驅動方式對永磁伺服電機性能的影響分析

吳昊 蘇錦智

摘 要：永磁伺服電機功率因數高，密度大，體積小，具有較為廣泛的應用優勢。從驅動控制器供電和電流波形角度來看，永磁伺服電機分為正弦波永磁同步電機與無刷直流電機。本文分析了永磁伺服電機的驅動方式及其電機轉矩。由于永磁伺服電機驅動方式趨于多樣化，人們需要改變多種驅動方式的電流、過載能力以及轉矩等，評價其應用優勢，確保永磁伺服電機廣泛應用于諸多領域。

關鍵詞：驅動方式;永磁伺服電機;性能

中圖分類號：TM383.4文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0065-03

Abstract： Permanent magnet servo motors have high power factor， high density， small size， and have relatively wide application advantages. From the perspective of drive controller power supply and current waveform， permanent magnet servo motors are divided into sine wave permanent magnet synchronous motors and brushless DC motors. This paper analyzed the drive mode of permanent magnet servo motor and its motor torque. As the driving methods of permanent magnet servo motors tend to be diversified， people need to change the current， overload capacity and torque of various driving methods， evaluate their application advantages， and ensure that permanent magnet servo motors are widely used in many fields.

Keywords： drive mode;permanent magnet servo motor;performance

與普通電勵磁電機相比，永磁伺服電機具有較多優勢，如功率高、重量輕以及密度大等，廣泛應用于機床、航空航天、機器人等領域。根據具體驅動方式，永磁伺服電機分為兩種。一是正弦波永磁同步電機，由正弦波驅動;二是矩形波永磁同步電機，即無刷直流電機，由矩形波驅動。目前，人們研究了不同驅動方式下的永磁電機性能，在換向區域中分別采用三相繞組、PWM-ON調制。換向區域在使用三相繞組的基礎上需要把電流預測與控制方法相融合，使電機換向轉矩脈動。

1 永磁伺服電機電磁設計

1.1 氛選取

氣隙大小是永磁伺服電機設計的關鍵影響因素。有效改變氣風長度，可大大提升電機主磁通運行能力，確保永磁材料使用量和空載電流降低，為電機功率的提高奠定良好基礎。電機裝配是電機運行的重要環節，會受到氣隙長度的影響，其中，氣隙尺寸減小會使齒槽效應增強，所以應確保氣隙尺寸設計的合理性。為了確保電機峰值轉速工況3倍弱磁能力，同時使電擊轉矩滿足要求，人們應根據有限元仿真，分析氣隙長度對電機轉機能力和齒槽轉距的影響。在電流相位一定的基礎上，若氣縫長度增加，電機電磁轉距反而降低，兩者呈負相關，對電機齒槽轉柜而言規律相同。

1.2 極槽配合——極速確定

從電機本體角度分析，多極會影響線圈節距，極易導致線圈節距變短，而繞組端減小能夠降低電機定子相電阻，提高電機運行效率。由于電機定子繞組端會受到多級的影響，降低漏電感，影響電機弱磁調速，無法確保定子鐵耗在穩定的數值內，導致電機峰值轉速效率很難提高，因此永磁伺服電機極速的合理選擇尤為重要。

2 樣機參數及電機控制原理

2.1 正弦波永磁同步電機控制原理

正弦波永磁同步電機額定頻率是133 Hz，電機運行期間，電網頻率很難滿足需求。所以，正弦波永磁同步電機運行期間，變頻控制器扮演較為重要的角色。電路控制期間，一般采用正弦波永磁同步電機完成矢量控制工作。

2.2 無刷直流電機控制原理與模型建立

在研究無刷直流電機模型的過程中，為了有效分析問題，人們需要提出以下幾種假設：電機繞組均勻且對稱分布;忽視定子齒槽產生的影響;三相反電動勢具有同一幅值，是一種梯形波。其中，無刷直流電機采用兩兩導通方法，其電壓平衡方程為：

式中，[Ua]、[Ub]、[Uc]為三相繞組相電壓;[R]為電機三相繞組電阻;[ia]、[ib]、[ic]為三相繞組電流;[L]為三相繞組電感;[ea]、[eb]、[ec]為三相反電動勢。

無刷直流電機驅動以矩形脈沖驅動為主，無位置傳感器。無刷直流電機廣泛使用反電動勢法，能夠得到永磁電機轉子初始位置，如果無刷直流電機A相繞組反電勢過零，轉子磁通位置與A相繞組處于一種平衡狀態，A相繞組不會出現反電勢。

3 驅動方式對永磁伺服電機性能的影響

3.1 不同驅動方式對電機性能的影響

轉矩脈動是影響電機運行性能的一個重要指標，其產生原因主要是定子齒槽、反電動勢波形等對永磁電機產生一定影響。但是，永磁電機運行期間，矩形波驅動力會受到換向的影響，進而出現一些異常，其以換向轉矩脈動為主。因此，人們應對不同驅動方式實施分析，探究驅動對電機轉矩脈動的影響。此外，電機性能評價與運行之間有較大關系，其性能評價可反映實際運行性能，主要采用轉矩脈動系數完成評價，其轉矩脈動計算公式如下：