伺服电机及伺服系统

运动控制系统哈尔滨理工大学自动化学院主讲教师：许家忠交流伺服系统运动控制系统第九次课-404教研室32020年2月6日星期四Positionsignal/位置信号Positionsignal/位置信号2005/1/1电机的种类及控制方法直流有刷电机直流无刷电机（带霍尔位置传感器）直流无刷电机（无位置传感器）交流电机MMMM功率驱动控制电路Nopositionsignalfeedback/无位置信号反馈2001/6/14功率驱动功率驱动正弦波方波方波控制电路控制电路.控制电路功率驱动运动控制系统第九次课-404教研室42020年2月6日星期四伺服电机种类直流有刷电机直流无刷电机交流伺服电机运动控制系统第九次课-404教研室52020年2月6日星期四交流伺服电机永磁无刷直流电机和永磁交流伺服电机都属于交流永磁同步电机。按照反电动势波形和驱动电流的波形，可以将永磁同步电机分为方波驱动和正弦波驱动型。前者就是我们常说的无刷直流电机，后者又称为永磁同步交流伺服电机。主要用于伺服控制的场合。运动控制系统第九次课-404教研室62020年2月6日星期四永磁交流伺服电机在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM）。永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。本文讨论的重点将放在永磁同步交流伺服系统上。运动控制系统第九次课-404教研室72020年2月6日星期四交流伺服的行业应用现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75％。运动控制系统第九次课-404教研室82020年2月6日星期四永磁无刷直流电机运动控制系统第九次课-404教研室102020年2月6日星期四永磁无刷直流电机本质上，无刷直流电机是根据转子位置反馈信息采用电子换相运行的交流永磁同步电机，与有刷直流电机相比具有一系列优势，近年得到了迅速发展，在许多领域的竞争中不断取代直流有刷电机和异步电动机。运动控制系统第九次课-404教研室112020年2月6日星期四永磁无刷直流电机直流有刷电机直流无刷电机永磁直流无刷伺服电机PermanentMagnetBrushlessDCMotors运动控制系统第九次课-404教研室132020年2月6日星期四一、问题的提出直流电动机虽然具有优良的调速和起动特性，但由于存在电刷和换向器，需要经常性维护，并且会产生火花和电磁干扰，限制了它的应用范围。近年发展起来的无刷直流电动机就是为了克服换向器和电刷的滑动接触而发展起来的新型直流电动机。运动控制系统第九次课-404教研室142020年2月6日星期四二、无刷直流电动机的工作原理磁极静止，电枢旋转根据左手定则，线圈在电磁转矩作用下将按逆时针方向旋转当载流导体转过180度后，借助电刷-换向片改变导体中电流方向直流有刷电机多极运动控制系统第九次课-404教研室152020年2月6日星期四二、无刷直流电动机的工作原理电枢静止，磁极旋转，且磁极为永久磁铁。电枢绕组中电流的换向是借助于转子位置传感器和电子开关线路来实现的。所以，无刷直流电机一般都是由电动机、位置传感器和电子开关线路三部分组成。无刷直流电动机原理运动控制系统第九次课-404教研室162020年2月6日星期四二、无刷直流电动机的工作原理运动控制系统第九次课-404教研室172020年2月6日星期四三、驱动部分驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。运动控制系统第九次课-404教研室182020年2月6日星期四三、驱动部分随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。运动控制系统第九次课-404教研室192020年2月6日星期四三、驱动部分运动控制系统第九次课-404教研室202020年2月6日星期四三、驱动部分运动控制系统第九次课-404教研室212020年2月6日星期四2005/1/1Y形连接形连接三、驱动部分运动控制系统第九次课-404教研室222020年2月6日星期四VDCA+A-B+B-C+C-NSAA’BB’CC’三、驱动部分运动控制系统第九次课-404教研室232020年2月6日星期四四.转子位置传感器转子位置检测电路永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。运动控制系统第九次课-404教研室242020年2月6日星期四四.转子位置传感器用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰。目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。