伺服电机详解

11伺服系统的基本构成要素2电动机的基础知识基本功能，常用法则，绕组电感，转矩波动和定位力矩的概念，3电机的基本原理直流有刷电机直流无刷电机永磁交流伺服电机，M3伺服特点4伺服电机控制基础直流伺服电机的控制及分析方法永磁交流伺服电机的数学模型，坐标变换，控制框图伺服电机基本原理、数学模型及坐标变换2指令控制器功率变换器负载电机电源速度传感器位置传感器电流传感器1伺服系统的基本构成要素伺服系统：跟随指令运行的电机驱动系统控制指令：位置，速度，转矩基本要求：快速，精准，可靠伺服电机系统3电机的基本功能电动机的种类常用法则电感的概念2电动机的基础知识4电动机的基本功能：将电能转换为机械能损耗和效率：100損失出力出力＝100入力出力＝[%]电机効率⋅+⋅电动机的种类按原理可分为3大类直流电机（DCM）1830年巻線界磁、1930永久磁石界磁异步电机（IM）1885年三相機同步电机（SM）1870巻線励磁、1930磁钢励磁，转子结构：表贴磁钢式（SPM）,内置磁钢式（IPM）可变磁阻式（VR），混合式（HB）5电机的基本特性直流电机转矩转速异步电机同步电机TL0ω7电机常用法则1：左手法则在置于与磁场相垂直的方向上的导体中通以电流，则导体在于磁场和电流方向都垂直的方向上所受到的力F的大小有如下的关系2-7BILF×=8电机常用法则2：右手法则2-7BVLE×=感应电势现象右手定则L:切割磁力线导体长度V:速度E：感应电压电机常用法则3：电磁感应定律dtdeΦ−=●感应电势的大小与闭合电路的铰链磁通的时间变化率成正比●感应电流的方向总是抑制铰链磁通变化的方向9e：闭合电路的感应电势Φ：闭合电路的铰链磁通闭合回路磁通变化产生感应电势电感的概念：当线圈中有电流流过时将在铁心中产生磁通，电流越大匝数越多产生的磁通越多，磁通与电流和匝数的乘积成正比（如图）。F=Ni磁势磁阻RNiRF==φSlRµ=磁链iRNN2==φψRNiL2==ψ电感电感的端电压与电流的时间变化率成正比dtdiLdtdv==ψ磁通Li=ψ重要性质：电感中的电流是连续的。应用注意：在含有电感的电路中，瞬时关断电路将会产生瞬间高压损坏开关电路定义：输出转矩随转角的变化。产生：基本由齿槽转矩和電流转矩波动合成。影响：转矩控制精度，转速波动以及振动噪声→希望越小越好齿槽转矩的概念：电机不通電時的转矩電流转矩波动：由电机电流产生的转矩波动（包括电磁的和控制电路的影响）如何减少转矩波动是电机設計和电机控制的重要课题转矩波动和定位力矩：123电机的基本原理直流电机直流无刷电机永磁交流伺服电机13永磁铁与单匝导线（称为线圈）按下图放置，线圈的左边向上，右边向下各受到大小为BIL的力，线圈全体将产生对于线圈中心线的旋转力，也就是转矩。这个转矩T的大小为T=２RBIL直流电机线圈数与转矩波形1个线圈的转矩波形转矩波动大有无法启动的点（死点）转矩波动改善任意位置可以启动实际的高性能直流电机具有许多绕组、电机的转矩波动很小，转矩的大小由电机电流决定。T＝KtIKｔ：转矩系数152个线圈的转矩波形直流电机电刷位置与转矩关系电刷的设计：保证电流磁场HF的方向与磁钢的磁场成90关系电流的磁场磁钢的磁场转矩最大位置转矩为零位置磁钢的磁场电流的磁场16直流电机直流的稳态特性電圧、電流、転速等均不随时间变化时的电机特性特性方程：EIRVa+=IKTtem=V：DC電圧Ra:电机电阻E：反電圧N:电机转速Tem：电机转矩Kｔ:转矩系数Ke：反电势系数NKEe⋅=emTKKRKVNtee−=VIRaIE＋－DC电机等效电路直流无刷化的必要性：直流电机的优点◎使用简单，小型化容易◎控制性能好直流电机的缺点电刷与整流子的摩擦引起●摩擦转巨大●寿命短，电磁干扰大●高速旋转困难→要求无刷化18直流无刷电机无刷化-BLDC的实现方法：将电刷式的机械换向转换为电子换向，这样的直流电动机一般称为无刷直流电动机。