永磁交流伺服系统国内外发展概况

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综 述 echnicalreview

微特电机

2008年第5期

永磁交流伺服系统国内外发展概况

黄声华,吴 芳

(华中科技大学,湖北武汉430074)

摘 要:永磁交流伺服系统发展日新月异,对近十年来国内外永磁交流伺服系统的研究成果作一综述。在分析永磁交流伺服系统发展趋势的基础上,重点介绍了永磁交流伺服系统控制策略、位置检测和辨识、主电路和驱动技术以及通讯网络化技术等关键技术的研究现状,指出了目前国内永磁交流伺服系统产品的研发方向及其与发达国家的差距。

关键词:永磁交流伺服;发展概况;控制策略;位置检测;驱动技术

中图分类号:TM359.4 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2008)05-0052-05

TheInternalandOverseasDevelopmentSituationofPermanent-MagnetACServoSystem

HUANGSheng-hua,WUFang

(HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,China)

Abstract:Thedevelopmentofpermanent-magnetACservosystemchangedquickly.Theinternalandinternationalresearchresultofpermanent-magnetACservosysteminlasttenyearsweresummarized.Onthebasisofanalyzingthede-velopmenttrendofpermanent-magnetACservosystem,theresearchstateofpermanent-magnetACservosystems'controlstrategy,positiondetectionandidentification,maincircuit,drivetechniqueandcommunicationnetworktechniqueandsoonwerefocusedon.TheR&Ddirectionofthepresentinternalpermanent-magnetACservosystemproductionandtheproduc-tions'differencebetweeninternalandinternationalwerealsopointedout.

Keywords:permanent-magnetACservo;developmentsituation;controlstrategy;positiondetection;drivetechnique

0引 言

随着电机理论、永磁材料、电力电子技术、控制理论和计算机技术的惊人发展,交流伺服系统的研究和应用,自20世纪70年代末以来,取得了举世瞩目的进展,已具备有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应及四象限运行等良好的技术性能,其动、静态特性已完全可以与直流伺服系统相媲美。多年来,/交流取代直流伺服0这一愿望正逐渐变为现实,并不断有新的研究成果和新产品出现。

近十年来,国内外日益完善的永磁交流伺服系

永磁交流伺服系统国内外发展概况

其运算速度极快,永磁电机速度的频率响应达到550Hz以上,非常适合于高速定位的场合。

(2)采用17位(131072P/rev)的高分辨率编码器和先进的控制策略,大大降低永磁电机的速度波动率,其技术指标达到负载力矩波动从0~100%变化时,电机速度波动率[0.01%,从而可以满足精密数控机床等设备的需求。

(3)智能化的控制确保电机在各种工况(如加、减速转矩较小或摩擦力较大时)均能自动调整到最佳运行状态,并能实时检测系统带负载的机械振动频率,进而消弱系统机械振动。

(4)先进的上位机支撑软件,通过上位机与伺服系统的串行通讯接口,能自动对伺服电机加振,并能分析出机械系统的频率,从而对包括机械系统在内的伺服单元调整到最佳工作状态。

(5)完善的系列化产品,便于各类用户选择。高端产品离不开日益发展的高新技术的支撑。为此,本文将对交流伺服系统的发展趋势和关键技术作一综述。

统不断涌现,性能指标不断提高,应用范围不断扩大。纵观目前国内市场现状,国外知名品牌的永磁交流伺服系统仍占据了国内绝大多数中、高端应用领域,而国内成熟产品主要应用在中、低端设备领域中,如简易数控机床、服装加工机械、包装机械等等,究其原因是国外知名品牌的产品具有较明显的技术优势。例如代表目前永磁交流伺服系统世界先进水平的三菱公司推出的MR系列交流伺服单元具有以下技术优势:

(1)采用内含数字信号处理器的高性能CPU,

1交流伺服系统发展趋势

综合国内外交流伺服系统发展与现状,可以清楚地看出其发展趋势,主要表现在以下几个方面:

