伺服系统及相关建议.doc

伺服电机系统 刘长庚 2012-3-272012年二月份向 陈生 请教伺服电机时，陈生 要求我上交一份有关对伺服电机如何理解的资料，因故未能及时呈交。如今算是完成，虽然绝大部内容都是从网络及书籍上抄而来，但这个过程也是再一次的学习过程。我本意不是说明我在学习什么，而是向管理层提一个建议，多余的资料只是附带的。第一部分自己对伺服系统的理解伺服系统定义：根据当前所知信息，对伺服系统的定义可概括为：执行机构按照控制信号的要求动作。也即没有控制信号时，被控对象是不动的，有控制信号，被控对象就按控制信号动作。伺服电机历史：伺服机构理论起源于二次世界大战期间，美军为了发展具有自动控制功能的雷达追踪系统，委托了研究机构发展控制机械系统的闭回路控制技术，以强化巡航导弹等导向武器精准度，此一发展奠定了后来伺服机构理论的基础。而微处理器及集成电路的不断进化，不仅带动了资讯产业的发展，也间接带动了伺服驱动技术的发展。伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的： 以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。 在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。 使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。在上世纪60年代以前，伺服驱动是以步进电机驱动的液压伺服马达，或者以功率步进电机直接驱动为特征，伺服系统的位置控制为开环控制。 6070年代是直流伺服电动机诞生和全盛发展的时代，直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用，伺服系统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制。在数控机床应用领域，永磁式直流电动机占据统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。 80年代以来，随着电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的快速发展，大大推动了交流伺服驱动技术，使交流伺服系统性能日渐提高，与其相应的伺服传动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化的发展历程。90年代开环伺服系统迅速被交流伺服所取代。 进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。伺服系统的发展趋势：数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：1. 交流化 伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已经超过80%。在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，交流伺服电机将完全取代直流伺服电机。2. 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如:最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。3. 采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGBT）等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent Power Modules，简称IPM）。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。4. 高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。5. 智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性;除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。6. 