永磁交流伺服電機(jī)原理

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1、永磁交流伺服電機(jī)原理近年來由于無刷式伺服（馬達(dá)）電機(jī)(brushlessservomotor)制造與控制技術(shù)的急速發(fā)展，再加上大規(guī)模集成電路與半導(dǎo)體功率組件的進(jìn)步，使其商品化產(chǎn)品日益增多，在高性能伺服應(yīng)用場(chǎng)合如計(jì)算機(jī)控制數(shù)值工具機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等，均已逐漸取代了傳統(tǒng)式的有電刷的直流伺服電機(jī)(dcservomotor)。無刷式伺服電動(dòng)機(jī)主要可分為兩大類(表1)(1)無刷式直流伺服電機(jī)(brushlessdcservomotor)，一般亦稱的為永磁式同步電機(jī)(PMsynchronousmotor)或永磁式交流伺服電機(jī)(PMacservomotor)，(2)

2、感應(yīng)式交流伺服電機(jī)(inductionacservomotor)。無刷式直流伺服電機(jī)采用內(nèi)裝式的霍爾效應(yīng)(Hall-effect)傳感器組件來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置以決定功率組件的觸發(fā)時(shí)序，其效用有如將直流伺服電機(jī)的機(jī)械式電刷換相(mechanicalcommutation)改為電子式換相(electroniccommutation)，因而去除了直流伺服電動(dòng)機(jī)因電刷所帶來的限制。目前一般永磁式交流伺服電機(jī)的回接組件多采用解角器(resolver)或光電解編碼馬器(photoencoder)，前者可量測(cè)轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置，后者則祇能測(cè)得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相對(duì)位置，電子換

3、相則設(shè)計(jì)于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。表1　伺服電機(jī)的分類永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)如圖1(a)所示，其永久磁鐵在外，而會(huì)發(fā)熱的電樞線圈(armaturewinding)在內(nèi)，因此散熱較為困難，降低了功率體積比，在應(yīng)用于直接驅(qū)動(dòng)(direct-drive)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)因熱傳導(dǎo)而造成傳動(dòng)軸(如導(dǎo)螺桿)的熱變形。但對(duì)交流伺服電機(jī)而言，不論是永磁式或感應(yīng)式，其造成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電樞線圈，如圖1(b)所示，均置于電機(jī)的外層，因而散熱較佳，有較高的功率體積比，且可適用于直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。交流電機(jī)依其扭矩產(chǎn)生方式可分為兩大類(1)同步交流電機(jī)(synchronousacmotor)與(2)感應(yīng)交

4、流電機(jī)(inductionacmotor)，同步交流電機(jī)因其轉(zhuǎn)子可由外界電源或由本身磁鐵而造成的磁場(chǎng)與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)交互作用而達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，但是感應(yīng)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子則因定子與轉(zhuǎn)子間的變壓器效應(yīng)(transformereffect)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場(chǎng)，為了維持此感應(yīng)磁場(chǎng)以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，轉(zhuǎn)子與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間必須有一相對(duì)運(yùn)動(dòng)—滑差(slip)，因此感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無法達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。感應(yīng)交流電機(jī)因其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為(1)鼠籠式(squirrel-cagetype)與(2)繞線式(wound-rotortype)。鼠籠式感應(yīng)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、不需磁性材料，

5、容易大量制造，有較高的功率/體積比，較低的轉(zhuǎn)子慣量，較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。同時(shí)因?yàn)椴恍枰鎏妓⒌木S修，因而降低了維護(hù)費(fèi)用，其堅(jiān)固、耐溫、防爆等特性均適合應(yīng)用于環(huán)境惡劣的工作場(chǎng)所。由于上述的優(yōu)點(diǎn)，鼠籠式感應(yīng)電機(jī)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，而隨著交流伺服技術(shù)的快速發(fā)展，未來更將應(yīng)用于高精度、高轉(zhuǎn)速、高容量的伺服機(jī)械系統(tǒng)。圖1　(a)永磁式直流伺服電機(jī)與(b)永磁式交流伺服電機(jī)的剖面圖2.　永磁式交流伺服電機(jī)的工作原理電機(jī)的工作原理可以「弗萊明左手定則」來說明，弗萊明左手定則可用來判斷一根載有電流的導(dǎo)線置于磁場(chǎng)中時(shí)其受力的方向。若以左手的食指表示磁場(chǎng)方向，中指表示

6、電流方向，則大姆指表示此導(dǎo)線受力的方向，如圖2所示的電流方向，則環(huán)狀線圈受磁場(chǎng)的作用，將順正時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的扭矩T可以下式表示　　　　　(1)其中K為比例常數(shù)，I?為流經(jīng)線圈的電流，B?為永久磁鐵所造成的磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖2　電機(jī)的工作原理?圖3　永磁式交流伺服電機(jī)控制方塊圖永磁式交流伺服電機(jī)的工作原理可以圖3說明，由晶體管三相換流器(inverter)經(jīng)由脈寬調(diào)變(pulsewidthmodulation)在電機(jī)的定子造成一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子永久磁鐵所造成的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩。電子換相器(electroniccommutator)的目的即在于

7、使定子所造成的磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)子永久磁鐵的磁場(chǎng)方向保持垂直，而產(chǎn)生最大的扭矩，為了達(dá)到這個(gè)目的可經(jīng)由解角器的回授由電子換相器來達(dá)成。在解角器的初級(jí)線圈施以90相位差的交流電壓?與(如圖3所示)，則在次級(jí)線圈隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度θ，由變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的交流電壓，此交流電壓經(jīng)由回授，由相位同步器將三相參考電壓、、?、轉(zhuǎn)換為、、?，其中Vm為激磁電壓的最大值，為交流電壓的角頻率。、、?即為三相換流器的調(diào)變信號(hào)(modulationsignals)，換流器將相位差120的三相交流電壓施于電機(jī)的定子，如圖3所示A、B、C三相的電流分別以IA、?IB、IC表示，其最大值為

8、Im，各相電流(phasecurrent)可表示為　　　　　(2)　(3)　(4)設(shè)Bm為轉(zhuǎn)子永久磁鐵所造磁