引言

由于永磁交流伺服電機(jī)具有響應(yīng)快、功率密度大、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，目前在自動(dòng)化應(yīng)用等行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是在應(yīng)用中，很多工程師對(duì)：永磁交流伺服電機(jī)繞組相序和編碼器信號(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)等問(wèn)題存在困惑。因此本文針對(duì)對(duì)這些問(wèn)題，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以供讀者參考。

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(chǎng)，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(chǎng)。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(lái)，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)框圖如圖1所示。

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(guò)程中，需有一道重要裝配調(diào)試工序來(lái)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，具體解釋如圖2、3、4、5所示。

永磁交流伺服電機(jī)的kt和ke

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(lái)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：?jiǎn)挝粸閗rpm）。

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

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(guò)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(lái)表示電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與通過(guò)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）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(wèn)該電機(jī)的是kt多大？簡(jiǎn)易工程計(jì)算方法如下：

kt=ke÷104.7

=9.39÷104.7

=0.0897nm/a

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。www.

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℃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(wèn)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

=0.64nm

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(guò)載運(yùn)行，過(guò)載倍數(shù)由驅(qū)動(dòng)器輸出的過(guò)載電流決定，過(guò)載時(shí)間由驅(qū)動(dòng)器的容量及伺服電機(jī)的溫升來(lái)決定。一般的過(guò)載倍數(shù)為3倍。

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，如表1：

表1電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)耐熱等級(jí)表

耐熱等級(jí)aebfh

允許最高溫度℃105120130155180

pmsm伺服電機(jī)的絕緣等級(jí)一般為b或f級(jí)。

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(lái)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)字的含義如表2、3所示。

結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)永磁交流伺服電機(jī)在應(yīng)用中，很多工程師對(duì)交流伺服電機(jī)的幾個(gè)重點(diǎn)知識(shí)存在的困惑問(wèn)題：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