正弦波永磁同步電機(jī)靜態(tài)電流概述

黃 明

（煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司，山東煙臺(tái) 265503）

1 引言

正弦波永磁同步電機(jī)具有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，工業(yè)應(yīng)用中一般稱之為交流伺服電機(jī)，本文簡(jiǎn)稱伺服電機(jī)。所謂靜態(tài)電流就是指已經(jīng)加載使能的伺服電機(jī)，在沒(méi)有啟動(dòng)命令情況下，流經(jīng)電機(jī)定子繞組的電流。

伺服電機(jī)靜態(tài)電流重要性不言而喻，然而教材中僅有對(duì)伺服電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子電流模型的描述，沒(méi)有伺服電機(jī)靜態(tài)電流的詳細(xì)描述和計(jì)算方法，也就無(wú)法計(jì)算出靜態(tài)電流的正常范圍。

2 理論分析

如圖1所示為控制原理圖。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝有高精度編碼器，能精確檢測(cè)出磁極位置和轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的精確位置，用以控制伺服驅(qū)動(dòng)器電流的頻率和相位，從而使定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)保持確定的相位關(guān)系，進(jìn)而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩圖［1］。

伺服電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系中磁鏈方程為［1，4］：

為了達(dá)到負(fù)載扭矩僅與定子電流幅值大小相關(guān)的控制目的，需要精確檢測(cè)轉(zhuǎn)子d軸與定子繞組A軸之間的夾角，同時(shí)確保伺服驅(qū)動(dòng)器三相定子的合成電流矢量位于q軸上（領(lǐng)先于d軸90°），如圖2所示，且，并有

圖1 控制原理圖

圖2 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

令 id＝0、is＝iq，Lsd＝0，聯(lián)立方程式（1）～（5），可得永磁同步電動(dòng)機(jī)在dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：ψr為永磁轉(zhuǎn)子磁通量，np為定子極對(duì)數(shù)，is為dq坐標(biāo)系中定子電流，σ為電機(jī)功角。

根據(jù)“扭矩＝轉(zhuǎn)矩×力臂”可知

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)伺服電機(jī)電流影響最大的為轉(zhuǎn)子承受力，為了分析方便，這里忽略力臂影響，則由公式（9）可以得出：

通過(guò)查看伺服電機(jī)說(shuō)明書(shū)，一般可以查到正常狀態(tài)下伺服電機(jī)相關(guān)參數(shù)：靜態(tài)扭矩（M0）、靜態(tài)電流（I0）、最大扭矩（Mmax）、峰值電流（Ipeak），故由公式（10）可知伺服電機(jī)空載時(shí)，靜態(tài)電流為：

則最大靜態(tài)電流占峰值電流的百分比為：

η0為靜止扭矩減小系數(shù)。

因此很容易得靜態(tài)電流百分比范圍為：

由式（6）可知，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通量恒定，隨著負(fù)載的增加，電流is直線上升，導(dǎo)致電機(jī)總磁通量上升，嚴(yán)重時(shí)，電機(jī)實(shí)際實(shí)時(shí)扭矩或?qū)崟r(shí)電流超過(guò)M0和 I0，造成 ψs≥ψr，這時(shí)由可以推斷出φ大于90°，這樣永磁同步電機(jī)進(jìn)入弱磁狀態(tài)，同時(shí)-ψr方向還產(chǎn)生一個(gè)電流，該電流將造成永磁磁通量的下降，嚴(yán)重時(shí)甚至造成永磁體永磁去磁。進(jìn)入弱磁狀態(tài)的伺服電機(jī)很快將進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，并引發(fā)伺服驅(qū)動(dòng)報(bào)警，報(bào)警代碼一般為300608故障。

3 案例計(jì)算

某車床Z軸采用 840D、611D與 1FK7080-5AF71-1AA0電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其伺服系統(tǒng)參數(shù)如下：

根據(jù)公式（12）可推算出：

由于該電機(jī)轉(zhuǎn)子識(shí)別時(shí)驅(qū)動(dòng)參數(shù)MD1020（電機(jī)識(shí)別轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度）10°，也即

聯(lián)立公式（14）和（15），可知 0.023≤η≤0.13。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查閱機(jī)床軸MD1708參數(shù)，MD1708為0.038，該值與理論值相差不大，基本上可以證明該軸處于正常工作狀態(tài)。如果時(shí)間監(jiān)控該值，發(fā)現(xiàn)其超出理論值過(guò)多，則證明該軸存在故障隱患，應(yīng)及時(shí)安排相關(guān)檢修。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)正弦波交流永磁同步電機(jī)理論分析和理論計(jì)算，并結(jié)合生產(chǎn)維修實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出一種伺服電機(jī)靜態(tài)電流計(jì)算方法。基于這種算法，可以很好地分析數(shù)控機(jī)床故障現(xiàn)象，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)床進(jìn)給軸過(guò)載隱患，為機(jī)床狀態(tài)維護(hù)提供理論依據(jù)。

［1］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)）第三版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］劉希金.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)故障檢測(cè)及維修［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1995.

［3］張光耀.數(shù)控設(shè)備故障診斷與維修實(shí)用教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［4］寇寶泉，程樹(shù)康.交流伺服電機(jī)及其控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］王 鋼.數(shù)控機(jī)床調(diào)試、使用與維護(hù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［6］王洪波.數(shù)控機(jī)床電氣維修技術(shù)——SINUMERIK 810D／840D［M］.北京：電氣工業(yè)出版社，2007.