永磁无刷伺服系统的设计考虑
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磁场波形较差，转子 直径、转动惯量和电 感较大，适合于额定 转速中等的场合。
伺服系统技术研发中心 卢刚
永磁无刷电机的设计考虑
无刷电机定子结构选择
集中绕组：
分布绕组：
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永磁无刷电机的设计考虑
无刷电机定子结构选择
传统永磁无刷伺服电机均为分布绕组，近几年开始出现使用集中绕组 的设计。分布绕组产生的电枢磁场波形近似正弦分布，而集中绕组所产生 的电枢磁场波形近似方波分布；一般认为，采用分布绕组结构的电机其电 磁转矩波动比采用集中绕组结构的电机小很多。
AH
AL
红色：开通电流 绿色和紫色：关断续流
BH 粉色和褐色：制动涡流
BL
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功率开关的驱动策略
不同桥臂上下管对称错相斩波： 与单边错相斩波类似，但载
波为对称三角波；特点：发热均 匀。绕组电流斩波频率是开关管 斩波频率的2倍。
AH
AL
红色：开通电流
B绿粉H 色色和和紫褐色色：：关制断动续涡流流
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永磁无刷电机的设计考虑
无刷电机
永磁无刷
定子交流绕组 转子永磁体
转子位置传感器
永磁同步
定子交流绕组 转子永磁体
步进电机
磁阻式定转子 集中绕组
开关磁阻
磁阻式定转子 集中绕组
转子位置传感器
异步电机
定子交流绕组 鼠笼转子
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永磁无刷电机的设计考虑
减速器的减速比：
电平变化 捕获 PWM
发生器 AD
转换器 串行通讯
接口
驱动电路
电压电流 温度检测
功率变换器
系统位置 传感器
速度伺服系统无需 系统位置传感器
转子位置 传感器
永磁 无刷 电机
减速增扭 机构
运动变换 机构
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永磁无刷伺服系统构成及特点
n
正向制动、发电
0 反向电动
正向电动 Tem
反向制动、发电
双极性模式还有 其他一些工作方式。
Ua,Ub,Uc
15
10
5
0
-5
-10
-15
0
50
100
150
200
250
300
350
400
t
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
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Ic Bc
功率开关的驱动策略
SVPWM简介
Ba
ห้องสมุดไป่ตู้
ω
Ia
Bb Ib
空间矢量图
驱动方式
光隔离驱动 零压关断 负压关断
变压器隔离驱动
热地驱动（零压关断）
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功率开关的驱动策略
设计建议：
一般认为，额定功率在5kW以下的小功率场合可以使用热 地驱动以简化设计降低成本，5kW以上的中大功率场合采用光 隔离负压关断或零压关断（在IPM智能模块中采用）以提高抗 干扰能力。
功率开关的驱动策略
000
110 110
000
100
111 100
Ba
011
100
空间矢量图
100
(000)
110
(111) 110
合成矢量
100 (000)
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功率开关的驱动策略
120°方波模式与180 °正弦模式
当转子位置传感器使用6状态数字信号时（如霍尔磁电式、光电式）， 电机在360 °电角度内被分为6个60 °相带，对于伺服电机只能使用120 ° 方波模式；而当转子位置传感器使用精密型传感器（旋转变压器、光码盘） 时，则两种模式均可使用。
若在某个转子位置时，需要给A相 绕组加正电压，给B相绕组加负电压， 则开通A相上管和B相下管，本次斩波 周期内始终保持A相下管和B相上管关 闭，A相上管斩波，B相下管常通；电 流路径如图所示。续流要通过一个管压 降较大的二极管和一个功率开关管，无 需克服电源电压，续流时间较长，续流 归零后，若为电动状态则电流保持为 零；若为制动状态则电流取决于电机反 电势大小和绕组电阻、电感等因素。
则开通A相上管和B相下管，本次斩波
周期内始终保持A相下管和B相上管关
闭，电流路径如图所示。续流要通过管 压降较大的二极管，并克服电源电压， AH
续流时间较短，续流归零后电流保持为
零，电机惯性运行。
AL
红色：开通电流
绿B色H ：关断续流
BL
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功率开关的驱动策略
不同桥臂上管斩波、下管常通：
电机运行的状态与象限
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永磁无刷伺服系统构成及特点
快响应 要求系统机电时间常数小，控制周期短，转子位置及系
统位置传感器等响应速度高；低于额定转速时，伺服系统的 输出转矩短时间会远大于额定转矩。 高精度
要求系统减速器及运动变换机构的机械间隙尽可能小， 系统位置及转子位置传感器等精度高，AD转换器的精度高， 控制周期短，控制算法采用高精度数据格式。
