浅谈永磁同步电机伺服系统及其现状

    摘要：文章从交流伺服系统的基本结构入手，简单介绍各单元的基本功能，并对永磁
同步电机调速系统（PMSM）和无刷直流电机调速系统(BLDCM)进行了分析比较，最后
介绍了永磁同步伺服系统的国内外发展现状。

　　一、概述
　　从 70 年代后期到 80 年代初期，随着微处理技术，大功率高性能半导体功率器件技
术和电机永磁材料制造工艺的发展，其性能价格比的日益提高，交流伺服技术－交流伺
服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。目前，高性能的伺服系统大多采用永磁同
步型交流伺服电机，永磁同步电机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分
优良的低速性能并可实现弱磁高速控制，能快速、准确定位的控制驱动器组成的全数字位
置伺服系统。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，特别是钕铁硼永磁的热
稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁
电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，其在工业生产领域中
的领域也越来越广泛，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。
　　二、永磁同步电机伺服系统的基本结构
　　永磁同步电机伺服系统除电机外，系统主要包括驱动单元、位置控制系统、速度控制
器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。
　　1．永磁式交流同步伺服电机。永磁同步电机永磁式同步电机具有结构简单、体积小、
重量轻、损耗小、效率高的特点。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要
更多维护给应用带来不便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单，定子电流和定子电阻
损耗减小，且转子参数可测、控制性能好，但存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力
差，高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等缺点。与普通同步电动机相比，它省
去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、
高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学
者的广泛关注。
　　2．驱动单元。驱动单元采用三相全桥自控整流，三相正弦 PWM 电压型逆变器变频
的 AC-DC-AC 结构。设有软启动电路和能耗泄放电路可避免上电时出现过大的瞬时电流以
及电机制动时产生很高的泵升电压。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一
体的智能功率模块(IPM)。
　　3．控制单元。控制单元是整个交流伺服系统的核心, 实现系统位置控制、速度控制、转
矩和电流控制器。具有快速的数据处理能力的数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺
服系统，集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如 A/D 转换器、PWM 发生器、定时
计数器电路、异步通讯电路、CAN 总线收发器以及高速的可编程静态 RAM 和大容量的程
序存储器等。
　　4．位置控制系统。对于不同的信号，位置控制系统所表现出的特性是不同的。典型的
输入信号有三种形式:位置输入（位置阶跃输入）、速度输入（斜坡输入）以及加速度输
入（抛物线输入）。位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等