永磁交流伺服电机原理

永磁交流伺服电机原理

近年来由于无刷式伺服（马达）电机(brushless servo motor)制造与控制技术的急速发展，再加上大规模集成电路与半导体功率组件的进步 ，使其商品化产品日益增多，在高性能伺服应用场合如计算机控制数值工具机、工业机器人等，均已逐渐取代了传统式的有电刷的直流伺服电机(dc servo motor)。无刷式伺服 电动机主要可分为两大类(表1) (1)无刷式直流伺服电机(brushless dc servo motor)，一般亦称的为永磁式同步电机(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服 电机(PM ac servo motor)，(2)感应式交流伺服电机(induction ac servo motor)。

无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应(Hall-effect)传感器组件来检测转子的绝对位置以决定功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相(mechanical commutation)改为电子式换相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服 电动机因电刷所带来的限制。目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器(resolver) 或光电解编码马器(photo encoder)，前者可量测转子绝对位置，后者则祇能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。

表1 伺服电机的分类

永磁式直流伺服电动机如图1(a)所示，其永久磁铁在外，而会发热的电枢线圈(armature winding)在内，因此散热较为困难，降低了功率体积比，在应用于直接驱动(direct-drive)系统时，会因热传导而造成传动轴(如导螺杆)的热变形 。但对交流伺服电机而言，不论是永磁式或感应式，其造成旋转磁场的电枢线圈，如图1(b)所示，均置于电机的外层 ，因而散热较佳，有较高的功率体积比，且可适用于直接驱动系统。

交流电机依其扭矩产生方式可分为两大类(1)同步交流电机(synchronous ac motor)与(2)感应交流 电机(induction ac motor)，同步交流电机因其转子可由外界电源或由本身磁铁而造成的磁场与定子的旋转磁场交互作用而达到同步转速 ，但是感应交流电机的转子则因定子与转子间的变压器效应(transformer effect)而产生转子感应磁场，为了维持此感应磁场以产生旋转扭矩，转子与定子 的旋转磁场间必须有一相对运动—滑差(slip)，因此感应电机的转速无法达到同步转速。

感应交流电机因其转子结构又可分为(1)鼠笼式(squirrel-cage type)与(2)绕线式(wound-rotor type)。鼠笼式感应 电机因其结构简单、坚固、不需磁性材料，容易大量制造，有较高的功率/体积比，较低的转子惯量，较高的起动转矩与转速。同时因为不需要做碳刷的维修，因而降低了维护费用，其坚固、耐温、 防爆等特性均适合应用于环境恶劣的工作场所。由于上述 的优点，鼠笼式感应电机已广泛应用于工业界，而随着交流伺服技术的快速发展，未来更将应用于高精度、高转速、高容量的伺服机械系统。

图1 (a)永磁式直流伺服电机与(b)永磁式交流伺服电机的剖面图

2. 永磁式交流伺服 电机的工作原理

电机的工作原理可以「弗莱明左手定则」来说明，弗莱明左手定则可用来判断一根载有电流的导线置于磁场中时其受力的方向。若以左手的食指表示磁场方向，中指表示电流方向，则大姆指表示此导线受力的方向，如图2所示 的电流方向，则环状线圈受磁场的作用，将顺正时钟方向旋转，产生的扭矩T可以下式表示

(1)

其中K为比例常数，I 为流经线圈的电流，B 为永久磁铁所造成的磁场强度。

图2 电机的工作原理

图3 永磁式交流伺服电机控制方块图

永磁式交流伺服电机的工作原理可以图3说明，由晶体管三相换流器(inverter)经由脉宽调变(pulsewidth modulation) 在电机的定子造成一旋转磁场，它与转子永久磁铁所造成的磁场相互作用而产生旋转扭矩。电子换相器(electronic commutator) 的目的即在于使定子所造成的磁场方向与转子永久磁铁的磁场方向保持垂直，而产生最大的扭矩，为了达到这个目的可经由解角器的回授由电子换相器来达成。在解角器的初级线圈施以90相位差的交流电压

(如图3所示)，则在次级线圈随转子旋转的角度θ，由变压器效应产生

的交流电压，此交流电压经由回授，由相位同步器将三相参考电压

与

、

、

为交流电压的角频率。

、

、 、转换为

，其中Vm为激磁电压的最大值，

、

、

即为三相换流器的调变信号(modulation signals)，换流器将相位差120的三相交流电压施于电机的定子，如图3所示A、B、C三相的电流分别以IA、 IB、IC表示，其最大值为Im，各相电流(phase current) 可表示为

(2)

(3)

(4)

设Bm为转子永久磁铁所造磁场强度的最大值，其与电机定子各相的电枢线圈正交磁场强度为 BA、BB、BC，根据转子角度可表示为

(5)

(6)

(7)

各相电枢线圈电流IA、IB、IC 与其所承受的磁场强度BA、BB、BC 分别产生的旋转扭矩TA、TB、TC可表示为:

(8)

(9)

(10)

其中K为比例常数。TA、TB与TC 分别为三相的电流与转子的永久磁铁所产生的扭矩，其合成扭矩T可表示为

(11)

各相电流(phase current)、电枢线圈所受的磁场大小、产生的扭矩、与电机的相对位置可参考图4。由(11)式可得知，如果经由相位同步器(phase synchronizer)使得相电流(如

) 与相对应 的磁场(如

)保持同步，则合成扭矩T与转

子 的角度θ无关。由(11)式可知K为定值，Bm为转子永久磁铁的磁场强度亦为定值，因此T正比于各相电流 的振幅Im，由此可知，控制Im 的大小，即可控制电机所产生的扭矩。

图4 永磁式交流伺服电机扭矩产生的原理。

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