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收稿日期:2006-07-27

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(1)永磁化

机连接成整个数控加工系统。近年来,现场总线通交流伺服系统主要有永磁同步电动机交流伺服讯方式(如CAN、SERCOS总线等)已出现在交流伺系统和异步电动机交流伺服系统两大类。异步电动服系统中,进一步加快了各设备之间的通讯速率与机交流伺服系统具有电机结构坚固、制造容易、价格可靠性。值得注意的是,近年来进口交流伺服系统低廉、弱磁调速易于实现等优点,但与永磁同步电动都匹配了完善的串行通讯接口和运行软件,而国内机交流伺服系统相比存在着效率低、功率因数低、低交流伺服产品尚存在较大差距。

速力矩小、转子发热严重等问题。而随着永磁材料性价比的不断提高,永磁同步电动机结构的优化设2不断进步的控制策略

计和新的控制策略的发展,其耐高温、耐振动、可弱永磁交流伺服系统几十年来的发展,最突出的磁调速的性能不断提高。最典型的应用就是电动汽是不断进步的控制策略,其中有代表性的有:恒压频

车和高性能电梯曳引机已逐步引进永磁同步电动机比控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适交流伺服系统,其性能与异步交流伺服系统相比有应控制、滑模变结构控制、智能化控制等等。明显提高。

2.1恒压频比控制

(2)全数字化和控制智能化

采用位置检测的永磁同步电动机调速系统属于交流伺服系统控制单元经历了模拟式、混合式、自控式变频调速系统。即给定定子电流后,电机定全数字化逐步演变进步的过程,各类新型高速微处子频率随转子位置的变化而变化,但是要保证电机理器和电机专用DSP的出现,为伺服控制单元实现在不同速度下都能提供定子电流达到给定电流值,包括位置环、速度环、电流环的全数字化控制奠定了外加到永磁同步电动机的端电压必须随电机转子速坚实的物资基础,从而将原有的硬件伺服控制变成度的增加而提高,以补偿永磁同步电动机反电动势了软件伺服控制,不仅大大简化了伺服系统的结构,的升高,所以永磁同步电动机自控式变频调速本质提高了运行可靠性,而且在伺服系统中应用现代控上满足恒压频比条件,属于恒压频比控制范畴。恒制理论的先进算法(如:最优控制、人工智能、模糊压频比控制依据的是稳态数学模型,不能控制电机控制、神经网络等)成为可能,从而促使交流伺服系动态过程中的转矩,得不到理想的动态控制性能,统的控制性能进一步提高。

目前永磁交流伺服系统基本上不采用这种早期的控(3)高度集成化

制模式。一方面永磁材料磁能积不断提高,永磁同步电2.2矢量控制

动机的体积重量明显下降;另一方面电力电子技术1971年由德国学者Blaschke提出的矢量控制的发展,一大批新型功率器件应用到交流伺服控制理论使交流电机控制由外部宏观稳态控制深入到电单元中,最典型的是IGBT智能模块(IPM)的应用,机内部电磁过程的瞬态控制,永磁同步电机的控制不仅使主电路更加紧凑,而且大大简化了伺服系统性能由此发生了质的飞跃。矢量控制最本质的特征的驱动、保护环节。特别是内含电压自举电路的是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性IPM模块,可以将原来驱动单元所需的四路电变量变换为相对坐标系为静止的直流变量(如电源减少为一路电源。新型电子器件的不断涌现,也流、磁链、电压等),从中找到约束条件,获得某一目促进了伺服单元的高度集成化。例如,采用线性光标的最佳控制策略。

耦实现电机电流采样比Hall零磁通电流传感器具目前永磁同步电动机最典型的矢量控制约束条有更小的体积和重量,现已成功应用于交流伺服系件是令id=0,控制定子电流的q轴分量iq即可控制统产品中(如华科大生产的交流伺服单元)。

