永磁同步电机同步电机交流变频电机笔记.docx
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永磁同步电机同步电机交流变频电机笔记
总结：
两种永磁同步电动机的比较
（1）无刷直流电动机（简称BDCM，又称梯形波永磁同步电动机/方波电动机）：
其出发点是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的转子电枢变为定子。
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，而BDCM是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定子，其好处就是省去了机械换向器和电刷，也称为电子换向。
为产生恒定电磁转矩，要求系统向BDCM输入三相对称方波电流，同时要求BDCM的每相感应电动势为梯形波，因此也称BDCM为方波电动机；（调速性能好、堵转转矩大）
（2）永磁同步电动机（简称PMSM,又称正弦波电动机）：
其出发点是用永磁体取代电励磁式同步电动机转子上的励磁绕组，以省去励磁线圈、滑环和电刷。
PMSM的定子与电励磁式同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的。
为产生恒定电磁转矩，要求系统向PMSM输入三相对称正弦电流，同时要求PMSM的每相感应电动势为正弦波，因此也称PMSM为正弦波电动机。
总结一：
1.交流变频电机——
双边励磁的电机，转子交流励磁，可自行起步，存在转差率S；
2.同步电机——
双边励磁的电机，转子直流励磁，不可自行起步
3.无换向器同步电机——
由同步电动机、位置检测器和电力电子装置组成的电子运行电机系统，其调速性能类似于直流电动机。
由于其定子绕组电流的频率受转速自动控制、可消除振荡，所以亦称为自控式同步电动机
4.永磁同步电机——
转子采用永磁体，添加位置传感器，采用逆变电路控制。
总结二：
调速电动机：
调速电动机最常用的有交流变频电动机、磁阻电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机
同步电机的结构
同步电动机也是由静止的定子和转动的转子两个基本部分组成的。
1．定子
由于同步电机的定子结构部件和异步电动机一样，起着接收、输出电能和产生旋转磁场的作用，它们的结构形式并无多大区别，所以同步电动机的定子也是由导磁的定子铁心和导电的三相交流绕组，以及固定铁心用的机座和端盖等部件组成。
2．转子
同步电机的转子有两种结构形式，一种是有明显磁极的，称为凸极式，如图11—3（a）所示；另一种转子为一个圆柱体，并无明显磁极，称为隐极式，如图11—3（b）所示。
（a）（b）
图11—3旋转磁极式同步电动机的结构示意图
（a）凸极式；（b）隐极式
1—定子；2—转子；3—集流环
一般同步电动机都做成凸极式，和直流电动机一样，转子磁极铁心由钢板冲成冲片后，叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组用绝缘的铜线绕成，它与极身之间有绝缘。
各磁极上励磁绕组间的联接，必须注意到通过励磁电流以后，相邻磁极的极性呈现N与S交替排列，励磁绕组两个出线端接到两个集电环上，通过与集电环相接触的静止电刷向外引出，另外在磁极表面上装有笼型绕组，这种笼型绕组称为阻尼绕组，如图11—23所示。
整个转子由磁极、磁轭、励磁绕组、转子支架（大型同步电动机有）、轴以及集电环等部件组成。
励磁用的直流电流一般由整流电源来供给，也可用一台与同步电机同轴或非同轴的直流发电机供给。
如果用永久磁铁做成的转子来代替直流励磁的磁极，这种同步电动机，被称为三相永磁同步电动机（即直流无刷电动机），由于三相永磁同步电动机的转子不需用直流电流励磁，所以结构更简单，性能更好，是目前使用的主要伺服电动机之一。
11.5 同步电动机的起动
同步电动机的电磁转矩是由定子电流建立的旋转磁场和转子磁场的相互作用而产生的，仅在这两者相对静止时，才能得到平均电磁转矩。
如将同步电动机励磁接入电源时，同步电动机转子磁场（转子）是静止不动的。
当定子接入电网时，定子旋转磁场立即以同步转速相对转子磁场作相对运动，所以不能产生电磁转矩，电机不能起动。
这一现象可以用图11—22来说明。
假设定子磁场的旋转方向为逆时针方向，并在开始瞬间为图11—22（a）
（a）（b）
图11—22接通励磁后起动时同步电动机的电磁转矩
（a）相互吸引；（b）相互排斥
所示的位置，由图可见，此瞬间定子磁场和转子磁场相互作用所产生的电磁转矩
也为逆时针方向，是推动转子向逆时针方向旋转的。
但由于机械惯性，转动缓慢的转子还未转动时，定子磁场已向前转动了一个极距，达到图11—22（b）所示的位置，此时定子磁极对转子磁极间的电磁转矩
又为顺时针方向转动，其结果转子承受了一个脉振转矩，其平均转矩为零，故同步电动机不能自行起动。
因此，要起动同步电动机必须借助于其他方法。
目前同步电动机常用的起动方法有两种，即变频起动法和异步起动法。
