摘要：永磁
交流伺服電機有響應快、功率密度大、效率高、運行平穩(wěn)等特點，所以在自動化應用等行業(yè)得到了廣泛的應用。但是筆者在十多年的客戶調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)很多工程師對交流伺服電機的幾個重點知識都有些困惑，如電機繞組相序與編碼器信號相序的判別，電機關鍵參數(shù)KT和KE的意義及如何在工程計算中有效利用這兩個參數(shù)，電機功率等。本文從工程應用的角度出發(fā)對以上問題進行詳盡闡述。
關鍵詞：永磁交流伺服電機, 永磁同步電機, 電機相序，轉矩常數(shù),反電勢常數(shù)，電機功率
引言
永磁交流伺服電機繞組相序與編碼器信號相序如何判別，電機關鍵參數(shù)KT和KE的意義及如何在工程計算中有效利用這兩個參數(shù)，如何理解電機功率，工程應用上如何利用這些參數(shù)，本文對這些問題都進行了論述。
1 永磁交流伺服電機的基本原理
PMSM的定子繞組結構為三相對稱繞組，轉子結構為表面貼裝式永磁結構或內(nèi)嵌式永磁結構，其繞組反電動勢為正弦波，當給電機定子繞組通入三相對稱的正弦波電流時，電機將產(chǎn)生連續(xù)的電磁轉矩。PMSM的轉子永磁體在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生接近正弦波的磁場，所以轉子轉動時就在電樞繞組上感生接近正弦波的反電動勢。PMSM的三相電樞繞組與180導通型半橋逆變電路相連接，驅動電壓是經(jīng)由空間矢量脈寬調(diào)制的脈沖電壓。電動機運行時，三相電樞繞組同時接通，在工作氣隙內(nèi)產(chǎn)生“連續(xù)式”圓形旋轉磁場。為了實現(xiàn)伺服控制，PMSM的位置傳感器可以采用旋轉
變壓器或光電編碼器，目前工業(yè)應用較多的是增量式光電編碼器。伺服驅動的編碼器一般需要兩組信號：
1）A,B,Z信號，其中A,B兩路脈沖相位差90，這樣可以方便的判斷電機轉向；Z信號，則每轉輸出一個脈沖，用于基準點定位。（目前雷賽伺服不需要Z信號）
2）U,V,W信號：三路脈沖信號彼此相位差120，每轉所發(fā)出的脈沖個數(shù)與電機極對數(shù)一致。根據(jù)U,V,W信號的高低電平關系就可以判斷電動機轉子現(xiàn)在的位置。
在電動機啟動前，根據(jù)U,V,W三路脈沖信號電平高低關系就可以估算出電動機磁極現(xiàn)在的位置。一旦電機旋轉起來，A,B信號則可精確檢測出轉子位置角度。
目前的主流PMSM伺服驅動基本都采用矢量控制技術，系統(tǒng)框圖如下。
三相PMSM矢量控制伺服系統(tǒng)框圖
2 永磁交流伺服電機的相序如何定義或判別
在PMSM伺服電機的生產(chǎn)過程中，需有一道重要裝配調(diào)試工序來確保電機三相繞組反電動勢與編碼器信號U,V,W的合適相位關系，具體解釋如以下3個圖。
三相繞組反電勢波形1：
三相繞組反電勢波形2：
三相U,V,W編碼器信號波形：
編碼器信號與線電勢的相位關系:
3 永磁交流伺服電機的K
T和K
E
3.1 永磁電機的反電動勢常數(shù)KE
只要電機在轉動，必然會有線圈切割磁力線，所以會有反電動勢產(chǎn)生。對于具體的某型號電機，其轉動速度越快，則產(chǎn)生的反電動勢電壓越高。也即反電動勢電壓與電機轉速成正比。反電動勢常數(shù)KE 就是用來表示這種比例關系的。
KE =E/N （式中E為反電動勢，單位為V；N為電機轉速:單位為KRPM）。
例：用對拖的方法帶動某電機以3000RPM的速度旋轉，測得該電機的A相與B相之間的電壓為30V，則其KE 計算方法如下：
