伺服电机技术及其应用-课件.ppt

1、伺服电机技术及应用伺服电机技术及应用Ac Servo Motor Technology and Application1pptppt课件课件 典型伺服驱动系统2pptppt课件课件 可清晰看见的碳刷可清晰看见的碳刷3pptppt课件课件 锂电池的电动自行车应用的是一个无刷直流马达（提供驱动动力）4pptppt课件课件 5pptppt课件课件6pptppt课件课件7pptppt课件课件永磁同步电机定子是三相绕组，与传统感应电机类似，转子是永磁铁，驱永磁同步电机定子是三相绕组，与传统感应电机类似，转子是永磁铁，驱动器控制的动器控制的U/V/WU/V/W三相电形成旋转磁场，转子在此磁场的作用下转动，

2、转三相电形成旋转磁场，转子在此磁场的作用下转动，转动速度满足公式动速度满足公式60f/p60f/p的约束，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，的约束，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整各项参数驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整各项参数.永磁同步电机电流为正弦波波形，永磁同步电机电流为正弦波波形，180180度导通度导通PWMPWM控制控制8pptppt课件课件以下分别为两种转子形式的永磁同步伺服电机剖面结构以下分别为两种转子形式的永磁同步伺服电机剖面结构切向式转子结构表贴式转子结构9pptppt课件课件矢量控制矢量控制-目前最流行的控制方法目前最

3、流行的控制方法近年来近年来,采用全数字控制方法采用全数字控制方法,以永磁同步电机为控制对象的全以永磁同步电机为控制对象的全数字交流驱动系统正在逐渐取代以直流电机为控制对象的直流数字交流驱动系统正在逐渐取代以直流电机为控制对象的直流驱动系统和采用模拟控制技术的模拟式交流驱动系统。驱动系统和采用模拟控制技术的模拟式交流驱动系统。全数字交流驱动系统采用矢量控制方法全数字交流驱动系统采用矢量控制方法,可实现优良的控制品可实现优良的控制品质。利用高速质。利用高速DSPDSP可实现对永磁同步电机运行的位置、速度和可实现对永磁同步电机运行的位置、速度和电机电枢电流（转矩）的控制。电机电枢电流（转矩）的控制。

4、矢量控制的基础是两次坐标变换矢量控制的基础是两次坐标变换10pptppt课件课件ClarkeClarke变换变换从静止三相到静止两相，原则是磁场等效从静止三相到静止两相，原则是磁场等效ParkPark变换变换从静止两相到运动两相从静止两相到运动两相将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量IdId和产生转矩的转矩电流和产生转矩的转矩电流分量分量IqIq，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。11pptppt课件课件同一个永磁同步电机，矢量控制时在采取不同的控制策略的情况下同一个永磁同步电机，矢量控制时

5、在采取不同的控制策略的情况下，表现出的性能有一定的差别。，表现出的性能有一定的差别。永磁同步电机工作时的等效电路，可以得到电势平衡关系。永磁同步电机工作时的等效电路，可以得到电势平衡关系。Id=0的控制策略的控制策略D D轴电流为轴电流为0 0，绕组中的电流没有去磁分量，全部是，绕组中的电流没有去磁分量，全部是能够产生转矩的电流，其转子磁场永远垂直定子磁能够产生转矩的电流，其转子磁场永远垂直定子磁场场12pptppt课件课件13pptppt课件课件变频器通常有以下几部分组成：变频器通常有以下几部分组成：1.1.控制板（含控制板（含DSPDSP处理器）处理器）2.2.驱动板驱动板3.3.功率模块

6、功率模块高压通常为高压通常为IGBTIGBT模块，低压很多为模块，低压很多为MOS,MOS,将功率器件封装起来，同时模块上有很将功率器件封装起来，同时模块上有很多保护功能，如过温保护、过流保护等多保护功能，如过温保护、过流保护等4.4.接口板（各种接口）接口板（各种接口）5.5.冷却底板（模块安装底板）冷却底板（模块安装底板）6.6.冷却风机冷却风机7.7.显示及调整按钮部分显示及调整按钮部分8.8.壳体壳体14pptppt课件课件 进入本世纪以来，永磁同步电机在中国获得了飞速发展，包括电梯电机、进入本世纪以来，永磁同步电机在中国获得了飞速发展，包括电梯电机、工业控制电机、节能高效电机等广泛领

7、域。产品形式包括高速、低速大扭矩工业控制电机、节能高效电机等广泛领域。产品形式包括高速、低速大扭矩（DDRDDR）各种范围。）各种范围。不论是高速、低速（不论是高速、低速（DDRDDR）永磁同步电机的快速发展，都有共同的原因是基）永磁同步电机的快速发展，都有共同的原因是基于以下三个因素：于以下三个因素：1.1.永磁同步电机设计技术及工艺的快速发展永磁同步电机设计技术及工艺的快速发展各种研究永磁同步技术的文章占据了各专业期刊的主流位置，从设计技术上来各种研究永磁同步技术的文章占据了各专业期刊的主流位置，从设计技术上来说，国内并不亚于国外。说，国内并不亚于国外。2.2.磁性材料钕铁硼防止氧化及高温