11.5.1变频起动法
变频起动方法是开始起动时，转子先加上励磁电流，定子边通入频率极低的三相交流电流，由于电枢磁动势转速极低，转子便开始旋转。
定子边电源频率逐渐升高，转子转速也随之逐渐升高；定子边频率达额定值后，转子也达额定转速，起动完毕。
显然定子边的电源是一个可调频率的变频电源，一般是采用变频装置。
大型同步电动机采用变频起动方法的日渐增多。
11.5.2异步起动法
异步起动方法即在凸极式同步电动机的转子上装置阻尼绕组而获得起动转矩，是一种常用的异步起动法。
阻尼绕组和异步电动机的笼型绕组很相似，只是它装在转子磁极的极靴上，如图11—23所示，所以有时也把这种阻尼绕组称为起动绕组。
图11—23异步起动法原理接线图
11.6无换向器电动机
无换向器电动机是频率闭环控制的同步电动机，亦称自控式同步电动机。
这种电动机是电力电子学与电机学互相交叉、互相渗透的结果，它标志着电机学科发展的方向。
无换向器电动机本体就是一台同步电动机，但其调速性能又和直流电动机相似，所以这种电动机集交、直流电动机之优点于一体，为电动机向高速化、大容量化发展开辟了道路。
无换向器电动机的转子若用永磁体励磁，制成无刷结构，优点就更为突出。
本节分析无换向器电动机的有关内容。
其他永磁电动机的内容稍后介绍。
11.6.1 无换向器电动机的分类
按运行方式无换向器电动机分以下两种。
一、交直交无换向器电动机
又称无换向器电动机交—直—交系统。
它是由交流电经整流变成直流电，再由晶闸管或晶体管组成的逆变器变成频率可调的交流电供给同步电动机，实质上这是一个频率自控同步电动机的调速系统。
这个系统主要由同步电动机、可控整流器、晶闸管或晶体管所组成的逆变器、位置检测器以及控制线路等所组成，其示意图如图11—24所示。
图11—24交直交无换向器电动机
无换向器电动机交—直—交系统有一下特点：
逆变桥可采用可关断器件，结构简单，控制灵活；调速范围宽，可达3000：
1或更高；使用永磁体励磁转子，制成无刷结构，转子无损耗，效率高。
这种电机适合于高性能的伺服拖动系统，如高档数控机床的给进拖动系统。
二、交—交无换向器电动机
又称无换向器电动机交-交系统。
它是利用晶闸管或晶体管组成的变频器，直接把50Hz的交流电转换成可变频率的交流电供电的同步电动机，是另一种频率自控同步电动机的调速系统。
该系统也是由同步电动机、变频器、位置检测器以及控制线路等所组成，其示意图如图11—25所示。
图11—25交交无换向器电动机示意图
这种电路有以下特点：
变流器输出频率在
电源频率以下，因此只能在
同步转速以下调速；变流器结构复杂，控制也复杂；电动机功率因数可接近于1，过载能力大。
11.6.2无换向器电动机的工作原理
从结构上讲，无换向器电动机系统中的同步电动机除了装有位置检测器以外，与普通同步电动机的结构没有根本区别，都是定子上安置空间对称的三相交流绕组，转子为直流励磁或永磁体励磁。
从运行原理上讲，无换向器电动机系统与直流电动机非常类似。
从直流电机原理可知，为了保持旋转的电枢磁势
与励磁磁势
保持垂直，必须装置换向器，而且电刷必须装在几何中性线上，以保持最大的电磁转矩。
但实际安装中，换向器总会或多或少的偏离几何中性线，然而直流电机仍然可以工作，只是电磁转矩比电刷在几何中性线上少了一些而已。
这就说明，只要电枢磁势
与励磁磁势
保持一定的夹角，电机就会得到一定的电磁转矩。
显然当电枢磁势
与励磁磁势
夹角为90°（垂直时），电磁转矩最大（直流电机就是如此），夹角为0°时，电磁转矩消失（为0），夹角的大小改变时，电磁转矩改变。
无换向器电动机的运行原理，可以利用直流电机的原理来分析。
一、无换向器同步电机电磁转矩
图11—26是一个无换向器同步电动机系统的组成原理，同步电动机的三相定子绕组为
图11—26无换向器同步电动机系统
星形连接，每相绕组的出线端连接一个晶体管的发射极和另一个晶体管的集电极。
前一个晶体管称为正侧晶体管，即V1、V3、V5；后一个晶体管称为负侧晶体管，即V4、V6、V2。
转子位置检测器，用来检测转子旋转到什么位置。
晶体管控制电路根据位置检测器检测到的信号控制晶体管的通断。
为了简便分析，图11—27所示为选定几个特定时刻。
（a）（b）（c）
图11—27不同晶体管导通瞬时的电流与磁场相量图
（a）电流从A相流入B相流出；（b）电流从A相流入C相流出；
（c）电流从B相流入,C相流出
1.0°～60°，V1、V6导通
在这一时刻，如图11—27（a）所示。
此时A相正侧晶体管V1及B相负侧晶体管V6处于导通状态，电流经V1从A相流入，经V6从B相流出，如图11—27（a）中箭头所示。
将A相磁场
与B相磁场
两者合成为磁场
，即为此时电动机电枢磁场。
的大小及方向如图11—27（a）下所示。
此时定子绕组产生的电枢磁极
的位置和转子磁极
在空间相差120°电角度，
与
相互作用产生电磁转矩，在这个电磁转矩作用下，转子将作逆时针方向旋转，同时使
与
之间的夹角变化，电磁转矩随之变化，在此期间晶体管V1和V6保持导通不变，
保持不变。