电机转矩的大小,该方法的优点是建模较简单,实时(4)通讯网络化

控制计算量相对较少,易于实现。由于id=0,对永在国外,以工业局域网技术为基础的工厂自动磁体无去磁效应,并满足电磁转矩与控制电流iq的化工程技术近十几年来取得了长足的发展,并显示线性关系,达到了直流电动机的高性能动态控制水出良好的发展势头。为适应这一发展趋势,最新的平,因此这一方法在永磁交流伺服系统中获得了最伺服系统都配置了标准的串行通讯接口(如RS-广泛地应用。

232C、RS-422接口等)和专用的局域网接口,这些id=0的矢量控制策略的不足是气隙合成磁链接口的设置,显著增强了伺服单元与其他设备间的W0Xcons,

t功率因数cos5X1,变频器容量未获得互联能力。以CNC系统为例,只需一根电缆或光最充分的利用。为此一些新的改造电机内部电磁关缆,就可以将数台甚至数十台伺服单元与上位计算

系的控制策略应运而生,如以cos5X1为约束条永

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Ld

满足最佳值,Lq

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件的矢量控制方法,以W0Xconst为约束条件的矢量控制方法,或通过改造电机结构使其

略,它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使系统/结构0随时变化的开关特性。其主要特点是,根据被调量的偏差及其导数,有目地的使

系统沿设计好的/滑动模态0轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的,且与系统的参数及扰动无关,因而系统具有很强的鲁棒性。另外,滑模变结构控制不需要任何在线辨识,所以较容易实现。在过去十多年里,将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点,并已取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在/抖振0问题,主要原因是:¹对于实际的滑模变结构系统,其控制力总是受到的,从而使系统的加速度有限;º系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差,特别对于计算机的采样系统,当采样时间较长时,形成/准滑模0等。所以,在实际系统中抖振必定存在且无法消除,这就了它的应用。2.7智能控制

智能控制理论是永磁交流伺服控制发展中的一个崭新阶段,与传统的经典、现代控制方法相比,具有一系列独到之处。首先,它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架,不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型,只按实际效果进行控制。其次,继承了人脑思维的非线性,智能控制器也具有非线性特征;同时,利用计算机控制的便利,可以根据当前状态切换控制器的结构,用变结构方法改善系统性能。在复杂系统中,智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流伺服系统变参数与非线性等不利因素,可以提高系统的鲁棒性。目前智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟的,是模糊控制和神经网络控制。其中模糊控制是利用模糊集合来刻划人们日常所使用的概念中的模糊性,使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法,它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。一些文献表明,模糊控制系统只有与其他控制方法相结合,才能获得优良的性能。神经网络控制在永磁交流伺服系统中的应用主要有下面几个方面:¹代替传统的PID控制;º由于实际的矢量控制效果对传动系统参数很敏感,将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪,并对磁通及转速控制器进行自适应调整;»电机矢量控制需要知道转子磁通的瞬时幅值与位置,无速度传感器矢量控制还需要知道转速,神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、位置及转速;¼结合模型参考自适应控制,将神经网络控制器用于自适应速度控制器中。

进而通过复杂的运算使电机内部W0Xconst且cos5=1的转矩/电流线性控制方式等,近年来电机专

用DSP功能日益成熟,已为实现这些复杂运算提供了保障。2.3直接转矩控制

1985年,Depenbrock教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型,在近似圆形旋转磁场的条件下强调对电机转矩进行直接控制,省掉了矢量坐标变换等复杂计算。直接转矩控制磁场定向应用的是定子磁链,只需知道定子电阻就可以把它观测出来,相对矢量控制更不易受电机参数变化的影响。近年来,直接转矩控制方式被移植到永磁同步电动机的控制中,其控制规律和关键技术正逐渐被人们了解、掌握,直接转矩控制在全数字化、大力矩、高速响应的交流伺服系统中将有广阔应用前景。2.4非线性控制

