控制电机第七章交流伺服电动机.ppt

1、第七章 交流伺服电动机,（AC servomotor）,复习直流伺服电动机,用途：电压信号 转轴的角位移或角速度输出。 原理：通电导体在磁场中受到力的作用。 稳态特性 动态过程 发电机状态、反接制动状态、动能制动状态 其他伺服电动机 直流力矩、低惯量伺服,本章学习内容,概述 交流伺服电动机的结构及工作原理 交流伺服电动机的圆形旋转磁场 圆形旋转磁场作用下的运行分析 椭圆形旋转磁场及其分析方法 幅值控制特性 移相方法和控制方式 主要性能指标和与直流伺服电机的比较,1 概述,自动控制系统提出的要求：,调速范围大,线性度好，运行稳定,无“自转”现象,惯性小,快速灵敏,特点：具有可控性。,用途：自控系

2、统中作为执行元件。,电动机停止,电动机反转,电动机立刻转动,电动机快/慢,2 结构特点及工作原理,结构特点,定子：两相绕组互成900,励磁绕组l1l2,控制绕组k1k2,实质为两相异步电动机,转子,鼠笼型,非磁性杯形,鼠笼型：和三相异步电动机的笼型转子一样，铁心槽中放入导条，所有导条两端用两个短路环连接。一般采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。另外，为了提高交流伺服电动机的快速响应性能，宜把笼型转子做成又细又长，以减小转子的转动惯量。,非磁性杯型转子：此种转子的交流伺服电动机有两个定子，外定子和内定子。外定子铁芯槽内安放有励磁绕组和控制绕组，而内定子一般不放绕组，仅作磁路的一部分；空心杯

3、转子位于内外绕组之间，通常用非磁性材（如铜、铝或铝合金）制成，杯壁一般在0.3mm左右。,非磁性空心杯转子可以看成鼠笼转子的一种特殊形式。,惯量小 轴承摩擦阻转矩小 没有齿槽粘合现象 恒速运转时，转子不会抖动,励磁电流大，电机利用率低 启动转矩和输出功率小 结构和制造工艺复杂,与鼠笼转子相比，非磁性杯型转子的优缺点。,实验表明：旋转磁场使转子产生旋转转矩。,工作原理,旋转磁场顺时针方向以转速ns旋转，磁力线以顺时针方向切割转子导条，相对的，转子导条反时针方向切割磁力线，产生感应电动势，由于短路环的存在，感应电动势产生感应电流。转子导条中的电流在磁场中产生电磁力（左手定则），形成电磁力矩，转矩的

4、方向和旋转磁场的方向相同，于是转子跟着旋转磁场沿同一个方向转动。,转子速度要低于旋转磁场的速度。,？怎样才能产生旋转磁场,3交流伺服电动机的圆形旋转磁场,(1)脉振磁场的概念,脉振磁场(pulsating magnetic field):单相绕组通入单相交流电流后产生与绕组轴线一致、而大小和方向随时间作正弦规律变化的交变磁场,称为脉振磁场。,情况1：两相对称绕组通入两相对称电 流产生旋转磁场,两相对称绕组：两个绕组空间上互差900， 有效匝数相等。,两相对称电流：两个绕组通入电流相位上互差900，幅值相等,(2)圆形旋转磁场的产生,电机的总磁场由这两个脉振磁场所合成,B=Bk=Bm,B=Bf=

5、Bm,B=Bf=Bm,B=Bk=Bm,结论： 控制电流变化一个周期，磁场方向在空间转了一圈，电流变化多个周期，产生不间断的旋转磁场。,控制绕组电流和励磁绕组电流分别产生两个脉振磁场， 电机的总磁场由这两个脉振磁场所合成。,两个脉振磁场,1.分别位于励磁绕组和控制绕组轴线上，空间相隔900,2.两个磁场的磁通密度向量长度随时间做正弦规律变化，相位相差900，幅值相等,瞬间合成磁场磁通密度向量的长度为,合成磁场为圆形的旋转磁场。,情况2：当两相绕组有效匝数不等时，通入绕组中的电流满足下面条件，才能产生圆形旋转磁场。（？）,演示,(2) 圆形旋转磁场的转向和转速,转向：从超前电流的绕组轴线转到落后电