8、特性问题的解决，材料成本的大磁性材料钕铁硼防止氧化及高温特性问题的解决，材料成本的大幅下降。幅下降。这是国内最具优势的地方，而且随着国家政策收紧稀土出口，这个优势会越来这是国内最具优势的地方，而且随着国家政策收紧稀土出口，这个优势会越来越大。稀土在国内外价格的差异甚至会导致设计人员在设计思路上的不同，老越大。稀土在国内外价格的差异甚至会导致设计人员在设计思路上的不同，老外习惯于设计较薄的磁钢，而国内设计人员选择设计较厚的磁钢，少用漆包线外习惯于设计较薄的磁钢，而国内设计人员选择设计较厚的磁钢，少用漆包线的也很多，因为较厚的磁钢对于防止退磁方面也有一定的好处。的也很多，因为较厚的磁钢对于防止退磁

9、方面也有一定的好处。15pptppt课件课件3.3.可靠、价格便宜的永磁同步通用变频器的出现可靠、价格便宜的永磁同步通用变频器的出现用户要购买和使用的是一个系统，变频器和电机是鸟之两翼，用户要购买和使用的是一个系统，变频器和电机是鸟之两翼，缺一不可。缺一不可。永磁同步电机产业化的代表是永磁同步曳引机，从全球来说，曳引机在中国的永磁同步电机产业化的代表是永磁同步曳引机，从全球来说，曳引机在中国的发展最好，在电梯领域里，它几乎有全面取代感应电机之势。发展最好，在电梯领域里，它几乎有全面取代感应电机之势。在这一领域里，出现了一批快速成长壮大的企业，如沈阳蓝光、顺德在这一领域里，出现了一批快速成长壮大

10、的企业，如沈阳蓝光、顺德KDSKDS、宁波、宁波欣达、常熟曳引机厂、西子富沃德等。短短几年时间，他们的产值几乎从零开欣达、常熟曳引机厂、西子富沃德等。短短几年时间，他们的产值几乎从零开始，现在都达到了五、六个亿的规模。足以说明中国这个市场的发展多么迅猛。始，现在都达到了五、六个亿的规模。足以说明中国这个市场的发展多么迅猛。中国稀土材料及制造费用的低廉，是我们发展永磁同步伺服电机的巨大优势。中国稀土材料及制造费用的低廉，是我们发展永磁同步伺服电机的巨大优势。16pptppt课件课件武汉直驱机电武汉直驱机电-必须牢牢把握的两类产品必须牢牢把握的两类产品1.1.低速大扭矩永磁同步电机（低速大扭矩永磁

11、同步电机（DDRDDR电机）电机）2.2.大功率永磁同步电机大功率永磁同步电机基于我们对市场的了解以及公司进行的一些市场调研来看，目基于我们对市场的了解以及公司进行的一些市场调研来看，目前国内还很少有以上两类产品，这两类电机在设计上、工艺上、前国内还很少有以上两类产品，这两类电机在设计上、工艺上、制造上均存在较高的进入门槛。制造上均存在较高的进入门槛。如如DDRDDR电机，国际上有少量的类似产品，但其转矩多是峰值转电机，国际上有少量的类似产品，但其转矩多是峰值转矩，而且是水冷，这使其设计转矩并没有标称的那么大，而且矩，而且是水冷，这使其设计转矩并没有标称的那么大，而且其偏重于精确的速度及位置控

12、制、动态性能等其偏重于精确的速度及位置控制、动态性能等,即伺服特性，即伺服特性，与我们的产品注重效率及节能并不一样，两者有不同的市场和与我们的产品注重效率及节能并不一样，两者有不同的市场和需求。需求。17pptppt课件课件 公司产品分为低速大扭矩直驱电机、常规永磁同步伺服电机两大系列。公司产品分为低速大扭矩直驱电机、常规永磁同步伺服电机两大系列。功率范围从功率范围从13.5kW13.5kW到到900kW900kW，转速范围从，转速范围从30RPM30RPM到到3000RPM3000RPM，转矩范围，转矩范围从从100Nm100Nm到到60000Nm60000Nm。伺服电机由电机定子、转子、结