交流电机是一个强耦合、非线性、多变量系统。非线性控制通过非线性状态反馈和非线性变换,实现系统的动态解耦和全局线性化,将非线性、多变量、强耦合的交流电动机系统分解为两个的线性单变量系统。其中,转子磁链子系统由两个惯性环节组成。转速子系统由一个积分环节和一个惯性环节组成。两个子系统的调节按线性控制理论分别设计,以使系统达到预期的性能指标。

但是,非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的电动机模型和系统的精确测量或观测,而电机在运行中参数受各种因素的影响会发生变化,磁链观测的准确性也很难论证,这些都会影响系统的鲁棒性,甚至造成系统性能恶化,目前这种控制方法仍有待进一步完善。

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2.5自适应控制

自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息,模型得到逐渐完善,所以它是克服参数变化影响的有力手段。应用于永磁交流电动机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在的问题是:¹数学模型和运算繁琐,控制系统复杂化;º辨识和校正都需要一个过程,对一些参数变化较快的系统,因来不及校正而难以产生很好的效果。2.6滑模变结构控制

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滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策

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3位置编码器与无传感器位置检测技术

高性能永磁交流伺服系统离不开精密的位置、速度反馈信息,采用合适的位置编码器或无传感器位置检测技术是生产高性价比交流伺服系统的前提。永磁伺服电机位置编码器包括磁开关式、光栅式和旋转变压器等多种方式。

(1)磁开关式编码器 将开关型霍尔元件安装在永磁电机定子槽口或端部构成的简易磁开关式编码器,具有成本低、安装方便、可获得电机绝对位置等优点,目前在永磁无刷直流电动机中获得较广泛的应用。在正弦波驱动的永磁伺服系统中,这种编码器的分辨率显得太粗糙,但这种粗分辨率的编码器可以支持无传感器位置控制技术。即通过简易磁开关式编码器的粗定位可以简化无传感器位置辨识的难度,并能校正无传感器位置辨识的误差。这种方案在永磁伺服系统中应该有一定的发展前途。

(2)光栅编码器 目前永磁伺服系统中主要采用混合式光栅编码器和绝对值式光栅编码器。

混合式编码器的优点是引线较少、接口简单、响应速度快、成本较低廉,缺点是系统初上电时无准确定位角,需要采用掉电位置角记忆功能或电机失电转子自锁功能才能确保系统重上电后的准确定位。目前国内许多永磁伺服系统采用混合式编码器。绝对值编码器分辨率高,能在任何工况下检测出电机转子准确位置,但绝对值编码器引线多、成本较昂贵。为了解决绝对值编码器引线多的缺陷,一种并转串口输出的绝对值编码器应运而生,但受到串口传输速率的。这种绝对值编码器不能应用在转速较高的伺服系统中。

(3)旋转变压器 旋转变压器解决了混合式光栅编码器不能获得高精度绝对位置和绝对值编码器引线太多的矛盾,旋转变压器输出的模拟正弦信号通过鉴幅或鉴相处理获得数字量的转子绝对值信息。目前在许多交流伺服系统中得到了应用。

位置编码器提供了电机所需的转子信号,但也给伺服系统带来了一些问题:¹增加了转子轴的转动惯量;º系统易受干扰;»了应用场合;¼增加了系统成本;½加大了电机空间尺寸和体积。为了克服上述缺点,近年来无机械位置编码器的永磁同步电动机伺服系统研究十分活跃。其基本思路是根据电机的特点,建立电机数学模型,估算永磁同步电动机转子的位置和速度,即用电气特性来反映其机械运动特性。无编码器永磁同步电动机控制系统中转速和转子位置的估计方法大致可以归结为以下几种。

