1、1 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 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 电机的基本功能 电动机的种类 常
2、用法则 电感的概念 2 电动机的基础知识 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） 电机的基本特性 直流 电 机 转 矩 转 速 异步 电 机 同步电机 TL 0 电机常用法则 1 ： 左手法则 在置于与磁场相垂直的方
3、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 2-7 BILF = 电机常用法则 2 ：右手法则 2-7 BVLE = 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 dt d e = 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 e ： 闭 合 电 路的感 应电势 ： 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
4、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 R Ni R F = S l R = 磁 链 i R N N 2 = R N i L 2 = 电 感 电 感的端 电压 与 电 流的 时间变 化率成正比 dt di L dt d v = 磁通 Li= 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
5、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 ： 3 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 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= RBIL 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
6、 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 KtI K： 转矩系数 2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 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： EIRV a += IKT tem = V： DC電圧 Ra:电 机 电 阻 E： 反 電圧 N: 电 机 转 速 Te
7、m： 电 机 转 矩 K : 转 矩系数 Ke： 反 电势 系数 NKE e = em T KK R K V N tee = V I RaI E 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 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。 永磁转
8、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） 霍尔元件的特点和应用（可用于 BLDC） 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 N1 N2 電圧 伺服电机的基本构成方式 各种伺服
9、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 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:synchronous motor IM:induction motor 各种伺服电机的主要特点 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 1/(Ls+R)
10、 Kt 1/Js TL 伺服电机 本体的基本框图 Ke r T i v e 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 :
11、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 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。 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 电机的电路系统 微分方程 式 忽略电刷压
12、降 )()( )( )( tetiR dt tdi LtU aa a aa += )()( tKete = 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 (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 機 械系统的 微分方程 t em ：转矩 K t ：转矩系数 ia(t)：電流 J ：惯量 B : 粘性摩擦系数 t d (t)：负载转矩 (t)：角速度 )()( )( tttB dt td Jt d em += )(tiKt at em = 直流电机的动特性 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
13、可得 )()()()( sEsIRssILsU aaaaa += )()( sKesE = )()()()( sTsBsJssT dem += )()( sIKsT a tem = （3.6） （3.7） （3.8） （3.9） 电 机框 图 aa RsL + 1 BJs+ 1 t K e K + - Ua(s) Ia(s) Tem(s) )(s + - Td(s) aa ea a RsL sksU sI + = )()( )( BsJ sTksI s a dta + = )()( )( 阶跃电压的电流响应 )1( 11 )( )( sRRsLsU sI e aaaa a + = + = )1
14、()( )/1( 0 t e e R U ti a a = e La/Ra 为电 气 时间 常数 。 该 値越大 过 度 时间 越 长 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 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 d te a e a T KK R K U = d te a te a a te a e T s KK JR KK R sU s KK JR K s 1 1 )( 1 11 )( + + = 直流电机框图 aa RsL
