交流永磁同步电动机伺服系统

AC Servo Drive System of Permanent Magnet Synchronous Motor 
(中石化)上海石化公司 刘亮喜 
Liu Liangxi 
摘 要:本文讨论伺服驱动系统的基本概念，永磁同步电动机伺服系统的主要结构以及西门子永磁同步伺服电动机产品1FK6/1FT6 
关键词:伺服驱动系统 正弦波脉宽调制永磁同步电机伺服系统 无刷直流电机伺服系统 永磁同步伺服电动机 
Abstract:This paper describes base priciple of servo system,chief construction of
 servo system for pm.sm and product 
1FK6/1FT6 of pm sm servomotor. 
Keywords:Servo drive system spwm.pm.sm BLDCM(Busless direct current motor) synchronous servo motor 


1 伺服系统的基本概念 
1.1 名词 
“伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思 。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动;讯号来到之后，转子立即转动;当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系统。 
1.2 定义 
　　伺服系统—是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。 
　　伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。 
1.3 伺服系统的组成 
　　伺服系统如图1所示，是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。 
1.4 伺服系统的性能要求 
　　伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。 
1.5 伺服系统的种类 
　　通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。 
伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。 
　　电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统二大类。AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。 
　　这里只讨论电气式伺服系统中的一种—交流永磁同步电机伺服系统。 

2 交流永磁同步电机伺服系统 
　　伺服驱动系统能够忠实地跟随控制命令而动作，例如数控机床和工业机人，伺服驱动技术对产品的性能有重要影响，甚至起关键作用。故需进一步认识伺服驱动系统在其中的地位和作用。 
2.1 AC伺服系统 
　　电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。 
早在70年代，小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展，逐步实用化，AC伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代DC伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。 
在AC伺服系统中，可分为同步和异步型AC伺服系统两种。 
AC伺服系统—→异步型—-→两相异步机; 
→三相异步机(力距电机)。 
→同步型→磁阻式(开关式); 
→磁滞式(反应式); 
→永磁式。 
　　永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高，价格不断下降，控制又比异步电机简单，容易实现高性能的缘故，所以永磁同步电机的AC伺服系统应用更为广泛。 
目前，在交流同步伺服驱动系统中，普通应用的交流永磁同步伺服电动机有两大类。一类称为无刷直流电动机，它要求将方波电流直入定子绕组。详见参改文献;如一类称为三相永磁同步电动机，它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形。详见参改文献⑵。前者简称为BLDCM电机，后者简称PM·SM电机。 
2.2 以数控机床为例看AC永磁同步机伺服系统 
图2表示数控机床伺服控制系统的构成。 
　　系统由计算机数字控制(CNC)、伺服驱动器(SD)、永磁同步伺服电动机(SM)及位置(速度)传感器(S)等组成。 
CNC用来存储零件加工程序、进行各种插补运算和软件实时控制，向各坐标轴的伺服驱动系统发出各种控制命令。 
SD和SM接收到CNC的控制命令后，快速平滑调节运动速度并精确地进行位置控制。 
S代表位置和速度传感器(或检测器) 
目前AC伺服系统常用的位置和速度检测器有光电式和电磁式两种。例如光电编码器、磁编码器、旋转变压器(BR)以及多转式绝对值编码器。后面二种，可作多种检测功能应用，既可检测系统位置和转子速度，又可检测系统位置和转子速度，又可检测转子磁极位置。它坚固耐用，不怕震动，耐高温，惟存在信号处理电路复杂缺点。 
无刷直流电动机(BL、DCM)中转子磁极位置检测方法，一般都做到无接触式，常用的有电磁式、光电式和间接检测方式。 
(1) 电磁式:a.差动变压器式;b.接近开关式; 
(2) 磁敏式:霍尔元件集成电路及模快; 
(3) 光电式:a.简单光电式(光敏晶体管); 
b.绝对式光电编码盘; 
c.增量式光电编码盘。 
(4) 间接式:利用电枢绕组的感应电动势(电压)间接检测转子磁极位置。它用于精度要求不高的场合。 
数控机床用于精密机械加工，所以对伺服系统的动态和静态精度有很高的要求，并具有宽广的调速范围和定位精度而工业机器人的伺服系统结构类似，但伺机服电动机SM作为工业机器人手臂和腰、腿的驱动执行元件，要求其体积小，重量轻，且能产生大转距。又由于工业机器人不同的运动姿态，伺服电机轴上惯量和力矩将发生很大变化，因此，适应性有更高要求。 
2.3 交流永磁同步电动机AC伺服系统 
　　图3是交流永磁同步电动机AC伺服系统。它由永磁同步伺服电动机SM1速度和位置传感器BR、PWM功率逆变器UI以及具有PI功能的速度控制器ASR和电流控制器ACR等部分组成。 
AC伺服系统工作原理如下:速度指令和速度反馈信号在ASR速度控制器的输入端比较，ASR输出信号为电流指令信号在乘法器中相乘就得到交流电流指令。交流电流指令值与电流反馈信号相比较后，差值送入ACR电流控制器。 
　　PWM或SPWM(正弦脉冲宽度调制)波形生成电路及功率逆变器，输出三相变压变频的交流电给永磁同步电动机SM的定子绕组，并使输入电枢绕组中的交流电流保持良好的正弦性。(SM转子装有特殊形状的永磁体，产生恒定磁场，因此提高SM的效率)。 
　　交流三相永磁同步电动机伺服系统举例: 
　　无刷直流电动机BLDCM可以用作AC伺服系统，但不是它唯一的应用，主要用作大型设备起动和调速装置。同样PM、SM也不仅仅可以用作AC伺服系统，主要还是用于他控式永磁同步电动机变频调速系统。但是三相SPWM、PM、SM交流伺服系统具有更优越的低速伺服性能，因而广泛用于数控机庆，工业机器人等到高性能伺服系统中。 
现以某公司的AC 伺服系统产品为例说明。 
图4为SPWM型三相PM、SM矢控制的交流伺服系统原理图。 
图中，BR-旋转变压器，FWC-弱磁控制环节‘ 
ASR-速度调节器， Π-乘法器， 
ACR-电流调节器， Σ-加法器， 
　　旋转变压器在该系统中用来检测磁极位置和转子速度。旋转变压器的励磁信号的角频率要求远大于PM、SM电动机转子角速度，并且频率必须非常稳定，正弦、余弦励磁信号相位应该严格正交关系，才能提高检测精度和可靠性，因此，系统中采用3.795MHZ晶体振荡器。 
　　系统中还有转子磁极位置信号的解调环节及转子速度信号的解调环节。 
　　该伺服系统控制将静止坐标系中的直流量工q(转矩电流)工d(去磁电流)变换为旋转坐标系中的二相交流量工α 、工β，然后通过2/3变换为三相电流工A、工B、工C、再利用电流负反馈构成电流闭环，使PM、SM电动机定子绕组中三相电流与指令保持一致。 
　　SPWM、PM、SM交流伺服系统，在定子绕组内通入三相正弦电流以便获得更好的平稳性以及优越低速的伺服特性。 