(a)基于电机电磁关系的转速/位置估算方法。该方法是利用永磁同步电动机的电压方程和磁链方程,经过推导得到转子位置角和转速表达式;或者通过计算定子磁链矢量位置(也即计算感应电动势的位置),再估计转速和转子位置。其优点是计算量小、简单、易于实现,但在低速情况下估计精度下降,而且此法对电动机的参数依赖较大。当由于温度变化、磁饱和效应等导致电动机参数发生变化时调速精度也随之下降,鲁棒性差,例如反电势在低速情况下很小,难于检测,转子磁链对定子阻抗变化很敏感。因此,应用这两种方法时最好结合电机参数在线辨识。为了解决低速时估算不准的问题,一些学者提出了各种改进方法。如:ShinNakashima等人提出了一种基于定子铁心受转子磁极影响的非线性磁化特性估计转子位置的方法,ToshihikoNoguchi等人采用了谐波功率的相位信息检测转子位置的方法,AlfioConsoli等人提出了高频注入法等。

(b)基于各种观测器的估算方法。观测器的实质是状态重构,其原理是重新构造一个系统,利用原系统中可直接测量的变量,如输出量和输入量作为它的输入信号,并使其输出信号在一定的条件下等价于原系统的状态,我们称这个用以实现状态重构的系统为观测器。这种方法具有稳定性好、鲁棒性强、适用面广的特点,但是由于它的算法比较复杂,计算量较大,受到计算机或微处理器计算速度的。近年来,随着微型计算机技术的发展,出现了高性能的微处理芯片和DSP,大大地推动了这一方法在无传感器控制系统中的应用。常用的有自适应观测器、变结构观测器、卡尔曼滤波器等。19年,C.Schauder发表了采用自适应观测器方法来估计异步电机的速度和位置的研究成果,奠定了自适应观测器方法在异步电动机的无速度传感器矢量控制系统中应用的基础。YoonSeokHan等人提出了一种滑模观测器,估计定子阻抗并实现无速度/位置传感器的永磁同步电动机控制。滑模运动与控制对象的参数变化以及扰动无关,因此具有很好的鲁棒性,但是滑模变结构控制在本质上是不连续的开关控制,因此会引起系统发生抖动,这对于矢量控制在低速下运行是有害的,将会引起比较大的转矩脉动。去抖的同时仍然保证系统的鲁棒性将是这种控制迫切要解决的问题。卡尔曼滤波器是由美国学者(R.E.Kalman)在20世纪60年代初提出的一种最优线性估计算法,其算法采用递推形式,适合在数字计算机上实现。BolognaniS.等人提出了扩展卡尔曼滤波器,他采用直接选择协方差矩阵来改进了传统的试错法,主要特征是将归一化的受控系统模型和EKF 55

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算法结合起来,这样做的好处是得到了一个归一化的协方差矩阵,避免了传统试错法的缺点。推广卡尔曼滤波器的算法复杂,需要矩阵求逆运算,计算量相当大,为满足实时控制的要求,需要用高速、高精度的数字信号处理器,这使无机械传感器调速系统的硬件成本提高;另一方面,推广卡尔曼滤波器要用到许多随机误差的统计参数,由于模型复杂,涉及因素较多,使得分析这些参数的工作比较困难,需要通过大量调试才能确定合适的随机参数。

(c)人工智能理论基础上的估算方法。进入20世纪90年代,电机传动上的控制方案逐步走向多元化。智能控制思想开始在传动领域显露端倪,专家系统、模糊控制、自适应控制、人工神经元网络纷纷应用于电机的位置、速度辨识和控制方案。相信在不远的将来,随着智能控制理论与应用的日益成熟,会给交流传动领域带来性的变化。

小功率超精密交流伺服系统(如航天卫星上的某些随动系统)重新激发了人们对线性功率放大器的应用与研究热情。目前线性功率放大器可以集成在运算放大器内并有优良的性能(如美国APEX公司的线性功率放大器等),三相永磁交流伺服系统线性功率放大器有正负双电源供电方式和单电源供电方式两大类。前一种供电方式的优点是各相驱动信号、控制简单,可通过连接到公共点的三相取样电阻直接获得三相电流取样值,但电机引线多(三相需6根引线)、电源复杂;后一种供电方案仅需一组电源,电机引线少,但控制信号相互关联,控制较复杂,各相电流取样无公共点,需通过线性隔离电路将三相电流反馈信息传递给控制电路。线性功率放大器输出的电流波形失真率可减少到0.1%以内,为低脉动转矩的永磁伺服驱动系统奠定了基础。