模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation 简称FA）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。综上所述，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。伺服系统分类：当前工业伺服系统驱动的电机大概有以下几类：l 步进电机（Step Motor）,l 有刷直流电机（Breshed DC Motor）,l 无刷直流电机（Breshless DC Motor，简称BLDC）,l 交流感应电机（AC Induction Motor，简称ACIM），l 永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor 简称PMSM)如下几个部分简介各种电机工作原理。步进电机工作原理步进电机外观如下图： 结构如下： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。一、单三拍通电方式的基本原理设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A极的位置（下图a）；接着B相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30，它的齿和C、C极对齐（下图图c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按ACBA的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。二、六拍通电方式的基本原理设A相首先通电，转子齿与定子A、A对齐（下图a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如下图3所示，即转子从下图(a)位置顺时针转过了15。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B极对齐（下图c），转子从下图(b)的位置又转过了15。其位置如下图d所示。这样，如果按AA、BBB、CCC、AA的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。三、双三拍通电方式的基本原理如果每次都是两相通电，即按A、BB、CC、AA、B的顺序通电，则称为双三拍方式，从上图b，和上图d可见，步距角也是30。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角可用下式计算：360/(Zrm)式中Zr是转子齿数；m是运行拍数。一般步进电动机最常见的步距角是3或15。由上式可知，转子上不止4个齿（齿距角90），而有40个齿（齿距角为9）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如下图所示。由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。 有刷直流电机工作原理有刷直流电机外观照片如下 有刷直流电机的基本工作原理有刷直流电机由永久磁铁、电枢、换相器等组成。如下左图 所示，上下是两个固定的永久磁铁，上面是N 极，下面是S 极， 磁力线从N 到S。两极之间是一段可旋转的导体abcd, 称为电枢。电枢的ab 段与cd 段分别连接到两个互不接触的半圆形金属片上，这两个金属片称为换向器。如图 1.5 所示，在换向器的AB 两端上加上一个上正下负的直流电压，电流由a 到b，由c 到d。根据左手定则，ab 段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，cd 段向右移动。在这两个力的作用下，abcd 电枢开始逆时针旋转，因为换向器和电枢固定在一起，它也跟着转动。当电枢转过180时如下左图所示，cd 段在上方，ab 段在下方，电流由d 到c,由b 到a。根据左手定则，cd 段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，ab 段向右移动, 即电枢继续往逆时针旋转方向旋转。当电枢再转过180后，变回如上左图的情况，电机继续重复地转动。如果把AB 两端的电压方向反过来，电枢将顺时针旋转，原理同上。