3 西门子公司同步伺服电动机1Fk6/1FT6系列 
(SIEMENS SYNCHRONOUS SERVOMOTORS) 
3.1 西门子公司伺服电动机 
SIEMENS伺服电动机有同步伺服电动机1FK6/1FT6和异步伺服电动机IPA6/IPL6两种。这里只讨论同步伺服电动机1FK6/1FT6系列。 
⑴1FK6伺服电动机是标准伺服电动机，无法兰联接的永磁同步电动机。自然冷却，防护等级IP64。 功率0.5~5.2KW转矩0.8~16.5NM 
⑵1FT6伺服电动机是永磁同步电动机。防护等级IP64 
自然冷却 0.5~15.5KW，0.8~88NM。 
强迫通风 6.9~34.6kW，17~160NM。 
水冷却11~27.6kW, 17~78NM. 
详见SIEMENS产品样本资料，DA65.3、1998(P．2/1~2/8) 
3.2 1Fk6/1FT6同步伺服电动机特点: 
1FK6/1FT6是三相稀土永磁同步电动机。 
⑴高静态转矩，大过载能力，可以很快加速。 
Mmcx=1.6~3.0Me(额定力矩)。 
⑵动态响应品质优良。 
可以上升时间短,到达预期位置没有超调 
⑶具有很精确的位置分辨率 
一般情况下, 1FK6用于小功率范围(≤5.2kW) 
1FT6用于较大功率范围(≤27.6kW) 
3.3 西门子永磁同步伺服电动机功率的选择 
根据转矩来选择电机功率 
转矩均方根值 
转速平均值 
式中:T—周期,A-起始,E—终结,I—某瞬时, 
伺服电机选择原则: 
⑴负载曲线上所有Mrms必须在电机转矩极限曲线S1的下方; 
⑵负载曲线上所有nmean必须小于电机的额定转速。 
3.4 变频器容量如何与同步电动机匹配？ 
⑴娈频器种类可以选用多种型式 
①SIEMENS MASTER DRIVES VC—IFX6 
②SIEMENS MASTER DRIVES MC—IFK6/IFT6 
③SIEMENS SIMO DRIVES —1FT6 
⑵变频器容量选用原则: 
对于同步伺服电动机1FK6/1FT6。 
同步伺服电动机平均电流计算公式: 