実現方法：利用传感器检测永磁转子的磁极位置，由电路根据检测到的磁极位置信号控制电机电流，即可实现定子电流的电子换向。19永磁转子磁极位置检测方法：常用转子位置检测传感器○霍尔元件（低成本）○编码器（高性能）○旋转变压器（高性能）无位置传感器技术○利用电压和电流信息推测转子磁极位置反电势法（存在上电和零速启动问题）利用转子凸极效应（三菱等已经产品化）一般来说，BLDC常用霍尔元件（低成本）伺服电机常用编码器或旋变（高性能）20霍尔元件的特点和应用（可用于BLDC）21无刷电机的结构，基本特性固定子回転子电机结构转子：永磁型定子：3相基本构成：霍尔同步电机+驱动实现基本特性：实现DC电机同等的性能转矩转速N1N2電圧22伺服电机的基本构成方式各种伺服电机的主要特点，电机框图伺服电机电磁结构动向，鸣志M3伺服电机23永磁交流伺服电机伺服电机的基本构成方式构成方式交流伺服电机异步伺服电机（IM）同步伺服电机（SM）直流有刷伺服电机SM:synchronousmotorIM:inductionmotor24各种伺服电机的主要特点25伺服电机直流伺服电机交流伺服电机控制电路转矩控制转矩电流（标量）转矩成分电流（矢量）兼顾转矩成分电流，励磁电流，滑差的协同控制略复杂制动转矩机械刹车或直流制动控制难易261/(Ls+R)Kt1/JsTL伺服电机本体的基本框图KeωrTive框图适用于直流电机和交流电机有刷直流电机直接对应此框图交流电机作为控制结果可以得到此框图永磁交流伺服电机的结构无刷电机加编码器即可构成伺服电机伺服电机电磁结构最新动向近年来,行业知名厂家的最新款电机纷纷采用12槽10极结构.10极结构电机的经纬2004年东方BX产品化,是行业最早10极伺服2011年安川推出SIGAM5(10极)2012年松下推出A5(10极)之后台达，汇川(10极)已有产品伺服计划2018年量产10极电机的主要特点:反电势正弦,转矩系数大,定位力矩极小化容易可实现更精准的转矩控制29永磁交流伺服电机系统构成速度控制器电流控制器电压型PWM逆变器永磁电机编码器位置控制器位置速度磁极位置电流位置指令信号处理器伺服电机伺服电机常用结构：表贴式永磁转子同步电机加编码器（鸣志的伺服电机）分析研究伺服系统性能和推导优化控制算法需要对电机有进一步了解，电机的数学模型和电机的坐标变换理论是基础。30直流伺服电机的控制数学模型及分析方法永磁交流伺服电机的控制数学模型，坐标变换，控制框图4伺服电机的控制基础31◎电机的电路系统微分方程式忽略电刷压降)()()()(tetiRdttdiLtUaaaaa++=)()(tKeteω⋅=Ua(t)：電圧ia(t)：電流La：电感Ra:电阻e(t)：反电势Ke：反电势系数ω(t)：角速度等价电路直流电机的动特性直流伺服电机的控制32◎機械系统的微分方程tem：转矩Kt：转矩系数ia(t)：電流J：惯量B:粘性摩擦系数td(t)：负载转矩ω(t)：角速度)()()(tttBdttdJtdem++=ωω)(tiKtatem=直流电机的动特性33直流电机的框图将电系统和机械系统进行拉斯变换并整理可得)()()()(sEsIRssILsUaaaaa++=)()(sKesEΩ⋅=)()()()(sTsBsJssTdem+Ω+Ω=)()(sIKsTatem=（3.6）（3.7）（3.8）（3.9）电机框图aaRsL+1BJs+1tKeK+-Ua(s)Ia(s)Tem(s))(sΩ+-Td(s)aaeaaRsLsksUsI+Ω−=)()()(BsJsTksIsadta+−=Ω)()()(34阶跃电压的电流响应)1(11)()(sRRsLsUsIeaaaaaτ+=+=)1()()/1(0teeRUtiaaτ−−=τe＝La/Ra为电气时间常数。该値越大过度时间越长35直流电机的控制及系统构成例无控制时的直流电机特性电流环及其优点有控制时的直流电机特性直流电机的控制系统构成例36无控制时的直流电机特性转速的传递有负载转矩时，相对于转速指令，转速存在稳态误差。