直流电动机（DC Motor）的好处为在控速方面比较简单，只须控制电压大小已可控制共转速，但此类电动机不宜在高温、易燃等环境下操作，而且由于电动机中需要以碳刷作为电流变换器（Commutator）的部件（有刷电动机），所以需要定期清理炭刷磨擦所产生的污物。无刷直流电机（BLDC）工作原理无刷电机将绕组作为定子，而永久磁铁作为转子，结构上与有刷电机正好相反。无刷电机采用电子线路切换绕组的通电顺序，产生旋转磁场，推动转子做旋转运动。无刷直流 (BLDC) 电机可以想象成与刷式直流电机截然相反，其中永久磁性在转子上，而绕线在定子上。因此，该电机没有刷子和换向器，消除了与刷式直流电机产生火花相关的劣势。无刷直流电机内部结构外及观照片如下：无刷直流电机分为内转子式（转子在内部）与外转子式（转子在外部）两种情况，上图的电动车轮子上的电机属于外转子式无刷直流电机。下图所示为内转子式电机，现以内转子式电机做例介绍。BLDC的定子： 下图是BLDC电机的定子照片。直流无刷电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中，如上图。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同，多数BLDC电机都有三个星型连接的定子绕组，这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接而成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接构成绕组，沿定子圆周分布这些绕组，以构成圆形磁场。BLDC的转子：下图是BLDC电机转子中的永磁体的安装示意图转子用永磁体制成，可有2对到8对磁极，南北磁极交替排列，要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料，传统使用铁氧体来制造永磁体，随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎，铁氧体便宜，缺点是给定体积的磁通密度低，相比之下，稀土合金的单位体积的磁通密度高，生成相同转矩所需的体积小，同时合金磁体能改善体积与重量之比。稀土合金有钕（Nd）、钴、钕铁硼铁氧体合金。工作原理：下图是无刷直流电机的结构示意图 和有刷直流电机不同，BLDC的电机的换向是以电子的方式控制的，要使BLDC电机转动，必须按照一定的顺序给定子绕组通电，所以确定转子的位置很重要，为了确定转子的位置，在电机中放入了霍尔传感器。下图为BLDC电机的横截面图形，显示各部分的按照关系。每次换向时都有一个绕组连接到控制电源的正极，第二个绕组连接到控制电源的负极，第三个绕组处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用力产生的。理想状态下转矩峰值出现在两个磁场正交时，而在两个磁场平行时最弱。为了保持电机转动由定子绕组产生的磁场应不断变换位置。“六步换向”定义了定子绕组的加电顺序。下图是用于控制BLDC电机的控制器的接线图，Q0到Q5半导体开关。无刷电机由于没有碳刷，无需维护寿命长，速度调节精度高。因此，无刷电机正在迅速取代传统的有刷电机，带变频技术的家用电器（如变频空调、变频电冰箱等）就是使用了无刷电机，目前散热风扇中几乎全部使用无刷电机无刷直流电机也被称为直流电机，是因为其线圈通过直流电源驱动，而直流电源是按预定顺序的形式应用到不同的定子线圈。这一过程称为换向。但是，BLDC 并不恰当，因为该电机实际上属于交流电机。在电路循环过程中，每个线圈中的电流正负交替。定子一般是凸极结构，旨在产生梯形反电动势波形，尽可能符合所应用的换向电压波形。但是实际上很难做到，产生的反电动势波形通常更像正弦，而非梯形。因此，PMSM 电机使用的许多控制技术（如场定向控制）同样适用于 BLDC 电机。BLDC 电机的另一个误解是关于其如何驱动。不同于开环步进应用中驱动的定子线圈决定转子位置，在 BLDC 电机中，转子位置决定要驱动哪个定子线圈。定子磁通矢量位置必须与转子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使电机操作顺畅。要实现这一目的，需要了解转子位置来确定要驱动的定子线圈。现有多种技术可实现这一目的，但最常用的技术是使用霍尔效应传感器监控转子位置。遗憾的是，这些传感器及其相关连接器和线束会增加系统成本，并降低可靠性。为减少这些问题，已有多种技术开发出来用于消除这些传感器，进而实现无传感器操作。