺服电机基本结构及原理伺服电机基本结构及原理旋转磁场作用下的运行分析旋转磁场作用下的运行分析伺服电机的机械伺服电机的机械特性及特性及控制方式控制方式交流伺服电机的应用交流伺服电机的应用伺服电机选择及主要性能指标伺服电机选择及主要性能指标由于我们是从事非标自动化设备设计与制造的由于我们是从事非标自动化设备设计与制造的主要是合理地选择和正确使用各种控制电机因此本主要是合理地选择和正确使用各种控制电机因此本次讲座着重阐述伺服电机的基本结构工作原理工次讲座着重阐述伺服电机的基本结构工作原理工作特性和使用方法
始动电压。
用通过以额定控制电压的百分比来表示。 UCO 越 小，表示伺服电动机的灵敏度越高。一般UCO要求不大
于额定控制电压的3%～4％，使用于精密仪器仪表
中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压
的1％。
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6.2主要性能指标的选择
2．机械特性非线性度Km
在额定励磁电压下，任意
控制电压时的实际机械待性与
性的转速偏差△n与控制电压
＝1时的空载转速n0之比的百
分数定义为调节特性非线性
度，即:
kv

n n0
100%
一般要求
Kv≤20％
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5 交流伺服电机的应用
5.1 伺服电机编码器

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执行环节
执行环节的作用是按控制信号的要求， 将输入的各种形式的能量转换成机械能， 驱动被控对象工作。
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被控对象
被控对象是指被控制的机构或装置，是 直接完成系统目的的主体。被控对象一 般包括传动系统、执行装置和负载。
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输入量
控制操作
输出量
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CONFIDENTIAL NOT FOR DISTRIBUTION
输入量
反馈环
控制操作
测量
5
输出量
5
1.2 伺服系统组成
从自动控制理论的角度来分析，伺服控 制系统一般包括控制器、被控对象、执行 环节、检测环节、比较环节等五部分。
在实际的伺服控制系统中，上述每个环 节在硬件特征上并不成立，可能几个环 节在一个硬件中，如测速直流电机既是 执行元件又是检测元件。
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1.3 伺服系统分类
伺服系统可分为三类
开环伺服控制系统 半闭环伺服控制系统 闭环伺服控制系统
§3 伺服控制器 3.1 伺服控制器概述 3.2 伺服控制器原理 3.3 松下伺服控制器介绍 3.4 松下伺服控制器常用设置应用 3.5 松下伺服控制器故障分析和处理
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1.1 伺服概述

速度指令（一般是位置回路的输出）与由光电编码器测量 出的电机实际速度相比较，误差在速度回路中经PI运算后 作为力矩回路的指令值。
实现磁场定向控制的程序流图
中断服务程序入口
开始 设定中断时间
DSP初始化
中断时间到
N
Y
中断服务程序
电流ia,ib采样 转子位置采样 计算电机实际速度 速度回路PI运算
clarck变换 Park变换
C1
uapwM ubpwM ucpwM
T1
T3
T5
Z
L1 L2 L3
o
uS
a
b
c /uapwM /ubpwM /ucpwM
ZZ
n
C2
T2
T4
T6
PMSM
IGBT （Insulated-gate Bipolar Transistor ）
由MOSFET和GTR复合而成，结合二者的优点。
GTR的特点——电流驱动，开关速度较低，所需驱 动功 率大，驱动电路复杂。但集电极和发射极间的电压基本不 随电压升高而变化。
定子转组产生旋转磁场的机理与感应电机是相同 的。
其不同点是转子为永磁体且n与ns相同（同步）。
n
ns
60 f p
rpm
两个磁场相互作用产生转矩。 定子绕组产生的旋转磁场可看作一对旋转磁极吸
引转子的磁极随其一起旋转。
T Fr Fs sin(s r )
要想实现四象限运行，关键是力矩的控制。 在永磁直流电机中，T=KtI。I为直流，只要改变电流的大
⊙X
实物结构图
转子磁铁
定子绕组 霍尔传感器
PMSM优点
（1）功率密度大； （2）功率因数高（气隙磁场主要或全部由转