13、构件、反馈元件、冷却系统等各部分伺服电机由电机定子、转子、结构件、反馈元件、冷却系统等各部分组成，电机均使用钕铁硼强磁材料，采用正弦波磁路设计。根据使用场合组成，电机均使用钕铁硼强磁材料，采用正弦波磁路设计。根据使用场合的不同，反馈元件有采用旋转变压器、编码器、霍尔等，也有采用无传感的不同，反馈元件有采用旋转变压器、编码器、霍尔等，也有采用无传感器方式。器方式。低速大扭矩直驱电机，去掉了传统传动系统中低速大扭矩直驱电机，去掉了传统传动系统中的减速机构，改为直接驱动客户负载，是永磁的减速机构，改为直接驱动客户负载，是永磁同步电机发展的方向之一，该电机一般采用多同步电机发展的方向之一，该电机一般采

14、用多极设计，电机转速一般在极设计，电机转速一般在500RPM500RPM以下。以下。常规永磁同步伺服电机，在常规永磁同步伺服电机，在Y Y系列的机座系列的机座号上设计，可以直接替代用户原有使用的异步号上设计，可以直接替代用户原有使用的异步电机系列，降低用户的替代成本。电机系列，降低用户的替代成本。18pptppt课件课件基于多领域分析与仿真的永磁同步电机系统优化设计基于多领域分析与仿真的永磁同步电机系统优化设计19pptppt课件课件对于永磁同步伺服电机，在多领域拥有先进的设计和对于永磁同步伺服电机，在多领域拥有先进的设计和分析方法和手段：分析方法和手段：公司拥有基于多领域分析与仿真的开发手段

15、，对电机公司拥有基于多领域分析与仿真的开发手段，对电机及控制系统进行应力场分析，电磁场分析和温度场分及控制系统进行应力场分析，电磁场分析和温度场分析及仿真。确保开发出来的电机及驱动系统的最优化，析及仿真。确保开发出来的电机及驱动系统的最优化，同时最大限度的缩短设计和开发周期，在最短的周期同时最大限度的缩短设计和开发周期，在最短的周期内提供给客户最好的产品。内提供给客户最好的产品。20pptppt课件课件应力场分析：以下是一个铸钢的前端盖，在壳体承重之下，端应力场分析：以下是一个铸钢的前端盖，在壳体承重之下，端盖止口的最低安全系数（盖止口的最低安全系数（FOSFOS）为）为60.860.8倍，最

16、大应力为每平米倍，最大应力为每平米40700004070000牛，最大位移为牛，最大位移为5 5微米。微米。分析结果显示止口设计是一个安全的设计。具有足够的强度确分析结果显示止口设计是一个安全的设计。具有足够的强度确保在重载之下不会出任何问题。保在重载之下不会出任何问题。21pptppt课件课件电磁场有限元分析及仿真：电磁场有限元分析及仿真：从电磁场分析的结果，可以看出磁路设计是否正确，磁密分布从电磁场分析的结果，可以看出磁路设计是否正确，磁密分布是否合理，电机的反电势和效率等关键指标是否最优化是否合理，电机的反电势和效率等关键指标是否最优化 22pptppt课件课件电机温度场分析及仿真：电机

17、温度场分析及仿真：联合电磁场分析的结果，对电机的温度场进行初步的仿真分析，联合电磁场分析的结果，对电机的温度场进行初步的仿真分析，可以观察到，特定情况下电机的发热情况。可以观察到，特定情况下电机的发热情况。23pptppt课件课件直驱塔式抽油机直驱塔式抽油机1.1.直接驱动，去掉减速环节，直接驱动，去掉减速环节，可靠性高。可靠性高。2.2.旋转电机设计，电机除需旋转电机设计，电机除需定期补充润滑脂外，无需其定期补充润滑脂外，无需其他维护。他维护。3.3.系统效率高，节能显著。系统效率高，节能显著。4.4.良好的系统可调节性。良好的系统可调节性。24pptppt课件课件控制房控制房25pptpp

18、t课件课件26pptppt课件课件27pptppt课件课件以节能为目的直接替换原有感应电机，数量巨大以节能为目的直接替换原有感应电机，数量巨大28pptppt课件课件29pptppt课件课件一个从无到有的市场，已经发展非常之好一个从无到有的市场，已经发展非常之好30pptppt课件课件31pptppt课件课件32pptppt课件课件33pptppt课件课件 传统的交流感应电机可分为鼠笼式传统的交流感应电机可分为鼠笼式和绕线式两种。和绕线式两种。鼠笼式转子的异步电动机结构简单、鼠笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用。绕线式三相

19、异步电动了广泛的应用。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。的起动性能和调节电动机的转速。34pptppt课件课件当电动机的三相定子绕组（各相差当电动机的三相定子绕组（各相差120120度电角度），通入三相交流电后，将产生一度电角度），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（