多数技术依靠在电机旋转时，从定子绕线的反电动势波形中提取位置信息。但是，依靠反电动势传感的技术在电机旋转缓慢或静止时便无用武之地，因为此时反电动势波形很弱或根本不存在。因此，我们不断开发新技术，以在低转速或零转速时从其它信号中获取转子位置信息。BLDC 电机在效率额定值方面占绝对优势，一般可达到 95% 左右。当前对新非晶合金材料的研究正在将这一数字推向新高。已有报道称 100W 范围内效率为 96%。BLDC 电机还在争夺“世界最快电机”之称，部分电机速度可达到数十万 RPM（其中一项应用中已报道 400K RPM）。最常用的 BLDC 电机拓扑使用 3 相定子结构。因此，标准的 6 晶体管反向器是最常用的功率级，如上图所示。根据运行要求（含传感器与 无传感器、换向与 正弦、PWM 与 SVM 等），有很多方法可驱动晶体管来达到所需目标，不胜枚举。这对一般位于微处理器中的 PWM 发生器的灵活性提出了极高要求。好消息是，TI 的电机控制处理器可轻松满足这些要求。交流感应伺服电机电机AC 感应电机 (ACIM) 是消费电子类应用和工业应用中最受欢迎的电机，代表了工业革命的力量。十九世纪末，Nicola Tesla 首次构想出“无火花”电机的概念，即由两个静态相位以正交关系构成的多相结构。自此以来，又改为更为常用的 3 相结构，实现了电机电压和电流的平衡操作。该电机没有刷式直流电机那样的刷子/换向器结构，不会产生火花相关的问题，如电噪声、刷子磨损、摩擦高和可靠性差等。转子和定子结构中磁性的消失进一步增强了可靠性，也降低了制造成本。在高功率应用中（如 500 HP 和更高应用），AC 感应电机是现有最高效的电机，可以达到 97% 或更高的效率额定值。但在轻载条件下，产生转子磁通所需的正交磁流占定子电流的很大部分，导致效率降低、功率因数操作较差。ACIM 使用正弦电压和电流驱动时表现最佳。ACIM 的优点之一是能通过低扭矩纹波实现难以置信的顺畅操作。为了实现此目的，多数 ACIM 包含开槽定子结构，其中绕线按正弦绕线分布置于槽中，从而在气隙中呈现正弦磁通分布。此磁通也连接转子绕组，转子绕组的两端短接铜棒或铝棒，并安装在软铁或其它铁基材料组成的堆栈式层压结构上。在大多数情况下，降低转子棒的电阻可以提高电机效率。随着这些导体中的磁通减少，转子棒中将施加 d-flux/dt 电压，从而在转子中产生电流。换言之，电流从定子电路感应到转子电路，与从标准变压器的初级线圈感应二次电流差不多。此转子电流会产生自己的磁通，并与定子 mmF 交互产生扭矩。但是，为了在转子棒上实现 d-flux/dt 效应，转子不能以定子磁场相同的旋转速度旋转。因此，感应电机归类为异步电机。定子磁通矢量与转子之间的转速差异称为转差。随着电机轴所需扭矩增加，转差率也会增加。总之，电机速度是定子极数、电机扭矩（最终为电机转差）和 AC 输入电压频率的函数关系。3 相拓扑是变速应用的理想选择。3 相转换器的常用方法如图所示，只需改变所应用波形的电压和频率（开环 V/Hz 或标量控制），即可控制电机速度。在扭矩环路周围回绕速度环路来采用场定向控制 (FOC)，也可控制速度。前者可以通过经济的器件（如 MSP430）轻松实现，但 FOC 更适合强大的 32 位处理器（如 TI C2000 处理器）。用于交流伺服系统的感应电机同普通的笼式感应电机的主要区别体现在电机的设计上，主要区别点如下：l 将转子的长度和直径比设计的较大，以减小转动惯量l 采用磁动势谐波含量小的电驱绕组，以提高气隙磁场波形的正弦度，抑制谐波磁场的影响l 转子通常不采用闭口槽，以减小转子漏磁，提高电机功率因数和过载能力l 采用优化的转子槽型下图是感应电机的外观及结构图：三相电如何产生旋转的电磁场在三个线圈通上三相交流电后，在定子铁芯中间会形成一个旋转磁场，如下图：下图展示三相交流电与旋转磁场的模拟动画截图。在A相线圈端口输入的是A相电流IA，在端口有箭头标明电流的方向；在B相线圈端口输入的是B相电流IB，在端口有箭头标明电流的方向；在C相线圈端口输入的是C相电流IC，在端口有箭头标明电流的方向。在定子铁芯中间有A相电流形成的黄色磁场箭头，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向；同样绿色与红色箭头分别代表B相与C相的磁场强度与方向；紫蓝色的箭头是A、B、C三相的合成磁场，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向。