其影响程度由电机的参数决定。稳态特性dteaeaTKKRKU−=ωdteateaateaeTsKKJRKKRsUsKKJRKs11)(111)(+−+=Ω直流电机框图aaRsL+1BJs+1tKeK+-Ua(s)Ia(s)Tem(s))(sΩ+-Td(s)37转速的指令响应指令响应、负载响应均为以Tｍ为时间常数的1阶滞后系统的特性。对于要求一定转速运行并且转速波动小的应用场合，负载响应是重要特性之一。sTKKKJsRKsUsmetetaa+=+=Ω1/1)()(Tm＝RaJ/（KeKt)机械时间常数sTKKRsTsmtead+=Ω11)()(转速的负载响应（干扰响应）38无控制时的负载频率响应（伝達関数のｓ→ｊω）11)()(+⋅=ΩωωωmLjTKKRaTtemT/1ω时teadKKRT≅Ω)()(ωωmT/1ω时ωωωJTd1)()(≅Ω对于ω＝1/Tｍ以上的高速变化的负载、惯性越大转速波动越小。但对于频率低的负载变动，增大惯性对抑制转速波动没有效果。39关于电流环实际的伺服电机控制系统中，常采用反馈电机电流的电流驱动方式（电流环）Ui：電流指令値[V]1/α：電流検出器[V/A]Ki：ゲイン直流电机电流驱动系统的基本构成：1/1+sTRaaJs1tKeK+-Ua(s)Ia(s))(sΩ+-Td(s)αssKiiiττ)1(+Ui(s)+-モータ電流コントローラ40上記電流駆動ブロック線図のゲインKiを十分大きく、ti=Ta、α＝Raとすれば、電流指令から電機子電流までの伝達関数を求めると下式が得られる。よって、電流駆動時のモータブロック線図は下記のように表すことができる電流駆動時的简化框图Ra1)(U)(ai≅ssIaR1Js1Ui(s))(sΩ+-Td(s)tKIa(s)atRKJs1Ui(s))(sΩ+-Td(s)または電流ループの利点：◎ブロック線図は簡単になり、制御系の設計が容易になる。◎モータの電気的時定数を見かけ上小さくできる。◎誘起電圧や電源の変動に対し速度変動を抑えることができる。◎電流指令をクランプすることにより、最大電流を抑えることができる41受控直流电机的特性直流电机比例速度控制（P制御）系统框图指令と速度検出値の偏差はKv倍され電流指令として電流制御系へ入力し、偏差値が小さくなるようモータを制御する。Kf：速度検出の伝達関数Kv：比例部伝達関数atRKJs1Ui(s))(sΩ+-Td(s)vKfKUｖ(s)+-42比例控制系统特性转速的传递函数dfvtatvfavfvtafTsKKKJRKKKRsUsKKKJRKs11)(111)(+−+=Ω負荷トルクがあると、指令値に対し回転速度に定常誤差が残るが、負荷トルクの影響度を比例ゲインKvを大きくすることによって抑えることができる。無制御のDCモータに比べ、特性が改善される。定常特性dtvfafvTKKKRKU−=ω比例控制无控制回転速度转矩43比例控制系统特性负载响应是以RaJ/(KｆKｖKｔ)为时间常数的1阶系统的特性。其时间常数可通过Kv改变。低频变化的负载引起的转速波动可以由Kv增大得到抑制。与无控制的直流电机相比特性得到了改善。负载响应传递函数11)()(+−=ΩsKKKJRKKKRsTstvfatvfad时、)/(RaJKKKtvfωtvfLmKKKRaT≅Ω)()(ωω频率响应：44直流电机的比例积分控制（P-I制御）atRKJs1Ui(s))(sΩ+-Td(s)vKfKUｖ(s)sKI+++-转速的传递函数)(1)()1(1)(22sTJRKKKsJRKKKssJsUJRKKKsJRKKKssKKJRKKKKsdatIfatvfvatIfatvfIvatIff++−+++=Ω稳态特性fvKU=ω没有稳态误差、与无控制直流电机先比，特性得到了改善。45直流伺服→交流伺服直流电机通过控制电流可以直接控制转矩，系统容易实现，因而直流伺服系统最早被实用化。但存在电刷的寿命以及电磁干