2.60°～120°，V1、V2导通
当
逆时针转过空间60°电角度（
与
之间的夹角为60°）时，时间同样过去了
。
这时使晶体管V1、V2导通、V6关断，电流经V1从A相流入，经V2从C相流出，如图11—27（b）中箭头所示。
此时
和
的合成磁势
如图11—27（b）下所示。
可见V1、V2导通时的电枢磁势比V6、V1逆时针转动了60°电角度。
的位置和
再次相差120°，在电磁转矩的作用下，转子继续逆时针转动，此时V1、V2导通仍然保持不变，
也保持不变，
和
之间夹角变小。
3.120°～180°，V2、V3导通
当
再次逆时针转过60°（
与
之间的夹角又为60°）时，时间也又过去了
。
这时使晶体管V2、V3导通、V1关断，电流经V3从B相流入，经V2从C相流出,如图11—27（c）中箭头所示。
此时
和
的合成磁势
如图11—27（c）下所示。
可见V2、V3导通时的电枢磁势比V1、V2逆时针转动了60°电角度。
的位置和
又相差120°，在电磁转矩的作用下，转子继续逆时针转动，此时V2、V3导通仍然保持不变，
也保持不变，
和
之间夹角变小。
以上3个时刻，
逆时针转动了
空间电角度，
（转子）跟随
（旋转磁场）逆时针转动了同样的空间电角度，时间也同样过了
电角度。
显然
每隔60°电角度跃进一次，每次逆时针向前跃进60°空间电角度，而
是连续旋转的。
由于
的跃进，电磁转矩有一定的脉动分量。
另外半个周期读者可以自行分析。
综合以分析可见：
（1）只要转子位置检测器检测出转子磁极的不同位置，按照上述的顺序去导通和截止各相出线端所连接的晶体管，保持磁极磁场
滞后电枢磁场
的最大角度为120°电角度，最小电角度60°的位置关系，便可使三相同步电动机产生电磁转矩运行。
（2）满足
（1）中导通情况，各相晶体管在360°电角度内导通顺序如表11—1所示。
表11—1三相同步电动机的晶体管导通顺序
转子位置（电角度）
0°～60°～120°～180°～240°～300°～360°
三相绕组电流
A
B
A
C
B
C
B
A
C
A
C
B
正侧导通晶体管
A（V1）
B（V3）
B（V5）
负侧导通晶体管
B（V6）
C（V2）
A（4）
B（6）
可见：
在一个周期中，每一个晶体管导通120°。
各晶体管按12、23、34、45、56、61的顺序导通。
（3）根据表11—1，可以画出各相电流的波形如图11—28所示。
图11—28电枢三相绕组的电流波形图
可见：
在一个周期中，每相绕组正向导通120°，停60°，再反向导通120°。
每相绕组中的电流是交变电流。
电枢旋转磁场就是由这三相交流电流合成产生的。
同步电机系统中，无论是交—直—交系统还是交—交系统，都有电流型与电压型之分。
电流型逆变器输出方波电流，电压型逆变器输出方波电压。
在分析时要加一区别。
小结
同步电动机转子转速与气隙旋转磁场的转速严格同步，其转速与定子绕组电流的频率成正比，不随负载转矩的变化而改变。
当电源频率固定时，同步电动机不能实现变速控制。
同步电动机也无法自行起动而进人工作状态，因此需要借助于其它起动方法，例如在磁极上装设起动绕组（亦称阻尼绕组），作异步起动。
同步电机虽然是交流电机，但与直流电机有相似之处，两者在负载时，气隙磁场都会受电枢磁场的影响（即电枢反应）发生显著的变化；从励磁效应看，这两类电机都隶属于双边励磁的电机，两者都存在所谓电枢反应问题。
在同步电机中，电枢反应的性质与其内功率因数角有关。
电枢反应的作用用同步电抗来表征，凸极式同步电机的电枢反应的分析需用“双反应理论”。
同步电机有功功率的改变用功角特性表征，无功功率的调节用V形曲线说明。
因同步电动机的无功功率可以调节，如使其运行于过励磁状态，同步电动机的无功分量可以看作电网的容性无功负载，可改善电网功率因数，这是其它电机无法比拟的独特优点。
无换向器电动机，是由同步电动机、位置检测器和电力电子装置组成的电子运行电机系统，其调速性能类似于直流电动机。
由于其定子绕组电流的频率受转速自动控制、可消除振荡，所以亦称为自控式同步电动机。
从运行实质上看，它是由晶闸管逆变器置换了机械换向器和电刷装置的直流电动机，这是一种有发展前途的电动机。
永磁交流伺服电机位置反馈传感器检测相位与电机磁极相位的对齐方式
2008-11-07 来源：
internet 浏览：
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主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等。
为支持永磁交流伺服驱动的矢量控制，这些位置反馈元件就必须能够为伺服驱动器提供永磁交流伺服电机的永磁体磁极相位，或曰电机电角度信息，为此当位置反馈元件与电机完成定位安装时，就有必要调整好位置反馈元件的角度检测相位与电机电角度相位之间的相互关系，这种调整可以称作电角度相位初始化，也可以称作编码器零位调整或对齐。
下面列出了采用增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等位置反馈元件的永磁交流伺服电机的传感器检测相位与电机电角度相位的对齐方式。