KE =E/N=30V/3KRPM=10V/KRPM
3.2永磁
直流電機的轉矩常數(shù)KT
對于具體的某型號電機，通過電機繞組電流越大，則電機軸產(chǎn)生的轉矩越大。也即電機的轉矩與電機繞組電流成正比。轉矩常數(shù)KT 就用來表示電機的轉矩與通過電機繞組電流之比。
KT = T / I （式中T為轉矩:NM， I為電流:A）
例：測得某電機軸的輸出轉矩為0.35NM，測得此時的繞組電流為5A，則其KT計算方法如下：
KT = T / I =0.35/5=0.07NM/A
3.3 永磁
交流伺服電機的KT和KE的關系
永磁直流電機的反電動勢常數(shù)KE和轉矩常數(shù)KT的關系：
當以角速度(1/s)單位進行計算時：
Ke= w *P*φ/π=Kt
上式中：w—每極總計算導體數(shù)
B—計算直徑柱面上的磁感應強度
P—極對數(shù)
φ—每極磁通………………φ=LτB
所以你要知道，其實對于具體某個電機，你只要知道其反電動勢常數(shù)KE和轉矩常數(shù)KT這兩個參數(shù)的任何一個，則另外一個就知道了。一個重要公式：
KT= KE÷104.7 （式中KT的單位為Nm/A；KE單位為V/KRPM）
例如:某電機的KE=9.39V/KRPM,請問該電機的是KT多大？簡易工程計算方法如下：
KT= KE÷104.7=9.39÷104.7=0.0897 Nm/A
4 永磁
交流伺服電機的轉子慣量
伺服驅動器對于伺服電機所帶的負載慣量的要求是，適用負載慣量為小于電機轉子慣量的5倍，所以，較大的電機轉子慣量，可帶較大的負載慣量，但電機的機械時間常數(shù)會增大，電機對速度的響應會降低；較小的電機轉子慣量，電機的機械時間常數(shù)小，電機對速度的響應反應快，但所容許電機所帶的負載慣量不能大。
5永磁交流伺服電機的轉矩和功率
永磁交流伺服電機的額定轉矩是指電機能夠連續(xù)安全輸出的轉矩大小，在環(huán)境溫度為25 oC時，它會使電機的繞組溫度達到最大允許值。電機的額定功率，是指電機在額定轉速，額定轉矩下，所輸出的機械功率。 電機功率的計算公式：
P = N*T ÷9549.3
(式中P: 功率，單位為kW; N電機額定轉速，單位為RPM; T: 額定轉矩，單位為Nm)。
例如：某電機的功率為200W,額定轉速為3000RPM,請問其額定轉矩為多大？
由以上公式得：T=(9549.3 * P) ÷N=((9549.3 *0.2) ÷3000=0.64 Nm
由于伺服電機是閉環(huán)控制運行，在Id=0的控制方式下（矢量控制），電機轉矩的大小與供給電機電流的大小成正比。電機的轉矩輸出隨負載的變化而變化，當負載恒定時，伺服電機的轉矩輸出也為恒定。伺服電機可短時間的過載運行，過載倍數(shù)由驅動器輸出的過載電流決定，過載時間由驅動器的容量及伺服電機的溫升來決定。一般的過載倍數(shù)為3倍。
6 永磁交流伺服電機的絕緣等級
電機絕緣等級：表示電機所用的絕緣材料及絕緣結構，允許工作的溫度。
電機絕緣結構耐熱等級分為5等，如下表：
PMSM伺服電機的絕緣等級一般為B或F級。7 永磁交流伺服電機的防護等級
防護等級：電機的防護等級是用IP及后二位數(shù)字來標志的。
第一位數(shù)字表示電機對固體的防護程度，
第二位數(shù)字表示電機對液體的防護程度。
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，高級工程師，從事稀土永磁電機和電機驅動器的設計、應用推廣工作。Email:janhuang2001@163.com