《永磁同步电机》 PPT课件
contents
目录
• 永磁同步电机概述 • 永磁同步电机的设计与优化 • 永磁同步电机的控制技术 • 永磁同步电机的应用实例 • 永磁同步电机的挑战与展望
01
永磁同步电机概述
定义与工作原理
定义
永磁同步电机是一种利用永久磁体产 生磁场，通过控制器对电机电流的精 确控制实现电机转子和定子磁场同步 运行的电动机。
电动汽车驱动系统
01
电动汽车驱动系统是永磁同步电机的重要应用领域之
一。
02
永磁同步电机具有高效、可靠、低噪音等优点，能够
提高电动汽车的续航里程和性能。
03
在电动汽车驱动系统中，永磁同步电机可以作为主驱
电机，提供动力输出，实现车辆的加速和减速控制。
工业自动化设备
工业自动化设备是永磁同步电 机的另一个重要应用领域。
内运行。
噪声与振动分析
03
对电机运行过程中的噪声和振动进行测试和分析，以评估其运
行平稳性。
03
永磁同步电机的控制技 术
控制策略
PID控制
传统的控制方法，通过 比例、积分、微分三个
参数调整电机性能。
模糊控制
基于模糊逻辑的方法， 处理不确定性和非线性
问题。
神经网络控制
模仿人脑神经元网络， 处理复杂的模式和预测
02
永磁同步电机的设计与 优化
电机设计
磁路设计
根据电机性能要求，选择合适的磁路结构，如径 向、轴向或横向磁路。
绕组设计
根据电机尺寸和功率要求，设计绕组的匝数、线 径和绕组方式。
冷却系统设计
为确保电机长时间稳定运行，需设计有效的冷却 系统，如风冷或水冷。

交流伺服驱动器在自动化生产线中通 常用于控制机床、装配机械、包装机 械等设备的运动部分，实现精确的位 置控制和速度控制。
在机器人领域的应用
01
机器人需要具备高度灵活性和精 确性的运动能力，交流伺服驱动 器能够满足这些要求，从而提高 机器人的工作性能。
02
交流伺服驱动器在机器人领域中 通常用于控制机器人的关节、手 臂、行走等部分的运动，实现精 确的姿态控制和轨迹跟踪。
在故障。
听诊法
仔细听驱动器运行时的声音， 判断是否存在异常响动或噪音
。
触摸法
通过触摸驱动器的外壳，感受 其温度和振动情况，判断是否
存在异常。
替换法
用正常工作的部件替换可能存 在故障的部件，以确定故障部
位。
驱动器的寿命与可靠性
寿命预测
预防性维护
根据驱动器的使用情况和维护状况， 预测其使用寿命，提前进行更换或维 修。
调试步骤与方法
初始参数设置
速度控制调试
根据设备实际情况，对交流伺服驱动器的 参数进行初始设置，如电机型号、控制模 式等。
调整速度控制环的参数，测试电机的转速 和响应，确保电机能够按照指令要求进
调整位置控制环的参数，测试电机的定位 精度和跟随性能，确保电机能够准确跟踪 指令位置。
02
交流伺服驱动器的调试
调试前的准备工作
01
02
03
了解设备参数
熟悉交流伺服驱动器的规 格、性能参数以及控制要 求，以便更好地进行调试。
检查硬件连接
确保交流伺服驱动器与电 机、编码器等设备的连接 正确、牢固，无短路或断 路现象。
准备调试工具
准备必要的调试工具，如 示波器、万用表、螺丝刀 等，以便在调试过程中进 行测量和调整。

伺服连接－输入输出(I/O)接口
HSV系列伺服有六种输出信号：
①伺服使能
②报警清除 ③偏差计数器清零
④指令脉冲禁止 ⑤CCW驱动禁止 ⑥CW驱动禁止
集电极开路输出；
低电平有效。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
动
力 电
S
源T
整 流 器
控 AC220V
制 电
AC220V
开关电源
源
指 令 信 号
直流 P
制动 N
控制平台
交流
逆
U
变 器
V
电
W
机
PG
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
交流伺服驱动器系统电气原理结构图
伺服连接－位置控制方式
脉冲输入接口的两种驱动方式比较：
差分驱动方式的抗干扰能力强于单端驱动方式，推荐 使用，尤其是在信号电缆较长时；
采用单端驱动方式，会使动作频率降低。
根据脉冲量输入电路，驱动电流10～15mA，限定外部
电源最大电压25V的条件，确定电阻R的数值。
经验数据：VCC=24V，R=1.3~2k； VCC=12V，R=510～820Ω； VCC=5V， R=82~120Ω 。
HSV系列伺服产品的发展
模拟、数字混合型 交流伺服驱动
HSV-9型伺服
(三相220V输入)
全数字型交流伺服、主轴驱动器系列
HSV-16型伺服 (三相220V输入, 集成开关电源)