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控制器的功率拓扑
带泄放通道的三相桥式功率拓扑
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控制器的功率拓扑
三电平三相桥式功率拓扑
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控制器的功率拓扑
带直流母线调压能力的三相桥式功率拓扑
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控制器的功率拓扑
设计建议：
当永磁伺服电机要求的最大转速与死区转速之比大于 100时，应当考虑采用三电平或直流母线调压的拓扑结构。
由于永磁伺服电机一般是四象限运行，所以一定需要设 计母线能量泄放通道或能量回馈装置。
伺服电机反接制动时绕组电流及电流变化率都非常大， 会产生很大的电压尖峰，所以功率开关元件的通态最大电流 耐量要比同样额定功率的力能电机控制器大很多，耐压富裕 量也应大一些。
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功率开关的驱动策略
时间相量图
三相绕组各自产生的磁场轴线 位置固定，方向、大小由电流 决定。
三相绕组的电流、电压互错 120°相位，以ω的角频率旋 转。
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功率开关的驱动策略
010Bb 101
110
Bc 001
Ba
011
100
空间矢量图
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010Bb 101
110
Bc 001
设计考虑：当转子位置传感器较为精密时（如旋转变压器、光码盘），
目前的数字控制技术已可以补偿集中绕组所带来的转矩波动，而采用集中 绕组可以提高绕组自感、减小相间互感，降低绕组电流的高频成分，同时 降低绕组铜线用量，改善电机制造工艺。因此在采用高性能DSP/MCU为 控制芯片同时若转子位置传感器较为精密时，可以考虑采用集中绕组结 构。
120 °方波模式在每个斩波周期内只有两相绕组导通，电枢绕组磁场与 主磁场间夹角在90 °左右不断摆动，不变的占空比输出导致相电流呈马鞍 状，转矩波动较大，电流中低次谐波含量较高，造成电机涡流铁损耗较大。
180 °正弦波模式一般在每个斩波周期内三相绕组均导通，电枢绕组磁 场与主磁场间夹角始终保持90 °，各相绕组的控制占空比按正弦规律变 化，在电机定子铁芯不饱和时，相电流呈基频正弦波状，转矩波动小，电流 中低次谐波含量小，涡流铁损较小。
单极性调制
双极性调制
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功率开关的驱动策略
PWM单极性模式与双极性模式
传统认为双极性模式控制实现容易，而绕组电流高频谐波含量较高，单 极性模式控制实现复杂，而绕组电流高频谐波含量较低，并且桥臂直通的危 险较小。
试验表明，由于单极性模式对伺服电机的控制能力远低于双极性模式， 但单极性模式工作时永磁伺服电机效率较高。例如，在伺服电机转速为0 时，由负载反拖产生转动趋势，若输出斩波占空比为0，则双极性模式在各 个功率管上的动作相同，其对任何方向的转动趋势均会产生涡流阻力矩（双 向阻力矩）；而单极性模式必须先确定工作转向，不论那一类单极性模式 （常见的有不同桥臂上下管同时通断类型、不同桥臂上管斩波下管常通类 型、不同桥臂上下管单边错相斩波类型、不同桥臂上下管对称错相斩波类 型），只会产生与确定的工作转向相反的涡流阻力矩（单向阻力矩）。
结论：
只有电机负载的转动惯量远大于电机转子的转动惯量，增大减速比才 有可能提高系统的响应性。
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永磁无刷电机的设计考虑
电机绕组电感：
传统认为降低电机的电感可减小伺服系统的电磁时间常数，从而提高系 统的响应性。
实际工程系统中，电磁时间常数远远小于机电时间常数，使得系统的快 响应性主要取决于机电时间常数。永磁无刷电机的转子中安装有磁性能很强 但导磁性很差的永磁体（磁钢），使得永磁无刷电机与同规格异步电机相 比，绕组电感大幅下降，在PWM斩波期间绕组电流的变化率大幅上升，电流 的高频脉动幅度增加将直接导致功率开关器件的电流应力增大，必须选用电 流耐量更大的功率开关；同时高频电流脉动将导致电机定转子中均会产生高 频铁损耗，引起系统效率下降。
AH
AL 红色：开通电流 绿色：关断续流
BH 粉色：制动涡流
BL
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功率开关的驱动策略
不同桥臂上下管单边错相斩波：
若在某个转子位置时，需要给A相 绕组加正电压，给B相绕组加负电压，则 开通A相上管和B相下管，本次斩波周期 内始终保持A相下管和B相上管关闭，A 相上管与B相下管互错180°斩波，载波 为锯齿波；电流路径如图所示。续流要 通过一个管压降较大的二极管和一个开 通上或下桥臂功率开关管，续流过程较 长，续流归零后，若为电动状态则电流 保持为零；若为制动状态则电流取决于 电机反电势大小和绕组电阻、电感等因 素。发热均匀，绕组斩波频率与功率开 关斩波频率相同。