6、流的绕组轴线。,任意绕组所加电压反向，则电机反转。,转速：称为同步速，与电机极数和电源频率有关。,(3) 磁极对数对转速的影响,tx,tx,P=2,极对数,每个电流周期 磁场转过的空间角度,同步转速,上节小结,单相绕组通入单相交流电产生脉振磁场。 圆形磁场的特点是：幅值不变以恒定的速度在空间旋转。 两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆形旋转磁场。 旋转磁场的转向。 转速为同步速，,4 圆形旋转磁场作用下的运行分析,（1）转速和转差率,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速（额定转速）:,提示：如果,转差率 的概念：,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差，与同步速之比。即：,转子

7、转速：,（2）电压平衡,转子不动时,旋转磁场同时切割定子和转子绕组，在转子和定子绕组中产生感应电动势,转子不动时，磁场切割定子和转子的速度是一致的，都为同步速，所以感应电动势的频率是相同的。,图 7 - 21 旋转磁场切割定转子导体,每根导体感应电动势的最大值：,磁通密度的平均值：,每根导体感应电动势的有效值：,定子、转子绕组感应电势有效值：,定、转子绕组漏磁通产生漏磁电势：,励磁绕组,控制绕组,转子绕组,励磁绕组,控制绕组,转子绕组,图 7 - 24 主磁通和漏磁通,定、转子绕组电阻消耗压降：,励磁绕组,控制绕组,转子绕组,电压平衡方程：,电机运行时,相同之处：定子绕组感应电势及电抗、电阻压

8、降与转子不动时相同。,不同之处：旋转磁场以转差（ ）的相对速度切割转子导体。,转子导体感应电势和电流的频率为：,定、转子绕组漏磁通产生漏磁电势：,电压平衡方程：,（3）圆形旋转磁场的定子绕组电压,匝数相等,匝数不相等,定子漏电抗：,当产生圆形磁场时,对称状态,两相绕组额定电压值与绕组匝数成正比关系。,（4）转矩及机械特性,电磁转矩表达式,思路：由每根所受电磁力之和求电机总的力及力矩，且电机总转矩与磁场位置无关。,说明：电磁转矩与电源参数（、f）、结构参数（W、Z、R）和运行参数（s）有关。,重要参数,当其它参数一定时：,1、最大电磁转矩与电源电压平方成正比； 临界转差率与电源电压无关。,3、频

9、率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小； 漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小；,2、转子回路电阻越大，临界转差率越大； 最大电磁转矩与转子电阻无关。,4、堵转转矩与电源电压平方成正比；频率越高，堵转转矩越小；漏抗越大，堵转转矩越小。,自控系统对伺服电机的要求,具有大的转子电阻和下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点。,阻尼系数,将对称状态下的机械特性用直线代替，则D还可以表示为,阻尼系数越大，表示电机运行稳定；反之，运行不稳定。,5 椭圆形旋转磁场及其分析方法,交流伺服电动机在系统工作中，为了对它的转速进行控制，加在控制绕组上的控制电压是在变化的，电机常处于不对称状态。 电机在不对称情况下

10、的磁场为椭圆形旋转磁场。,不对称情况,1.两相电流相差90度，幅值不等。,2.两相电流相差不是90度。,圆形磁场分析思路：,合成的思想,由特殊点分析一般点,情况一：幅值不等,它决定了磁场的椭圆程度。,图 7 - 34 不同值时的椭圆,情况二：两相绕组电流相位相差不为90度,图 7 - 35 同相电流产生的脉振磁场,图 7 - 35 同相电流产生的脉振磁场,椭圆形磁场的分析方法分解法,脉振磁场,一个脉振磁场可以分解为两个圆形磁场。两个圆形磁场幅值相等（磁通密度向量幅值都为脉振磁通密度向量幅值的一半），转向相反（正反方向），其转速都为脉振磁通密度变化频率。,椭圆形磁场,交流伺服电机一般运行下，定子

