廣數(shù)機器人專用伺服電機技術(shù)分析

劉洋洋

（廣州數(shù)控設備有限公司，廣東 廣州510530）

0 引言

交流伺服電機用于自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其任務是將加在電機控制繞組上的電信號轉(zhuǎn)換為軸上的機械角位移或轉(zhuǎn)速，廣泛應用于小功率隨動系統(tǒng)中。為了滿足自動控制系統(tǒng)的要求，伺服電機必須具有寬廣的調(diào)速范圍、線性的機械特性，能快速響應，且無慣性自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。機器人所用伺服電機性能的優(yōu)劣，直接影響到機器人動作位置的精準度。

1 伺服電機理論

1.1 伺服電機基本原理

伺服電機是一種交流永磁同步電機，其定子繞組通入三相正弦電，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子由永磁體產(chǎn)生磁場。定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用，形成扭矩，轉(zhuǎn)子隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場轉(zhuǎn)速相同。電機反電動勢、定子繞組壓降、直軸磁路回路、交軸磁路回路、定子漏抗壓降共同組成了電機電流回路。

1.2 SPM和IPM伺服電機的差別

SPM（永磁體表貼式）電機d軸和q軸磁路對稱，Ld＝Lq。而IPM（永磁體內(nèi)嵌式）電機d軸和q軸磁路不對稱，Ld＜Lq。

由于IPM電機d軸和q軸磁路不平衡，有磁阻轉(zhuǎn)矩，所以在弱磁時，d軸電流在降低轉(zhuǎn)子永磁體磁通的同時還能提供一定的轉(zhuǎn)矩補償，所以IPM電機比較適用于弱磁調(diào)速場合（如電主軸、電動汽車、主軸轉(zhuǎn)臺等恒功率負載場合），而SPM不能。也有一些公司使用IPM作為伺服電機方案，主要目的是節(jié)省伺服電機和驅(qū)動器模塊的成本，如FANUC。SPM電機一般使用Id＝0的控制方式，即沒有去磁電流（圖1）。

圖1 磁場定向控制時的時間向量圖

Id＝0控制時，電流無d軸分量，只有q軸分量，即電流與反電動勢E0同向，這時功率因數(shù)主要取決于反電動勢E0與交軸壓降的比值。對于SPM電機，一般是不允許有Id電流的。

1.3 伺服電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速

（1）如圖2所示，伺服電機運行受到電流極限圓即驅(qū)動器電流模塊的限制。如想電機輸出扭矩，則需要驅(qū)動器配合有相應的電流模塊。電流極限圓方程：

（2）如圖2所示，伺服電機同時受到電壓極限橢圓即變頻器母線電壓限制。在設計時需要注意，在運行的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，應使電機電壓不超過驅(qū)動器母線逆變后的電壓，同時要考慮驅(qū)動器逆變模塊元器件的飽和壓降、所配套的變壓器壓降等因素，要留有一定余量。電壓極限橢圓方程：

只有同時滿足以上兩點電機才能正常運行，如驅(qū)動器模塊不夠大、電機電壓（反電動勢）設計過高、母線電壓降低，都會導致無法運行。

圖2 電壓極限橢圓和電流極限圓

2 伺服電機設計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 轉(zhuǎn)矩波動

轉(zhuǎn)矩波動是衡量電機性能的重要標準之一，轉(zhuǎn)矩波動較大會造成電機運行不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定且不易控制，體現(xiàn)為機床加工工件表面紋路不平滑。轉(zhuǎn)矩波動主要取決于齒槽轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩。

（1）齒槽轉(zhuǎn)矩。由于電機鐵芯開槽，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，磁路中的磁阻將發(fā)生變化，導致磁場能量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機的轉(zhuǎn)矩隨齒槽而發(fā)生變化。齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原因有齒槽效應、磁路不對稱、定轉(zhuǎn)子不同軸、工藝槽影響磁路等。抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法通常有直接法、抵消法、極槽配合、無槽設計。每種方法都有一定的拐點，即該種方法下的最佳值，但每種方法都會對電機的其他性能產(chǎn)生影響。所以，設計時也會利用多重方法聯(lián)合的方式來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，同時兼顧電機其他性能。（2）紋波轉(zhuǎn)矩。紋波轉(zhuǎn)矩為電機反電動勢和驅(qū)動器輸出電流共同作用，其中的諧波分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動。所以需要電機的反電動勢和驅(qū)動器電流也盡可能正弦，才能降低紋波轉(zhuǎn)矩。

2.2 動態(tài)時間響應參數(shù)