式中:kTn—电动机转矩常数 
变频器容量(额定电流)选用公式:I0≤Ivn 
式中:I0—电动机转停车时的电流， 
Ivn—变频器的额定电流。 
实际上，SIEMENS公式有表格提供可查到1FK6/IET6什么电机应匹配什么变频器。无需具体计算。 
详见SIEMENS技术资料DA65.11 1999(p4/4→4/13) 

4 三相正弦波永磁同步伺服系统(SPWM、PM、SM)和无刷直流电动机(BLDCM)的比较 
　　三相永磁同步电动机(PM、SM)是AC伺服系统中关键环节。主要有二大类: 
(1) 无刷直流电动机(BLDCM)，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电动机(BLDCM)是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子。将有刷直流电动机的定子和转子颠倒一下，并采用永磁转子，就可以省去机械换向器和电刷，由此得名无刷直流电动机。 
参见图5所示BLDCM系统框图。 
参见图6所示AC伺服电动机控制系统框图。 
上述两类永磁同步伺服电动机也可从永磁体转子磁场定子相绕组中感应电动势力波形来区分。BLDCM定子每相感应电动势为梯形波，为了产生恒定的电磁转矩，要求功率逆变器向BLDCM定子输入三相对称方波电流，而SPWM、PM、SM定子每相感应电动势为近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。 
图7为PM、SM和BLDCM两种电动机对比波形。 
图中，Bm—永磁体磁通密度， 
Ea—定子每相感应电动势， 
Ia—定子每相电流， 
Pa,Pb，Pc—定子每相功率， 
P—总功率。 
综上所述两类永磁AC同步伺服电动机的差异归纳如下:表1 
比较图5和图6，控制原理相似，给定指令信号加到AC伺服系统的输入端，电动机轴上位置反馈信号与给定位置相比较，根据比较结果控制伺服的运动，直至达到所要求的位置为止。PM、SM和BLDCM二类伺服系统构成的基本思路是一致的。但PM、SM伺服系统要求定子输入三相正弦波电流，可以获得更好的平稳性，具有更优越的低速伺服性能。因而广泛用于数控机床，工业机器人等高性能伺服驱动系统中。 

5 结语(AC伺服系统的发展趋势) 
　　(1) 伺服驱动技术由DC伺服系统迅速地向AC伺服系统转化，可以预见在不久的将来，AC伺服系统将完全取代DC伺服系统。 
　　(2) AC伺服系统向两个方向发展: 
　　一个方向是简易、低成本AC伺服系统，例如简易数控机床，办公室自动化设备、家用电器计算机外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制，它是一个量大面广的不可忽视的应用领域，势将迅速发展和扩大。 
另一个方面是更高性能、全数字化智能化软件伺服系统，以满足高精度、数控机床、机器人特别加工装备精细进给的需要。它将代表AC伺服系统发展水平和主导方向，亦将成为AC伺服系统的发展主流。 

6 参考文献 
(1) “无刷直流电动机原理及其应用”刘亮喜编 技术培训资料。 2000．10 
(2) “稀土永磁同步电动机及他控式变频调速系统”刘亮喜 编 技术培训资料。 2000．7 
(3) 《交流伺服系统》书，机械工业社 郭庆鼎编 
(4) Siemens公司技术资料 
a. DA 65.3 1998 Synchrnous Servomtor IFk6/1ET6。 
b. DA 65．1 1999 VVVF of Motion Control。