永磁交流伺服电机.doc

永磁交流伺服电机的编码器相位为何要与转子磁极相位对齐其唯一目的就是要达成矢量控制的目标,使 d 轴励磁分量和 q 轴出力分量解耦,令永磁交流伺服电机定子绕组产生的电磁场始终正交于转子永磁场,从而获得最佳的出力效果,即“类直流特性”, 这种控制方法也被称为磁场定向控制( FOC ), 达成 FOC 控制目标的外在表现就是永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致,如下图所示: 图1 因此反推可知, 只要想办法令永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致, 就可以达成 FOC 控制目标, 使永磁交流伺服电机的初级电磁场与磁极永磁场正交,即波形间互差 90 度电角度,如下图所示: 图2 如何想办法使永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致呢?由图 1 可知,只要能够随时检测到正弦型反电势波形的电角度相位,然后就可以相对容易地根据此相位生成与反电势波形一致的正弦型相电流波形了,因此相位对齐就可以转化为编码器相位与反电势波形相位的对齐关系。在实际操作中,欧美厂商习惯于采用给电机的绕组通以小于额定电流的直流电流使电机转子定向的方法来对齐编码器和转子磁极的相位。当电机的绕组通入小于额定电流的直流电流时,在无外力条件下,初级电磁场与磁极永磁场相互作用,会相互吸引并定位至互差 0 度相位的平衡位置上,如下图所示: 图3 对比上面的图 3 和图 2 可见,虽然 U 相绕组(红色)的位置同处于电磁场波形的峰值中心(特定角度) ,但 FOC 控制下, U 相中心与永磁体的 q 轴对齐,而空载定向时, U 相中心却与 d 轴对齐,也就实现了 a 轴或α轴与 d 轴间的对齐关系,此时相位对齐到电角度 0度, 电机绕组中施加的转子定向电流的方向为 U 相入, VW 出, 由于 V相与W 相是并联关系,流经 V 相和 W 相的电流有可能出现不平衡,从而影响转子定向的准确性。实用化的转子定向电流施加方法是 U入,V出,即U 相与 V 相串联, 可获得幅值完全一致的 U 相和 V 相电流, 有利于定向的准确性, 此时 U 相绕组( 红色) 的位置与 d轴差 30 度电角度,即 a 轴或α轴对齐到与 d 差(负) 30 度的电角度位置上,如图所示: 图4 上述两种转子定向方法对应的绕组相反电势波形和线反电势,以及电角度的关系如下图所示,棕色线为 a 轴或α轴与 d 轴对齐,即直接对齐到电角度 0 点,紫色线为 a轴或α轴对齐到与 d 差(负) 30 度的电角度位置,即对齐到-30 度电角度点: 图5d、q 轴矢量与 a、b、c 轴或α、β轴之间的角度的关系如下图所示,棕色线 d 轴与 a 轴或α轴对齐,即直接对齐到电角度 0 点,紫色线为 d‘轴与 a 轴或α轴相差 30 度, 即对齐到-30 度电角度点: 图6 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。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