5串行通讯与网络化技术

传统的交流伺服系统单元与上位控制单元的接口主要采用模拟信息接口(如0~+/-10V,4~20mA标准等)和脉冲串信息接口(包含位置、速度及方向信息),其缺陷是传递信息量少,无法满足日益发展的工厂自动化控制需求。串行通讯与总线控制方式是解决上述不足的有效平台。

1987年德国机床协会和电力电子协会联合提出了串行通讯国际标准,即SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem)接口作为高性能运动控制系统闭环数据串行实时通讯接口,1994年SER-COS已成为控制器与数字伺服系统接口的国际标准并作为IEC61491标准获得通过。因此具有开放性,迄今成员已增加到70多个公司,其有效数据传输率已达到1Mbit/s,目前已能满足2ms内实现一台控制器与多达32个伺服单元的数据通讯,为伺服网络化铺就了一条宽阔大道。

国内生产的交流伺服系统尚未含标准化串行通讯软件,制约了国产化交流伺服系统的推广应用。

4主电路与驱动技术

先进的控制策略需要通过功率变换器才能实现对永磁同步电动机的最佳控制。电力电子技术的飞速发展促进了永磁同步电动机功率变换器的更新换代,在经历了GTR、PowerMOSFET、IGBT构成的主电路之后,目前大多数永磁交流伺服系统采用了智能化IGBT模块IPM构成的主电路拓扑。IPM将主电路、驱动电路、保护电路、故障报警电路等集成在一个模块中,大大简化了交流伺服系统功率变换设计与制造的难度,并提高了系统工作的可靠性。一种内含电压自举电路的IPM模块(如美国仙童公司的FSAM系列IPM)将传统三相驱动电路所需的4路隔离电源简化为只需要一组电源,进一步简化了系统电路设计,减小了系统体积,并可省略控制电路与主电路之间的光电耦合器件,从而可以减少光耦存在造成的三相驱动电路上下桥臂死区误差,进一步提高驱动性能。PWM技术是开关型功率变换器

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的重要技术支撑,目前伺服系统中主要采用正弦PWM(SPWM)、优化PWM以及空间状态矢量PWM技术等。正弦PWM技术成熟,使用最广泛,但其电压利用率不高;而状态空间矢量PWM电压利用率高,开关损耗小,已逐步推广应用到交流伺服系统中;优化PWM可根据需要消除任何高次谐波,输出波形最优化,并可减少功率变换器开关损耗,但计算工作量大,需要高速CPU的支持才能实现,是今后的一个重要发展方向。PWM逆变器的开关死区是造成交流伺服系统性能下降(低频力矩减少、转矩脉动和噪声增加、发热加重等)的一个关键因素,补

6结 语

永磁交流伺服系统发展日新月异,但目前尚缺乏国产化高端产品。新材料、新器件、新技术不断涌

现,高、精、尖伺服系统的需求日益扩大,为我国高端永磁交流伺服系统产品化提供了发展空间,只要我们抓住机遇,不懈努力,可以预见在不久的将来,国产化高端永磁交流伺服系统产品必将在高性能要求的伺服驱动领域(精密数控机床、特殊加工机械、航天航空设备等)和中、大功率伺服驱动领域中占有重要的一席之地。

