摘要：永磁
交流伺服電機(jī)有響應(yīng)快、功率密度大、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，所以在自動(dòng)化應(yīng)用等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是筆者在十多年的客戶調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)很多工程師對(duì)交流伺服電機(jī)的幾個(gè)重點(diǎn)知識(shí)都有些困惑，如電機(jī)繞組相序與編碼器信號(hào)相序的判別，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(gè)參數(shù)，電機(jī)功率等。本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)對(duì)以上問題進(jìn)行詳盡闡述。
關(guān)鍵詞：永磁交流伺服電機(jī), 永磁同步電機(jī), 電機(jī)相序，轉(zhuǎn)矩常數(shù),反電勢(shì)常數(shù)，電機(jī)功率
引言
永磁交流伺服電機(jī)繞組相序與編碼器信號(hào)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(gè)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)，本文對(duì)這些問題都進(jìn)行了論述。
1 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(duì)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(dòng)勢(shì)為正弦波，當(dāng)給電機(jī)定子繞組通入三相對(duì)稱的正弦波電流時(shí)，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(dòng)時(shí)就在電樞繞組上感生接近正弦波的反電動(dòng)勢(shì)。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(dòng)電壓是經(jīng)由空間矢量脈寬調(diào)制的脈沖電壓。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，三相電樞繞組同時(shí)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(dòng)的編碼器一般需要兩組信號(hào)：
1）A,B,Z信號(hào)，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(hào)，則每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。（目前雷賽伺服不需要Z信號(hào)）
2）U,V,W信號(hào)：三路脈沖信號(hào)彼此相位差120，每轉(zhuǎn)所發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)與電機(jī)極對(duì)數(shù)一致。根據(jù)U,V,W信號(hào)的高低電平關(guān)系就可以判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置。
在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，根據(jù)U,V,W三路脈沖信號(hào)電平高低關(guān)系就可以估算出電動(dòng)機(jī)磁極現(xiàn)在的位置。一旦電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來，A,B信號(hào)則可精確檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置角度。
目前的主流PMSM伺服驅(qū)動(dòng)基本都采用矢量控制技術(shù)，系統(tǒng)框圖如下。
三相PMSM矢量控制伺服系統(tǒng)框圖
2 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(dòng)勢(shì)與編碼器信號(hào)U,V,W的合適相位關(guān)系，具體解釋如以下3個(gè)圖。
三相繞組反電勢(shì)波形1：
三相繞組反電勢(shì)波形2：
三相U,V,W編碼器信號(hào)波形：
編碼器信號(hào)與線電勢(shì)的相位關(guān)系:
3 永磁交流伺服電機(jī)的K
T和K
E
3.1 永磁電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)KE
只要電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)，必然會(huì)有線圈切割磁力線，所以會(huì)有反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。對(duì)于具體的某型號(hào)電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，則產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓越高。也即反電動(dòng)勢(shì)電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)，單位為V；N為電機(jī)轉(zhuǎn)速:單位為KRPM）。
例：用對(duì)拖的方法帶動(dòng)某電機(jī)以3000RPM的速度旋轉(zhuǎn)，測(cè)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
3.2永磁
直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT
對(duì)于具體的某型號(hào)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(cè)得某電機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)矩為0.35NM，測(cè)得此時(shí)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
3.3 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(dòng)勢(shì)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(shí)：
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(duì)數(shù)
φ—每極磁通………………φ=LτB
所以你要知道，其實(shí)對(duì)于具體某個(gè)電機(jī)，你只要知道其反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)KE和轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT這兩個(gè)參數(shù)的任何一個(gè)，則另外一個(gè)就知道了。一個(gè)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(qǐng)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=0.0897 Nm/A
4 永磁
交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量
伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)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(shí)間常數(shù)會(huì)增大，電機(jī)對(duì)速度的響應(yīng)會(huì)降低；較小的電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)小，電機(jī)對(duì)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。
5永磁交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率
永磁交流伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)能夠連續(xù)安全輸出的轉(zhuǎn)矩大小，在環(huán)境溫度為25 oC時(shí)，它會(huì)使電機(jī)的繞組溫度達(dá)到最大允許值。電機(jī)的額定功率，是指電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)矩下，所輸出的機(jī)械功率。 電機(jī)功率的計(jì)算公式：
P = N*T ÷9549.3
(式中P: 功率，單位為kW; N電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，單位為RPM; T: 額定轉(zhuǎn)矩，單位為Nm)。
例如：某電機(jī)的功率為200W,額定轉(zhuǎn)速為3000RPM,請(qǐng)問其額定轉(zhuǎn)矩為多大？
由以上公式得：T=(9549.3 * P) ÷N=((9549.3 *0.2) ÷3000=0.64 Nm
由于伺服電機(jī)是閉環(huán)控制運(yùn)行，在Id=0的控制方式下（矢量控制），電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與供給電機(jī)電流的大小成正比。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出隨負(fù)載的變化而變化，當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出也為恒定。伺服電機(jī)可短時(shí)間的過載運(yùn)行，過載倍數(shù)由驅(qū)動(dòng)器輸出的過載電流決定，過載時(shí)間由驅(qū)動(dòng)器的容量及伺服電機(jī)的溫升來決定。一般的過載倍數(shù)為3倍。
6 永磁交流伺服電機(jī)的絕緣等級(jí)
電機(jī)絕緣等級(jí)：表示電機(jī)所用的絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)，允許工作的溫度。
電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)耐熱等級(jí)分為5等，如下表：
PMSM伺服電機(jī)的絕緣等級(jí)一般為B或F級(jí)。7 永磁交流伺服電機(jī)的防護(hù)等級(jí)
防護(hù)等級(jí)：電機(jī)的防護(hù)等級(jí)是用IP及后二位數(shù)字來標(biāo)志的。
第一位數(shù)字表示電機(jī)對(duì)固體的防護(hù)程度，
第二位數(shù)字表示電機(jī)對(duì)液體的防護(hù)程度。
二位數(shù)字的含義如下表所示：
IP后面第一位數(shù)字的含義
IP后面第二位數(shù)字的含義
作者簡介：黃捷建（1973-），男，高級(jí)工程師，從事稀土永磁電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用推廣工作。Email:janhuang2001@163.com