增量式编码器的相位对齐方式
在此讨论中，增量式编码器的输出信号为方波信号，又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器，普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B，以及零位信号Z；带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外，还具备互差120度的电子换相信号UVW，UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。
带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位，或曰电角度相位之间的对齐方法如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察编码器U相信号跳变沿，和Z信号，直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平），锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，Z信号都能稳定在高电平上，则对齐有效。
撤掉直流电源后，验证如下：
1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合，编码器的Z信号也出现在这个过零点上。
上述验证方法，也可以用作对齐方法。
需要注意的是，此时增量式编码器的U相信号的相位零点即与电机UV线反电势的相位零点对齐，由于电机的U相反电势，与UV线反电势之间相差30度，因而这样对齐后，增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐，而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致，所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。
有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐，为达到此目的，可以：
1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线；
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U相反电势波形；
3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置；
4.一边调整，一边观察编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使上升沿和过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。
由于普通增量式编码器不具备UVW相位信息，而Z信号也只能反映一圈内的一个点位，不具备直接的相位对齐潜力，因而不作为本讨论的话题。
绝对式编码器的相位对齐方式
绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言，差别不大，其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。
早期的绝对式编码器会以单独的引脚给出单圈相位的最高位的电平，利用此电平的0和1的翻转，也可以实现编码器和电机的相位对齐，方法如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察绝对编码器的最高计数位电平信号；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察最高计数位信号的跳变沿，直到跳变沿准确出现在电机轴的定向平衡位置处，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，跳变沿都能准确复现，则对齐有效。
这类绝对式编码器目前已经被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行协议，以及日系专用串行协议的新型绝对式编码器广泛取代，因而最高位信号就不符存在了，此时对齐编码器和电机相位的方法也有所变化，其中一种非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM，存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：
1.将编码器随机安装在电机上，即固结编码器转轴与电机轴，以及编码器外壳与电机外壳；
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置；