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偿开关死区效应是目前和今后的研究热点之一。

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读者园地 eaders'home

多,转矩波动则越小;反之,极对数越多,每极下的元件数会越少,转矩波动会越大。另外,极对数少,线圈几何尺寸大,换向电感大,换向不好。反之,极对数多,线圈几何尺寸小,电感小,换向好。其次电枢槽数K越多,可放导体数越多,所以反电势系数Ke越大。Ke越大,同一电压的空载转速越低,堵转转矩越大。也就是说,K越多,电机空载转速越低,堵转转矩越大。元件匝数N1越多,有效导体数越多,所以Ke越大。Ke越大,同一电压下的空载转速越低,堵转转矩越大。也就是说,N1越多,电机空载转速越低,堵转转矩越大。极弧系数A越大,气隙磁通5越大,所以Ke越大。故A越大,电机空载转速越低,堵转转矩越大。电枢外径D越大,槽中导体运动的线速度v越大,所以反电势系数Ke越大。故D越大,电机空载转速越低,堵转转矩越大。电枢铁心长度L越长,导体切割磁场的有效长度越长,所以Ke越大。故L越长,电机空载转速越低,堵转转矩越大。故L越长,电机空载转速越低,堵转矩越大。气隙磁密BD越高,气隙磁通5越大,所以Ke越大。故BD越高,电机空载转速越低,堵转转矩越大。从公式中可以看出,上述参数都与直流力矩电动机的反电势系数Ke成正比,而Ke又与电机的空载转速n0成反比,与堵转转矩成正比。所以用反电势系数计算公式阐述参数对永磁直流力矩电机性能参数影响的物理概念,形象又简洁,容易理解。

路也是不行的,而判断片间短路可行。因匝间短路电阻变化微小,一般不会影响片间电阻变化,所以无法判断。而片间短路理论上会使两片间电阻为零,所以可以判断。下面以两台永磁直流力矩电动机为例说明。一台为匝间短路,测得该电机一个节距内的11个片间电阻分别为3.78、3.68、3.68、3.78、3.78、3.78、3.68、3.68、3.68、3.78、3.78。从这些电阻数据上,要判断出该电机是否有匝间短路现象很困难,因测量时的接触电阻也会变化0.18。另一台为片间短路,测得该电机一个节距内11个片间电阻中10个为17.28,1个为3.78,可以判断3.78点为片间短路。理论上片间短路短路点电阻应为零,这里为何不为零?因片间短路一般由焊锡颗粒或铁渣引起,会产生一定大小的接触电阻,这也是片间短路对电枢电阻变化不敏感的原因之一。

而匝间短路与片间短路对电枢电感影响则不一样。原因是匝间短路与片间短路的短路环具有降低铁心等效磁导率的作用,所以即使短路一匝,从电枢电感变化上也可敏感地反映出来。另外,出现匝间短路与片间短路,等效于绕组匝数减少,电感与匝数的平方成正比,所以出现匝间短路与片间短路,也可以从电枢电感变化上反映出来。实践中正是这样,出现匝间短路或片间短路的电机,电枢电感明显比正常电机更小,空载电流更大。生产中,匝间短路无返修价值,片间短路有返修价值。为了减少损失,可用测片间电感的方法鉴别是匝间短路还是片间短路。正常电机的一个节距的所有片间电感相等;而有匝间短路的电机,一个节距内大部分片间电感较大且相等,少数片间电感较小,但差距不大。如前面匝间短路电机,一个节距内9个为0.93mH,另三个为0.66mH,0.71mH,0.59mH。有片间短路的电机,一个节距内只一个片间电感近似为零,其余所有片间电感较大且相等。如前面片间短路电机,一个节距内10个片间电感4.6mH,一个为0.04mH。后经排除故障,电机合格。可见电感对匝间短路与片间短路较敏感。

3匝间短路与片间短路为什么对电枢电阻变

化不敏感,而对电枢电感变化很敏感?

永磁直流力矩电动机是一种只有一个并联支路数a=1的多元件串联单波绕组电机。某一元件短路几匝或某片间短路几个元件,对总的电枢电阻来说影响并不大,故敏感度较差。通过测量总电枢电阻的大小来判断电机是否有匝间短路和片间短路,这是根本不行的。那么是否可以通过测量一个大节距内的片间电阻(一个节距片间电阻便把所有元件的电阻包括进去了)来判断呢?我们认为用此法判断匝间短

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作者简介:黄声华(1951-),男,教授,博导,研究方向为电机及其控制。

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作者简介:王扬威(1980-),男,博士研究生。主要研究方向为仿生机器人、机电控制。

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