如何产生感生电流与磁场 如下图所示，定子产生的旋转磁场切割转子上的铜环，产生感应电流，该电流又产生感生磁场，与定子产生的磁场相互作用，产生转矩。伺服系统如何控制感应电机感应电机伺服控制系统的核心是对感应电机电磁转矩的快速控制，20世纪70年代西门子公司的F.Blasschke提出了矢量控制，也称磁场定向控制，自此对感应电机的伺服控制才算真正应用起来。感应电机伺服控制系统的构成如下图，系统由三相感应电机、电压型PWM、逆变器、电流传感器、速度传感器，电流控制器、速度控制和位置控制器等部分组成。系统结构如下图： 如下图,由DSP芯片通过磁场定向控制等复杂计算后控制三极管的通断产生驱动定子线圈的电流。永磁同步伺服电机电机永久磁性同步电机 (PMSM) 可以看做 AC 感应电机和无刷直流电机 (BLDC) 的交叉产品。永磁同步伺服电机同无刷直流电机在理论结构上相似，都是定子产生旋转磁场，转子为永磁体，转子永磁体在定子旋转磁场的作用下产生转矩。不同点在电机本体的设计上（磁路结构及绕组分布）与对电机的控制算法上。其中交流永磁同步电机的驱动波形为正弦波，绕线的构建方式可在机器气隙中形成正弦磁通密度，并且使用正弦波形驱动时运行最佳。驱动算法为包括矢量控制等的复杂算法，要完成其算法需要计算速度很快的单片机，无刷直流电机的驱动波形为梯形波或方波，不需要什么算法，控制效率不及PMSM,噪音及振动比PMSM大。 交流永磁同步电机同交流感应异步电机在控制算法及驱动方式上类似，都用到了矢量控制等复杂算法。不过其控制方式较交流感应异步电机简单一些，因为其转子为永磁体，无需像交流感应电机一样考虑转子的感应电流。较之 交流感应电机（ACIM），同等大小的 永磁同步（PMSM ）电机可提供更高的功率密度。这是因为对于感应电机，部分定子电流需要“感应”转子电流来产生转子磁通。这些附加电流会在电机内部产生热量。但在 PMSM 中，转子磁通已通过转子上的永久磁性建立。多数 PMSM 利用转子表面安装的永久磁性。这使得电机呈现“圆”磁场，而电机扭矩是转子磁性和定子电磁之间反作用力的结果。这样，将典型 FOC 应用的直轴电流调节为 0，可使最佳扭矩角为 90 度。但部分 PMSM 的磁性埋在转子结构内。这些电机被称为“内藏式永久磁性电机”或 IPM 电机。因此，特定空间角度的径向磁通较其它角度更集中。这便产生了名为“磁阻扭矩”的附加扭矩分量，它是由集中和非集中磁通路径的电机电感变化引起的。这使得最佳 FOC 扭矩角大于 90 度，需要将直轴电流调节为交轴电流固定的负比率。该负直轴电流也会导致磁场变弱，从而降低直轴的磁通密度，反过来减少部分磁芯损耗。因此，IPM 电机对于给定帧大小可提供更高的电源输出。这些电机逐渐成为混合电动汽车、电器和 HVAC 变速应用的牵引电机。 下图为永磁同步伺服电机的定子模型图：下图为永磁同步电机的转子模型图：伺服系统如何控制交流永磁电机永磁同步电机矢量控制系统框图如下图所示.从图可知，永磁同步电机矢量控制系统主要由下面几部分组成：1)转子磁极位置检测和速度计算模块;2)速度，电流调节器;3)坐标变换模块;4)SVPWM模块;5)整流和逆变模块;6)电压/电流采样模块。其控制过程如下：速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较，经速度控制器的调节，输出指令信号，作q轴电流控制器给定信号，d轴电流控制器的给定信号为0。电流采样得到的三相定子电流通过Clark变换化为坐标系两相电流，通过Park变换后，化为d-q旋转坐标系的电流值，分别是d轴和q轴电流调节器的反馈输入。d轴和q轴电流的给定和反馈之间的偏差分别输入到d轴和q轴的电流控制器，经过控制器的调节后输出电压，再经过Park逆变换分别化为-坐标系轴电压，调制SVPWM模块输出六路PWM，驱动IGBT产生频率和幅值可变的三相正弦电流输入电机第二部分 本人的建议 相关资料报道，伺服电机不仅智能而且节能，取代普通电机是工业化趋势，国外工业中所用到的电机80%都是伺服系统控制的电机，也讲到西方工业如何如何先进，伺服系统功劳多大，这个我们姑且放下不理，就我们这个公司来说，我感觉我们在做机械设备时对 低成本的伺服系统 也是有需求的，如我们需要控制电机比较精确的从一个位置走到另一个位置，我们需要控制电机转多少转等，再复杂一点的如我们需要控制运动轨迹，这些都离不开伺服系统。所以建议公司做伺服控制系统。