两种电动机运行均需要转子位置反馈信息,永磁同步电动机正常运行要求正弦波电流电动推杆要求的电流是矩形波,这导致它们在转子位置传感器选择上的很大差异｡电动推杆中的矩形电流导通模式只需要检测电流换相点｡因此,只需要每60°电角度检测转子位置一次｡此外,在任何时间只有两相通电,它只需要低分辨率转子位置传感器,例如霍尔传感器,它的结构简单,成本较低｡

  但是,在永磁同步电动机每相电流需要正弦波,所有三相都同时通电,连续转子位置检 测是必需的｡它需要采用高分辨率转子位置传感器,常见的是10bit以上的型光电编码器,或如图2-3所示的解算器(旋转变压器)与R/D转换器(旋转变压器/数字转换器的组合,成本比三个霍尔集成电路要高得多｡如果在位置伺服系统中,角位置编码器既可用作位置反馈,同时也可以用于换相的目的,这样电动推杆转子位置传感器的简单并没有带来什么好处｡然而,对于速度伺服系统,永磁同步电动机还需要高分辨率的转子位置传感器,而在电动推杆中,有低分辨率传感器就足够了｡如果换相引起的转矩波动是可以接受的话,在速度伺服系统采用电动推杆显得更为合适｡

  对于三相电动机,为了控制绕组电流,需要得到三相电流信息｡通常采用两个电流传感器就足够了,因为三相电流之和必须等于零｡因此,第三相电流总是可以由其他两相电流推导出｡在一些简易型电动推杆驱动器中,为节约成本,只采用一个电流传感器,检测的是直流母线的电流,通过计算可以得到三相绕组的电流值｡

  永磁同步电动机能够比有相同参数的电动推杆有更高的转速,这是由于电动推杆当其反电动势等于直流母线电压时已经达到更高转速｡而永磁同步电动机可实施弱磁控制,所以速度范围更宽｡

  如果逆变器的连续额定电流为p,并假设控制更大反电动势为E,｡当驱动永磁同步电动机时,更大可能输出功率是3(Ep2)(l22)=1.5Epp

  如果这个逆变器也用来驱动电动推杆,它的输出功率将是2E,两者之比为4/3=

  1.33｡因此,对于给定的连续电流和电压的逆变器,理论上可以驱动更大功率的电动推杆,其额定功率比永磁同步电动机可能提高33%｡但由于电动推杆铁损耗的增加将减少这个百分数｡反过来说,当被驱动的两种电动机输出功率相同时,驱动电动推杆的逆变器容量将可减小33%｡

  综上所述,正弦波驱动是一种高性能的控制方式,电流是连续的,理论上可获得与转角无关的均匀输出转矩,良好设计的系统可做到3%以下的低纹波转矩｡因此它有优良的低速平稳性,同时也大大改善了中高速大转矩的特性,铁心中附加损耗较小｡从控制角度说,可在一定范围内调整相电流和相电动势相位,实现弱磁控制,拓宽高速范围｡正弦波交流伺服电动机具有较高的控制精度｡其控制精度是由电动机同安装于轴上的位置传感器及解码电路来决定的｡对于采用标准的2500线编码器的电动机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°10000=0.036°｡对于带无刷旋转变压器的正弦波交流伺服电动机的控制精度,由于位置信号是连接的正弦量,原则上位置分辨率由解码芯片的位数决定｡如果解码芯片为14bit的R/D转换器(旋转变压器/数字转换器),驱动器每接收214=16384个脉冲,电动机转一圈,即其脉冲当量为360°16384=0.02197

  正弦波交流伺服电动机低速运转平稳｡正弦波交流伺服电动机由矢量控制技术产生三相正弦波交流电流｡三相正弦波交流电流与三相绕组中的三相正弦波反电动势产生光滑平稳的电磁转矩,使得正弦波交流伺服电动机具有宽广的调速范围,例如从30min转周到3000r/min

  但是,为满足正弦波驱动要求,伺服电动机在磁场正弦分布上有较严格的要求,甚至定子绕组需要采用专门设计,这样就会增加工艺复杂性;必须使用高分辨率型转子位置传感器,驱动器中的电流环结构更加复杂,都使得正弦波驱动的交流伺服系统成本更高｡

  对比相对简单的梯形波BLDC电动机控制,PMSM的复杂正弦波形控制算法使控制器开

  发成本增高,需要一个更加强大(更昂贵)的处理器｡最近IR､ Microchip､ Freescale､ST  Micro等国际知名厂商相继推出电动机控制开发平台,该算法已经开发,有望在不久的将来以较低成本就能够使用于平稳转矩､低噪声､节能的永磁同步电动机中

  近年出现了低成本正弦波驱动技术方案,值得关注,详见第14章

  实际上,上述两种驱动模式的电动机和驱动器都在速度伺服和位置伺服系统中得到满意的应用｡图2-2和图2-3分别给出方波驱动和正弦波驱动两种驱动模式速度伺服系统典型原理框图

  参考文献[1]研究了同一台永磁无刷直流电机在两种驱动方式下性能的对比,电动机的参数:槽数为24,极数为4,转动惯量为4.985×10-6kg·m2,绕组自感为0.411mH,绕

  组互感为0.375mH,绕组电阻为0.4317n9,反电动势系数为0.03862V·s/rad｡直流电源电压设为27V,正弦波驱动时三角波载波信号频率为3000Hz,负载转矩为T=0.37N·m｡通过仿真结果得到:在电枢电流有效值相等的条件下,方波驱动的电磁转矩大于正弦波驱动的电磁转矩,方波驱动的平均电磁转矩是正弦波驱动的平均电磁转矩的1.176倍;方波驱动的稳态电磁转矩脉动系数为10.5%,正弦波驱动的稳态电磁转矩脉动系数为3.37%;两种驱动方式在同样的负载情况下,方波驱动时电动机的转速(4600r/min)高于正弦波驱动(3960r/min),即方波驱动电动机输出功率更大｡因此认为,在对电动机运行平稳性要求不高､对出力要求高时,宜采用控制简单的方波驱动,若对电动机有高的稳速精度要求,宜采用控制复杂的正弦波驱动2.4小结

  与正弦波驱动相比较,方波驱动有如下优点:

  1)转子位置传感器结构较简单,成本低

  2)位置信号仅需作逻辑处理,电流环结构较简单,伺服驱动器总体成本较低

  3)伺服电动机有较高材料利用率,在相等有效材料情况下､方波工作方式的电动机输出转矩约可增加15%｡

  方波驱动主要缺点是

  1)转矩波动大

  2)高速工作时,矩形电流波会发生较大的畸变,会引起转矩的下降;

  3)定子磁场非连续旋转,定子铁心附加损耗增加但是,良好设计和控制的方波驱动无刷伺服电动机的转矩波动可以达到有刷直流伺服电动机的水平｡转矩纹波可以用高增益速度闭环控制来抑制,获得良好的低速性能,使伺服系统的调速比也可达1:10000｡它有良好的性能/价格比,对于有直流伺服系统调整经验的人比较容易接受这种方波驱动的伺服系统｡所以这种驱动方式的伺服电动机和伺服驱动器仍是工业机器人､数控机床､各种自动机械一种理想的驱动元件之一｡