3.用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值，并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中；
4.对齐过程结束。
由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向，因此存入的编码器内部EEPROM中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。
此后，驱动器将任意时刻的单圈位置检测数据与这个存储值做差，并根据电机极对数进行必要的换算，再加上-30度，就可以得到该时刻的电机电角度相位。
这种对齐方式需要编码器和伺服驱动器的支持和配合方能实现，日系伺服的编码器相位之所以不便于最终用户直接调整的根本原因就在于不肯向用户提供这种对齐方式的功能界面和操作方法。
这种对齐方法的一大好处是，只需向电机绕组提供确定相序和方向的转子定向电流，无需调整编码器和电机轴之间的角度关系，因而编码器可以以任意初始角度直接安装在电机上，且无需精细，甚至简单的调整过程，操作简单，工艺性好。
如果绝对式编码器既没有可供使用的EEPROM，又没有可供检测的最高计数位引脚，则对齐方法会相对复杂。
如果驱动器支持单圈绝对位置信息的读出和显示，则可以考虑：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.利用伺服驱动器读取并显示绝对编码器的单圈位置值；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.经过上述调整，使显示的单圈绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的单圈绝对位置点，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，上述折算位置点都能准确复现，则对齐有效。
如果用户连绝对值信息都无法获得，那么就只能借助原厂的专用工装，一边检测绝对位置检测值，一边检测电机电角度相位，利用工装，调整编码器和电机的相对角位置关系，将编码器相位与电机电角度相位相互对齐，然后再锁定。
这样一来，用户就更加无从自行解决编码器的相位对齐问题了。
个人推荐采用在EEPROM中存储初始安装位置的方法，简单，实用，适应性好，便于向用户开放，以便用户自行安装编码器，并完成电机电角度的相位整定。
正余弦编码器的相位对齐方式
普通的正余弦编码器具备一对正交的sin，cos1Vp-p信号，相当于方波信号的增量式编码器的AB正交信号，每圈会重复许许多多个信号周期，比如2048等；以及一个窄幅的对称三角波Index信号，相当于增量式编码器的Z信号，一圈一般出现一个；这种正余弦编码器实质上也是一种增量式编码器。
另一种正余弦编码器除了具备上述正交的sin、cos信号外，还具备一对一圈只出现一个信号周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信号，如果以C信号为sin，则D信号为cos，通过sin、cos信号的高倍率细分技术，不仅可以使正余弦编码器获得比原始信号周期更为细密的名义检测分辨率，比如2048线的正余弦编码器经2048细分后，就可以达到每转400多万线的名义检测分辨率，当前很多欧美伺服厂家都提供这类高分辨率的伺服系统，而国内厂家尚不多见；此外带C、D信号的正余弦编码器的C、D信号经过细分后，还可以提供较高的每转绝对位置信息，比如每转2048个绝对位置，因此带C、D信号的正余弦编码器可以视作一种模拟式的单圈绝对编码器。
采用这种编码器的伺服电机的初始电角度相位对齐方式如下：
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置；
2.用示波器观察正余弦编码器的C信号波形；
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；
4.一边调整，一边观察C信号波形，直到由低到高的过零点准确出现在电机轴的定向平衡位置处，锁定编码器与电机的相对位置关系；
5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，过零点都能准确复现，则对齐有效。
撤掉直流电源后，验证如下：
1.用示波器观察编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形；
2.转动电机轴，编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。
这种验证方法，也可以用作对齐方法。
此时C信号的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。
如果想直接和电机电角度的0度点对齐，可以考虑：
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