现从技术的可行性及成本的可行性上做分析以支持这个建议技术方面： 不可否认，伺服控制系统开发行业在当今仍然算是技术含量很高的，并且是综合性的跨学科的行业，在开发过程中涉及到机械与电子方面的知识，所以伺服系统开发对工程师的要求非常高，工程师必须精通 机械设计、电磁学、电机学，电子学、高等数学（尤其重要），要求工程师熟悉嵌入式系统开发，熟悉磁场定向控制技术，精通C/C+编程语言，精通数字信号处理（DSP）的结构及指令，也需要工程师熟悉电磁仿真、电路仿真及制作PCB板。在几年前，单个工程师从零做起想完成全部工作困难之大可想而知。但是，随着技术的发展，芯片公司生产出了专门用于电机控制的芯片，为了降低伺服系统开发难度从而更好地推广其芯片，就编写出整套控制方案，并将开发中所需的各种非常专业的知识打包集成，并公开各种电机控制算法、原理图、程序源代码等等。从而降低这个行业的开发门槛，使只要稍稍具备基本机械设计知识的电子工程师也能做出一套伺服系统来，虽然这个过程仍有一定难度。 通过长时间的了解发现，当前能提供开发板的厂家有如下几家：德州仪器（TI），ADI公司等，其中以TI公司提供的开发板种类最多，提供的技术资料最为全面。该公司有一款高电压伺服驱动控制开发板非常适合做工业伺服电机开发用，名称为 “高压 PFC 和电机控制开发者套件”（TMDSHVMTRPFCKIT），包括了一块开发板（价格为599美元）和一个1千瓦的电机（价格为299美元），共计900美元。为提供一个直观概念，现做一个比较：当前所购松下机械手中的伺服电机是采用 多摩川精机(Tamagawa) 公司的TBL i系列电机。其中有一个轴所用的伺服电机是1.2千瓦的，上图所示开发板就能驱动我们所购买的松下机械手中的那个个1.2千瓦的电机。 另外，退一步讲，即使单个工程师在开发过程中遇到了困难，使开发进行不下去，但是，所购的开发板在不做任何更改的情况下也是一个1.5千瓦的伺服控制器，将其复制出来一样是一套伺服系统。另注：开发进行不下去的情况几乎不可能发生，现在信息发达，介绍了很多开发系统的知识，而且芯片厂商也一对一提供技术支持。所以技术方面是可行的。成本方面：一个伺服电机系统主要包括 伺服马达 和 伺服驱动器 两部分组成。其中伺服驱动器是属于电子部分，根据开发板提供的原理图，大概计算了一下 一个能驱动 1.5千瓦的伺服电机的控制器的电子料的大概成本芯片名称功能单价需要个数总价格（人民币）TMS320F28系列主控制芯片，是伺服控制系统的核心，4到10美元之间160TPS79533电源芯片1美元320OPA2350信号放大器，放大采集到的弱电信号2美元430TXB0106电平转换器，负责将1.8v逻辑信号转换为3.3V逻辑信号0.8美元16SN74LVC2G17DBVR双向施密特触发缓冲器0.5美元26ISO1050隔离芯片，用于隔离CAN总线通讯时的强电与弱电信号2美元115PS21765IPM模块，从DSP接收到控制信号后直接为电机提供驱动电流5美元130REF5025AIDG4电压基准芯片，为系统提供基准电压。1美元18UCC27324双 4A 峰值高速低侧电源 MOSFET 驱动器1美元18FT2232DUSB接口芯片，用于同PC机的通讯及调试2美元11593LC46B存储芯片0.2美元12ISO72424通道数字隔离器2115IPP60R250CP600v电压的开关管1美元215PTH080802.25A 4.5V 至 18V 输入宽调节微型电源模块1美元110电阻电容电感20电风扇，散热片等20PCB板20其他未记录材料5整个伺服驱动器电子料大概成本为265元(人民币)伺服马达属于机械部分，当前只能外购。伺服马达价格：美国Anaheim Automation 公司提供1.5千瓦伺服电机本体报价为350美元，其参数为：带电磁抱闸，最大转速3000转/分，峰值扭矩最大可为额定扭矩的3倍，峰值电流可达额定电流的3倍 永磁体为钕铁硼磁体,自带增量编码器分辨率为2500 PPR(每转脉冲数)，有CE认证,IP65防护等级国产的性能大致相同的型号的电机价格在1500人民币，所以以一个1.5千瓦的伺服电机为例，整个的伺服系统成本大概在2000到2500元之间。前景： 有了伺服控制开发能力后，我们就可以自己编写嵌入式程序来控制电机动作，可以先从最简单的单轴运动控制做起，保证电机比较精确地从一个位置移动到另一个位置，再接着从控制两轴做起，控制两个电机完成指定运动轨迹，如取零件操作。再接着控制多轴完成更复杂的工作。 总之，前景应该不差。本人十分愿意为之努力！