运动控制系统第九次课-404教研室252020年2月6日星期四四、转子位置传感器运动控制系统第九次课-404教研室262020年2月6日星期四四、转子位置传感器运动控制系统第九次课-404教研室272020年2月6日星期四工作原理运动控制系统第九次课-404教研室282020年2月6日星期四工作原理运动控制系统第九次课-404教研室292020年2月6日星期四工作原理运动控制系统第九次课-404教研室302020年2月6日星期四工作原理运动控制系统第九次课-404教研室312020年2月6日星期四运动控制系统第九次课-404教研室322020年2月6日星期四控制方法运动控制系统第九次课-404教研室332020年2月6日星期四有刷控制器系统框图霍尔转把调速把手供电电路预驱动电路电流采样PWM生成/调制电路M功率输出电路2E72GA2E72GSSAC2E72GSSAC直流有刷电机电池组2005/1/1运动控制系统第九次课-404教研室342020年2月6日星期四运动控制系统第九次课-404教研室352020年2月6日星期四PWM电压电机直流供电电压dVTT调速的基本原理22005/1/1调压调速模式运动控制系统第九次课-404教研室362020年2月6日星期四控制方式运动控制系统第九次课-404教研室372020年2月6日星期四运动控制系统第九次课-404教研室382020年2月6日星期四运动控制系统第九次课-404教研室392020年2月6日星期四运动控制系统第九次课-404教研室402020年2月6日星期四无位置传感器技术位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可靠性。运动控制系统第九次课-404教研室412020年2月6日星期四无位置传感器技术为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。但对于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。运动控制系统第九次课-404教研室422020年2月6日星期四无位置传感器运动控制系统第九次课-404教研室432020年2月6日星期四无位置传感器运动控制系统第九次课-404教研室442020年2月6日星期四无位置传感器技术运动控制系统第九次课-404教研室452020年2月6日星期四运动控制系统第九次课-404教研室462020年2月6日星期四智能有刷控制器典型应用图22005/1/1运动控制系统第九次课-404教研室472020年2月6日星期四U1,V1,W1,_U1,_V1,_W1U,V,WPDU,PDV,PDWM功率驱动控制电路DC2005/1/1无刷电机的译码/驱动时序图1（带位置传感器/120度相位）2001/6/15Drivesignal(Lowactive)U1_U1V1_V1W1_W1PositionsignalPDUPDVPDWPositiondetectionCommutationSamplingstart060120180240300360420degTerminalvoltageUVW转子位置信号反馈电机相线端电压功率管驱动电压电机霍尔输出电压位置信号采样点运动控制系统第九次课-404教研室482020年2月6日星期四2005/1/1无刷电机的译码/驱动时序图2（无位置传感器）PositionsignalcircuitU1,V1,W1,_U1,_V1,_W1DC+-Ref.VU,V,WPDU,PDV,PDWM功率驱动控制电路RxRyDrivesignal(Lowactive)U1_U1V1_V1W1_W1TerminalvoltageUVWPositionsignalPDUPDVPDWPositiondetection-60060120180240300360420degCommutationSamplingstart2001/6/14电机相线端电压功率管驱动电压电机反电动势输出电压位置信号采样点位置信号生成电路永磁交流伺服电机运动控制系统第九次课-404教研室502020年2月6日星期四安川松下三菱运动控制系统第九次课-404教研室512020年2月6日星期四基本结构交流伺服电动机主要由定子和转子构成。定子铁心通常用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组，两相绕组在空间位置上互差90°电角度。工作时励磁绕组就j与交流励磁电源相连，控制绕组k加控制信号电压。kU1—外定子铁心；2—杯形转子；3—内定子铁心；4—转轴；5—轴承；6—定子绕组杯形转子伺服电动机结构图运动控制系统第九次课-404教研室522020年2月6日星期四交流伺服电动机交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。励磁绕组控制绕组杯形转子内定子交流伺服电动机结构图运动控制系统第九次课-404教研室532020年2月6日星期四转子的形式有两种，一种是笼式转子，其绕组由高电阻率的材料制成，绕组的电阻较大，笼式转子结构简单，但其转动惯量较大。另一种是空心杯转子，它由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的笼式转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大。转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流。空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。交流伺服电动机原理图运动控制系统第九次课-404教研室542020年2月6日星期四运动控制系统第九次课-404教研室552020年2月6日星期四工作原理交流伺服电动机在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