（1）電氣時間常數(shù)L／R，影響電流環(huán)。同樣的定子、轉(zhuǎn)子、磁瓦選取不同的繞組匝數(shù)，保證槽滿率相同，此時電氣時間常數(shù)略有不同。匝數(shù)小的電氣時間常數(shù)略小于匝數(shù)多的，但相差不是很大。（2）機械時間常數(shù)Tm＝2π×J×n／（60×Tst），影響速度環(huán)。由于電氣時間常數(shù)的值遠遠小于機械時間常數(shù)，所以影響伺服電機的主要因素為機械時間常數(shù)。機械時間常數(shù)取決于電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣性、電機啟動轉(zhuǎn)矩。原則上電機的轉(zhuǎn)子慣量越小，同樣啟動轉(zhuǎn)矩下，動態(tài)性能越好。如電機在使用設備上，則慣量為整套系統(tǒng)的慣量（電機＋負載）。電機轉(zhuǎn)子的慣量設計，要考慮到使用設備慣量與電機的慣量比要求，一般較小的電機為15倍慣量比，如40電機。稍大一些的電機，慣量比要求小一些，機床用電機一般在5倍以內(nèi)，常使用中慣量電機。

3 與國外品牌伺服電機的對比

國外伺服電機品牌主要分為歐系和日系，歐系主要有西門子、AMK等，日系主要有安川、FANUC、三洋、松下等。歐系側(cè)重于高速電機，其多采用多槽的分布繞組，相對高檔；日系除FANUC外，多采用多極少槽的集中繞組方案，以經(jīng)濟型為主。

國外電機的優(yōu)勢：（1）齒槽轉(zhuǎn)矩較?。悍桨竷?yōu)化較合理，工藝能保證較好的同軸度。（2）振動噪音較小：通過分段錯極、無槽口等方案來優(yōu)化磁場波形，同軸度較好。（3）溫升低：日本多數(shù)電機均采用灌膠和塑封等工藝，使得定子散熱條件較好、溫升較低。（4）穩(wěn)速精度較高：在各個轉(zhuǎn)速、不同負載下使用均能保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。（5）動態(tài)響應好：配合配套的驅(qū)動器，動態(tài)性能較好，在擺動測試和機床加工工件時較為明顯。

提高自主品牌電機品質(zhì)的方案：（1）多研究國外電機，全方位地測試、解剖、分析其電磁方案、結(jié)構(gòu)方案及工藝。（2）多對自主研發(fā)的電機進行測試、分析，與國外電機進行對比，找到不足之處。（3）設計時應通過反復計算、仿真、對比、分析及討論再最終確定方案。（4）不斷改善工藝，突破傳統(tǒng)工藝的束縛，研究工作效率高、尺寸精度高的工藝方案。

4 對驅(qū)動器配合的需求

伺服電機和伺服驅(qū)動不能是單獨的兩個元件，要緊密聯(lián)系在一起，相互配合，才能真正發(fā)揮彼此的性能。

電流加載角度的問題：以廣數(shù)的伺服電機為例，均為SPM電機，配合的控制方式為Id＝0，需要電流嚴格加載在電機交軸磁路上，否則會引起電機溫升過高、永磁體退磁。主要原因如下：（1）SPM電機d軸電流不產(chǎn)生任何轉(zhuǎn)矩，只增加總電流及銅耗，使繞組溫升增高。（2）多極少槽配合的電機，由于定子逆向磁場的作用，轉(zhuǎn)子相對溫度會高一些。而由于繞組溫升較高，會有更多的熱量傳到轉(zhuǎn)子上，永磁體溫度較高。而永磁體在高溫時矯頑力較差，如此時有去磁磁場作用，則會造成不可逆退磁。

電流諧波的問題：電流諧波會引起電機的轉(zhuǎn)矩波動、振動及噪聲，使伺服電機運行不穩(wěn)定，所以應盡可能減少電流中的諧波。

對驅(qū)動器動態(tài)響應的要求：伺服系統(tǒng)是一個位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)組成的系統(tǒng)，其中電流環(huán)為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，它會影響到速度環(huán)的性能，如FANUC的4代HRV技術(shù)。如果電流環(huán)影響頻率較高，可對速度環(huán)、位置環(huán)設置較高的增益值。目前很多公司的驅(qū)動產(chǎn)品都在樣本里標注速度響應，如安川為1.6 kHz，邁信 EP100為≥250Hz，EP1、EP1C、EP2為≥300Hz。這就要求伺服驅(qū)動對此項性能的研究更加深入，以改進性能參數(shù)。

5 結(jié)語

綜上所述，伺服驅(qū)動和電機是一個整體，不可單獨分離開來談性能好壞。公司應更重視驅(qū)動器的開發(fā)研制，提升伺服的性能和品質(zhì)，使其不僅僅應用于機器人行業(yè)，而是更好地應用于自動控制系統(tǒng)的各個領(lǐng)域。