20、转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。向相同。35pptppt课件课件感应电机感应电机+变频器变频器 Vs Vs 永磁同步（伺服）电机永磁同步（伺服）电机+变频器：变频器：1.1.由于不需要从电网吸收无功电流，转子上既无铜耗又无铁耗，所以由于不需要从电网吸收无功电流，转子上既无铜耗又无铁耗，所以永磁同步电机在很宽的负载范围内能保持接近于永磁同步

21、电机在很宽的负载范围内能保持接近于1 1的功率因素，而感的功率因素，而感应电机的功率因素较低，尤其在负载较小的情况下。应电机的功率因素较低，尤其在负载较小的情况下。2.2.永磁同步电机效率比同容量的感应电机效率高，同时高效区宽广。永磁同步电机效率比同容量的感应电机效率高，同时高效区宽广。3.3.永磁同步电动机的功率密度远比感应电机高永磁同步电动机的功率密度远比感应电机高4.4.感应电机低速运转时转矩变小，发热厉害。而永磁同步电机没有此感应电机低速运转时转矩变小，发热厉害。而永磁同步电机没有此问题。问题。5.5.永磁同步电机的控制精度高。永磁同步电机的控制精度高。而中国丰富的稀土资源使永磁同步电

22、机价格已经逼近交流感应电机。而中国丰富的稀土资源使永磁同步电机价格已经逼近交流感应电机。其性能又是感应电机其性能又是感应电机+变频器的组合无法超越的。变频器的组合无法超越的。36pptppt课件课件一台注塑机永磁同步伺服电机在运行时的功率曲线两台注塑机的测试时间均为一个小时，注塑循环周两台注塑机的测试时间均为一个小时，注塑循环周期为期为19.0s19.0s，其中冷却时间为，其中冷却时间为3s3s，托模进退停顿时间，托模进退停顿时间为为2 2秒。通过电度表实际测得秒。通过电度表实际测得HTF86X1/J2HTF86X1/J2（永磁同步）（永磁同步）耗电量为耗电量为2.122.12度，度，HTF8

23、0/J1HTF80/J1（感应电机）耗电量为（感应电机）耗电量为2.752.75度。计算可得，永磁同步比感应电机每小时省度。计算可得，永磁同步比感应电机每小时省电电0.630.63度，大约能节省度，大约能节省22.922.9的电能。的电能。而这台电机的功率大概不到而这台电机的功率大概不到2 2千瓦，大功率的节电效千瓦，大功率的节电效果更明显。据统计表明，注塑机里有些节能达到果更明显。据统计表明，注塑机里有些节能达到40-40-60%60%3000rpm永磁同步效率曲线示例感应电机效率曲线示例37pptppt课件课件无刷直流电机，也有人称它为方波的永磁同步电机，其电流波无刷直流电机，也有人称它为

24、方波的永磁同步电机，其电流波形为梯形波，简称为形为梯形波，简称为BLDCM BLDCM BLDCMBLDCM一般使用一般使用HALLHALL器件作为反馈元件，其器件作为反馈元件，其成本比正弦波的永磁同步电机要低，单位成本比正弦波的永磁同步电机要低，单位体积出力要高于永磁同步，但体积出力要高于永磁同步，但BLDCMBLDCM控制精控制精度较差，低速时力矩波动较大度较差，低速时力矩波动较大.BLDCMBLDCM电机本体和永磁同步电机类似，设计电机本体和永磁同步电机类似，设计细节上有某些区别细节上有某些区别,如其磁场一般设计称梯如其磁场一般设计称梯形波。形波。BLDCMBLDCM的控制器比永磁同步控

25、制器便宜。的控制器比永磁同步控制器便宜。BLDCMBLDCM在油田设备上也有较广泛的使用空间。在油田设备上也有较广泛的使用空间。38pptppt课件课件我们需要弄清楚的是，每一个新的电机客户他最关注什么？我们需要弄清楚的是，每一个新的电机客户他最关注什么？是成本抑或是节能、效率、噪声、振动、体积、可靠性？是成本抑或是节能、效率、噪声、振动、体积、可靠性？每一次新技术在新领域的应用都是一次巨大的机遇：每一次新技术在新领域的应用都是一次巨大的机遇：电动自行车从无到有，短短十年时间，发展到今天保有量已经达到数千万电动自行车从无到有，短短十年时间，发展到今天保有量已经达到数千万辆，大批的无刷直流电机生产企业得到了快速发展，而永磁同步曳引机从辆，大批的无刷直流电机生产企业得到了快速发展，而永磁同步曳引机从无到有，使一批正弦波永磁同步电机生产企业在五、六年内迅速成长壮大无到有，使一批正弦波永磁同步电机生产企业在五、六年内迅速成长壮大起来。起来。挑战有多大，机遇就有多大！挑战有多大，机遇就有多大！二十二、机遇及挑战二十二、机遇及挑战39pptppt课件课件谢谢大家！谢谢大家！40pptppt课件课件