驱动方式对永磁伺服电机性能的影响分析

吴昊 苏锦智

摘 要：永磁伺服电机功率因数高，密度大，体积小，具有较为广泛的应用优势。从驱动控制器供电和电流波形角度来看，永磁伺服电机分为正弦波永磁同步电机与无刷直流电机。本文分析了永磁伺服电机的驱动方式及其电机转矩。由于永磁伺服电机驱动方式趋于多样化，人们需要改变多种驱动方式的电流、过载能力以及转矩等，评价其应用优势，确保永磁伺服电机广泛应用于诸多领域。

关键词：驱动方式;永磁伺服电机;性能

中图分类号：TM383.4文献标识码：A文章编号：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

与普通电励磁电机相比，永磁伺服电机具有较多优势，如功率高、重量轻以及密度大等，广泛应用于机床、航空航天、机器人等领域。根据具体驱动方式，永磁伺服电机分为两种。一是正弦波永磁同步电机，由正弦波驱动;二是矩形波永磁同步电机，即无刷直流电机，由矩形波驱动。目前，人们研究了不同驱动方式下的永磁电机性能，在换向区域中分别采用三相绕组、PWM-ON调制。换向区域在使用三相绕组的基础上需要把电流预测与控制方法相融合，使电机换向转矩脉动。

1 永磁伺服电机电磁设计

1.1 氛选取

气隙大小是永磁伺服电机设计的关键影响因素。有效改变气风长度，可大大提升电机主磁通运行能力，确保永磁材料使用量和空载电流降低，为电机功率的提高奠定良好基础。电机装配是电机运行的重要环节，会受到气隙长度的影响，其中，气隙尺寸减小会使齿槽效应增强，所以应确保气隙尺寸设计的合理性。为了确保电机峰值转速工况3倍弱磁能力，同时使电击转矩满足要求，人们应根据有限元仿真，分析氣隙长度对电机转机能力和齿槽转距的影响。在电流相位一定的基础上，若气缝长度增加，电机电磁转距反而降低，两者呈负相关，对电机齿槽转柜而言规律相同。

1.2 极槽配合——极速确定

从电机本体角度分析，多极会影响线圈节距，极易导致线圈节距变短，而绕组端减小能够降低电机定子相电阻，提高电机运行效率。由于电机定子绕组端会受到多级的影响，降低漏电感，影响电机弱磁调速，无法确保定子铁耗在稳定的数值内，导致电机峰值转速效率很难提高，因此永磁伺服电机极速的合理选择尤为重要。

2 样机参数及电机控制原理

2.1 正弦波永磁同步电机控制原理

正弦波永磁同步电机额定频率是133 Hz，电机运行期间，电网频率很难满足需求。所以，正弦波永磁同步电机运行期间，变频控制器扮演较为重要的角色。电路控制期间，一般采用正弦波永磁同步电机完成矢量控制工作。

2.2 无刷直流电机控制原理与模型建立

在研究无刷直流电机模型的过程中，为了有效分析问题，人们需要提出以下几种假设：电机绕组均匀且对称分布;忽视定子齿槽产生的影响;三相反电动势具有同一幅值，是一种梯形波。其中，无刷直流电机采用两两导通方法，其电压平衡方程为：

式中，[Ua]、[Ub]、[Uc]为三相绕组相电压;[R]为电机三相绕组电阻;[ia]、[ib]、[ic]为三相绕组电流;[L]为三相绕组电感;[ea]、[eb]、[ec]为三相反电动势。

无刷直流电机驱动以矩形脉冲驱动为主，无位置传感器。无刷直流电机广泛使用反电动势法，能够得到永磁电机转子初始位置，如果无刷直流电机A相绕组反电势过零，转子磁通位置与A相绕组处于一种平衡状态，A相绕组不会出现反电势。

3 驱动方式对永磁伺服电机性能的影响

3.1 不同驱动方式对电机性能的影响

转矩脉动是影响电机运行性能的一个重要指标，其产生原因主要是定子齿槽、反电动势波形等对永磁电机产生一定影响。但是，永磁电机运行期间，矩形波驱动力会受到换向的影响，进而出现一些异常，其以换向转矩脉动为主。因此，人们应对不同驱动方式实施分析，探究驱动对电机转矩脉动的影响。此外，电机性能评价与运行之间有较大关系，其性能评价可反映实际运行性能，主要采用转矩脉动系数完成评价，其转矩脉动计算公式如下：