永磁交流伺服電機(jī)應(yīng)用中需重點(diǎn)考慮的幾個問題

引言

　　由于永磁交流伺服電機(jī)具有響應(yīng)快、功率密度大、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，目前在自動化應(yīng)用等行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是在應(yīng)用中，很多工程師對：永磁交流伺服電機(jī)繞組相序和編碼器信號相序如何判別；電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)kt和ke的意義及如何在工程計(jì)算中有效利用這兩個參數(shù)；如何理解電機(jī)功率；工程應(yīng)用上如何利用這些參數(shù)等問題存在困惑。因此本文針對對這些問題，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以供讀者參考。
　　永磁交流伺服電機(jī)的基本原理

　　pmsm的定子繞組結(jié)構(gòu)為三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為表面貼裝式永磁結(jié)構(gòu)或內(nèi)嵌式永磁結(jié)構(gòu)，其繞組反電動勢為正弦波，當(dāng)給電機(jī)定子繞組通入三相對稱的正弦波電流時，電機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)的電磁轉(zhuǎn)矩。pmsm的轉(zhuǎn)子永磁體在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生接近正弦波的磁場，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時就在電樞繞組上感生接近正弦波的反電動勢。pmsm的三相電樞繞組與180導(dǎo)通型半橋逆變電路相連接，驅(qū)動電壓是經(jīng)由空間矢量脈寬調(diào)制的脈沖電壓。電動機(jī)運(yùn)行時，三相電樞繞組同時接通，在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生“連續(xù)式”圓形旋轉(zhuǎn)磁場。為了實(shí)現(xiàn)伺服控制，pmsm的位置傳感器可以采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器，目前工業(yè)應(yīng)用較多的是增量式光電編碼器。伺服驅(qū)動的編碼器一般需要兩組信號：
　　1）a，b，z信號，其中a，b兩路脈沖相位差90，這樣可以方便的判斷電機(jī)轉(zhuǎn)向；z信號，則每轉(zhuǎn)輸出一個脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位（目前雷賽伺服不需要z信號）。
　　2）u，v，w信號：三路脈沖信號彼此相位差120，每轉(zhuǎn)所發(fā)出的脈沖個數(shù)與電機(jī)極對數(shù)一致。根據(jù)u，v，w信號的高低電平關(guān)系就可以判斷電動機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置。
　　在電動機(jī)啟動前，根據(jù)u，v，w三路脈沖信號電平高低關(guān)系就可以估算出電動機(jī)磁極現(xiàn)在的位置。一旦電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來，a，b信號則可精確檢測出轉(zhuǎn)子位置角度。
　　目前的主流pmsm伺服驅(qū)動基本都采用矢量控制技術(shù)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　永磁交流伺服電機(jī)的相序如何定義或判別

　　在pmsm伺服電機(jī)的生產(chǎn)過程中，需有一道重要裝配調(diào)試工序來確保電機(jī)三相繞組反電動勢與編碼器信號u,v,w的合適相位關(guān)系，具體解釋如圖2、3、4、5所示。

　　永磁交流伺服電機(jī)的kt和ke
　　1）永磁電機(jī)的反電動勢常數(shù)ke
　　只要電機(jī)在轉(zhuǎn)動，必然會有線圈切割磁力線，所以會有反電動勢產(chǎn)生。對于具體的某型號電機(jī)，其轉(zhuǎn)動速度越快，則產(chǎn)生的反電動勢電壓越高。也即反電動勢電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。反電動勢常數(shù)ke 就是用來表示這種比例關(guān)系的。
　　ke=e/n（式中e為反電動勢，單位為v；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速:單位為krpm）。
　　例：用對拖的方法帶動某電機(jī)以3000rpm的速度旋轉(zhuǎn)，測得該電機(jī)的a相與b相之間的電壓為30v，則其ke計(jì)算方法如下：
ke=e/n=30v/3krpm=10v/krpm
　　2）永磁直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt
　　對于具體的某型號電機(jī)，通過電機(jī)繞組電流越大，則電機(jī)軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大。也即電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)繞組電流成正比。轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt就用來表示電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與通過電機(jī)繞組電流之比。
　　kt=t/i
　　（式中t為轉(zhuǎn)矩:nm，i為電流:a）
　　例：測得某電機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)矩為0.35nm，測得此時的繞組電流為5a，則其kt計(jì)算方法如下：
　　kt=t/i=0.35/5=0.07nm/a
　　3） 永磁交流伺服電機(jī)的kt和ke的關(guān)系
　　永磁直流電機(jī)的反電動勢常數(shù)ke和轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt的關(guān)系：
　　當(dāng)以角速度(1/s)單位進(jìn)行計(jì)算時：
　　ke=w×p×φ/π=kt
　　上式中：w—每極總計(jì)算導(dǎo)體數(shù)
　　b—計(jì)算直徑柱面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度
　　p—極對數(shù)
　　φ—每極磁通…………φ=lτb
　　所以你要知道，其實(shí)對于具體某個電機(jī)，你只要知道其反電動勢常數(shù)ke和轉(zhuǎn)矩常數(shù)kt這兩個參數(shù)的任何一個，則另外一個就知道了。一個重要公式：
　　kt=ke÷104.7（式中kt的單位為nm/a；ke單位為v/krpm）
　　例如:某電機(jī)的ke=9.39v/krpm,請問該電機(jī)的是kt多大？簡易工程計(jì)算方法如下：
　　kt=ke÷104.7
　　=9.39÷104.7
　　=0.0897nm/a
　　永磁交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量
　　伺服驅(qū)動器對于伺服電機(jī)所帶的負(fù)載慣量的要求是，適用負(fù)載慣量為小于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的5倍，所以，較大的電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，可帶較大的負(fù)載慣量，但電機(jī)的機(jī)械時間常數(shù)會增大，電機(jī)對速度的響應(yīng)會降低；較小的電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，電機(jī)的機(jī)械時間常數(shù)小，電機(jī)對速度的響應(yīng)反應(yīng)快，但所容許電機(jī)所帶的負(fù)載慣量不能大。
　　永磁交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率