15、 + 1 BJs+ 1 t K e K + - Ua(s) Ia(s) Tem(s) )(s + - Td(s) 转 速的指令响 应 指令响应、 负载响应均为以T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。 sT K KKJsR K sU s m e te t aa + = + = 1 /1 )( )( TmRaJ/ （KeKt) 机械时间常数 sTKK R sT s mte a d + = 1 1 )( )( 转 速的 负载 响 应 （干 扰 响 应 ） 无控制时的负载频率响应 （伝達関数 ） 1 1 )( )( + = mL j
16、TKK Ra T te m T/1 时 JT d 1 )( )( 对于 1/T 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。 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/ ：電流検出器 V/A Ki： 直流电机电流驱动系统的基本构成 ： 1 /1 +sT R a a Js 1 t K e K + - Ua(s) Ia(s) )(s + - Td(s) s sK i ii )1( + Ui(s) + - 電流 上記電流駆動線図 Ki十分大、 ti=Ta、 Ra 、電流指
17、令電機子電流伝達関数求下式 得。 、電流駆動時線図下記 表 電流駆動時 的简化框图 Ra 1 )(U )(a i s sI a R 1 Js 1 Ui(s) )(s + - Td(s) t K Ia(s) a t R K Js 1 Ui(s) )(s + - Td(s) 電流利点： 線図簡単、制御系設計容易。 電気的時定数見上小。 誘起電圧電源変動対速度変動抑。 電流指令、最大電流抑 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 指令速度検出値偏差 Kv倍電流指令電流制御系 入力、偏差値小制御。 Kf：速度検出伝達関数 Kv：比例部伝達関数 a t R K Js
18、 1 Ui(s) )(s + - Td(s) v K f K U(s) + - 比例 控制系统特性 转 速的 传递 函数 d fvt a tvf a v fvt a f T s KKK JR KKK R sU s KKK JR K s 1 1 )( 1 11 )( + + = 負荷、指令値対回転速度定常誤差残、負荷 影響度比例 Kv大抑。 無制御 DC比、特性改善。 定常特性 d tvf a f v T KKK R K U = 比例 控制 无控制 回転速度 转 矩 比例 控制系统特性 负载 响 应 是以 RaJ/(KKK)为时间 常数的 1阶 系 统 的特性 。 其 时间 常数可通 过 Kv改
19、 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 1 1 )( )( + = s KKK JR KKK R sT s tvf a tvf a d 时、 )/(RaJKKK tvf t vfL m KKK Ra T )( )( 频 率响 应 ： 直流电机的比例积分控制 （ P-I制御） a t R K Js 1 Ui(s) )(s + - Td(s) v K f K U(s) s K I + + + - 转 速的 传递 函数 )( 1 )( )1( 1 )( 22 sT JR KKK s JR K
20、KK s s J sU JR KKK s JR KKK s s K K JR KKK K s d a tIf a tvf v a tIf a tvf I v a tIf f + + + = 稳态 特性 f v K U = 没有 稳态误 差 、 与无控制直流 电 机先比，特性得到了改善 。 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 扰 等 问题 没有 电 刷的交流伺服 电 机系 统 得到了迅速 发 展 交流电机矢量控制技术的变迁矢量控制的概念 3相电机的等效电路 电机
21、矢量图 坐标变换，d-q坐标系下电机的的数学模型和控制框图 永磁交流伺服电机的数学模型及坐标变换 永磁交流伺服电机的数学模型，坐标变换，控制框图 交流电机矢量控制技术的变迁 1968年 Hasse 提出了交流电机的矢量控制慨念 、 为实 现与有刷直流电机同等以上的高性能驱动奠定了理论基础 1980年后，随着功率半导体器件以及微处理器的进步， 交流电机的矢量控制进入实用期 如今矢量控制的交流伺服电机已经成为伺服的主流，其 市场年年在扩大。 矢量控制的概念： 交流电机的控制为什么难理解 ？ 交流电机的磁场方向，电流大小和方向复杂， 以往常用等价电路或矢量图来分析和控制，一般只适合稳态特性， 很难实
22、现直流电机同等的快速响应特性。 而直流电机结构上通过电流的大小即可直接定量控制转矩， 即标量控制，系统容易实现 。 矢量控制的概念 ： 假设交流电机的磁场方向可以瞬间得到，并且在此方向上设置 固定的坐标系，在这样的 座標上 考虑交流电机的转矩生成 。 可以发现，若有能控制磁场正交方向的电流的方法， 即可得到与直流电机同等的控制效果。 R ： 相电阻 M：互感 L： 自感 L + M :漏感 r ： 励磁角度 r ： 角速度 vu,vv,vw： 三相电压 3相电机的 等效电路 3相永磁电机的电路方程 iu,iv， iw：三相電流、 P=d/dt、 fu,fv,fw ：各相 铰链磁链 uvwuvw
23、uvwuvw eIZV +=矩阵表示 电机的坐标变换 常用的坐标变换： 3相交流座標系 -2相交流座標系 的 変換 (uvw)( -) 変換 2相交流座標系 -2相直流座標系 的 変換 ( -) （ d-q)変換 三相交流座標系 变为 二相交流座標系 的 変換 矩阵 (uvw)座標系 与 (-) 座標系 的 関係 (uvw)系 ( -)系 的 変換 矩 阵 u v w 3 2 为 使 变换 前后功率保持不 变 的常数 三相交流座標系 变换为 二相交流座標系 将 変換行列 C作用于 3相 交流座標系 可得 2相交流等価回路 5.1 MlL += 二相交流座標系 ( -) 变换为二 相直流 坐标系
24、（ - ） (-)座標系 (d-q)座標系関係 ： = = dq C q d )cos()sin( )sin()cos( )sin()cos( rr d += )cos()sin( rr q += d q M -座標系 下的数学模型 d-q坐 标 系等价 电 路 将 Cdq作用于 ( -) 座標系 整理可得 永磁交流伺服电机的电 磁 转 矩 qfe ipT = f : 磁 钢产 生的磁 链 p ： 极 对 数 通 过 控制 i q即可控制 转 矩， 与直流有刷 电 机相同 d-q座標 下的电机框图 将上式整理可得用 -座標系 表示的电机 状態 方程 永磁同步电机基本矢量图 永磁同步电机 Id=0控制下的矢量图 三菱无位置传感器 伺服产品简介