此时时 •
•
I k jk I j
•
•
Ek
j Ej
•
•
Uk
jU j
k
k
绕组电压大小与绕组匝数成正比。
Uk 1 Wk
U kW
j
j
两相绕组产生圆形旋转磁场时，加在定子上的
电压分别定义为额定激磁电压Ù jn和额定控制 电状Wj=压 态WÙ。k 时kn ，，并称Uj两n =相U交kn 流伺服电动U机j~Ij 处j于j1E2 j 对称A来自AAB C
D
C
D
B
2. 利用三相电源的任意两相线电压
三相电源三个线电压的位差120°,为了方
便，直接取任意两相线电压使用,若加上系统中 其它元件的相位移,这时加在电动机定子绕组上
的两个电压接近90°的相位差。
RRj
2
j
sR
堵转点（启动点）：
n=0 ，s = 1 ，T=T
o
Td
不同转子电阻特性
Tmax T
d Td
Z
RW
RU
2 j
rR
2W
2
j
s
(
x2 R
r2 R
)
机械特性仿真
为使交流伺服电动机转速从0~ns整个运行
范围内都保证其工作的稳定性，其机械特性在整 个范围内都是下垂的，要具有这样的下垂特性，
交流伺服电动机要有足够大的转子电阻，使sm>1。
是，在实际工作中经常是单相或三相电源，极少
有相移90o的两相电源，这就需要想法使现有的电
源改变成具有相移的两相电源，以满足交流伺服
电动机的需要。
1. 利用三相电源的相电压和线电压构成90°的移相

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下面以反应式步进电机为例说明步进电机的 结构和工作原理。
三相反应式步进电动机的原理结构图如下：
转子
IA
A
IC C
定子内圆周 定子 均匀分布着六个
磁极，磁极上有
励磁绕组，每两
个相对的绕组组
IB
成一相。采用Y B 连接，转子有四
个齿。
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1.工作原理 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因
第7页/共67页
交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状 态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在 电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停 转。
但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相 异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于 零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现 象称为“自转”。
由机械特性可知：
n=f(T)曲线(U1=常数)
(1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。
(2) U2=0时，电机立即停转。 电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。
第14页/共67页
应用： 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常
应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控 制等。
直流伺服电机输出功率一般为1-600W。
加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其 产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁 转矩也不同，从而改变电动机的转速。
交流伺服电动机n 的机械特性如图所示。
o
不同控制电压下的机械特性曲线
T
n=f(T), U1=常数
第11页/共67页
在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时， 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。

小就能改变力矩。 而交流电机中Fs是由三相交流电产生的，绕组中的电压及
电流是交流，是时变量，转矩的控制要复杂得多。 能否找到一种方法使我们能够象控制直流电机那样控制交
流电机？ 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制
技术。 通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类
似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可 以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的 控制技术取得了突破性的进展。
从动坐标系（d、q）上看，则合成定子电流矢 量是静止的，也即从时变量变成了时不变量， 从交流量变成了直流量。
a
14
通过坐标变换把合成定子电流矢量从静止坐 标系变换到旋转坐标系上。
在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要 的定子合成电流的数值；
然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中。 将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，
nref
iqref PI
idref=0
Uq
Uα
PI
Park
SV
Ud 逆变换 Uβ PWM
PI
us
3相 逆变器
iq
iα
ia
Park
Clark
id 逆变换 iβ 变换
ib
nf
θ
速度、位置检测 a
pmsm 3
主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。
定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕 组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。
换向时会产生电火花限制了它的应用环境。
如果能将电刷和换向器去掉，再把电枢绕组移到定子 上，就可克服这些缺点。
交流伺服电机就是这种结构的电机。 交流伺服电机有两类：
同步电机 和 感应电机