11、产生椭圆形磁场。可以分解为两个圆形磁场。转速相同，转向相反。其中一个与椭圆形磁场转向相同为正向圆形磁场，另一个为反向圆形磁场。,6 幅值控制时特性,幅值控制：励磁绕组为额定电压， 与 之间相差900， 根据需要进行改变。,有效信号系数 ：,为额定控制电压,为实际控制电压,合成磁场为圆形旋转磁场，电机对称运行状态。,合成磁场为脉振磁场，电机不对称程度最大。,表征电机不对称运行的程度。,合成磁场为椭圆形磁场，电机处于不对称运行状态。,有效信号系数 与 的关系,交流伺服电机是靠改变电机运行的不对称程度达到控制的目的。,根据变压器原理,不同有效信号系数的机械特性,椭圆形磁场可以由两个正转和反转的圆形磁

12、场替代。,如果转子的速度为n，转子相对于正转磁场转差率：,转子相对于反转磁场转差率：,转矩为正,转矩为阻转矩,式中， 为磁通密度向量幅值之比， 即=Bkm /Bfm 。,(7 - 81),(7 - 82),TB2m,即对于一定的转速， 转矩与气隙磁通密度幅值的平方成正比。 设已知对称状态时(e=1, Bm =Bfm )， 正向旋转磁场产生的机械特性如图7 - 41中的T10 曲线， 则可作出对称状态时反向旋转磁场(实际上不存在， 是假设的)产生的机械特性T20 曲线(该两曲线是对称于纵坐标， 图中作出的是-T20 曲线)。,反转圆磁场所产生的转矩为,(7 - 84),这样， 不对称状态的转矩为

13、,(7 - 85),(7 - 83),当e1时， 正转圆磁场所产生的转矩为,总转矩为两个转矩之差：,不同控制电压下的机械特性曲线 n=f(T), U1=常数,在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。,由于反向旋转磁场的存在，产生了附加的制动转矩，因而使电机的输出转矩减小，同时在理想空载下，转子转速已不能达到同步速。,有效信号系数越小，磁场椭圆度越大，反向转矩越大，理想空载转速越低。,交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。,但

14、如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自转”。,如何克服“自转”现象呢？,零信号的机械特性和无“自转”现象,零信号时的机械特性 所谓零信号， 就是控制电压Uk=0， 或e=0。 当e=0时， 磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、 转向相反的两个圆形旋转磁场， 其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁N - S和N - S在空间以相反方向旋转， 如图7 - 43所示。,图 7 - 43 脉振磁场的作用,图 7 - 44 零信号时的机械特性,此时转子电阻较小， 临界转差率sm正 =0.4。 从图中可以看出

15、， 在电机工作的转差率范围内， 即0s正1时， 合成转矩T绝大部分都是正的， 因此， 如果伺服电动机在控制电压Uk作用下工作， 当突然切去控制电信号， 即Uk=0时， 只要阻转矩小于单相运行时的最大转矩， 电动机仍将在转矩T作用下继续旋转。 这样就产生了自转现象， 造成失控。,图 7 - 45 自转现象与转子电阻值的关系(1) (a)RR=RR1 ； (b) RR=RR2 RR1 ； (c) RR=RR3 RR2,图 7 - 45 自转现象与转子电阻值的关系(2) (b) RR=RR2 RR1 ；,此时转子电阻有所增加， 临界转差率已增加到sm正 =0.8， 合成转矩减小得多， 但是与上面一样

16、， 仍将产生自转现象。,(c) RR=RR3 RR2,转子电阻已增大到使临界转差率sm正 1的程度。 这时合成转矩曲线与横轴相交仅有一点(s=1处)， 而且在电机运行范围内， 合成转矩均为负值， 即为制动转矩。 因而当控制电压Uk取消变为单相运行时， 电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅速停转， 这样就不会产生自转现象。 在这种情况下， 停转时间甚至较两相绕组的电压Uk和Uf同时取消时还快些。,“自转”原因：,（1）转子电阻不够大。（增大转子电阻的好处？）,（2）工艺原因，多发生在功率极小情况下。,定子绕组匝间短路 转子铁心片间短路 各向磁导不均,7 转速的控制与调节特性,负载一

17、定时,改变控制电压的有效信号系数可以改变转速,堵转特性,8移相方法和控制方式,为了在电机内形成圆形旋转磁场，要求励磁电压和控制电压有900相位差。但实际只有单相电源或三相电源，如何产生相位相差900的两相电源？,（1）利用三相电源的相电压和线电压构成900 相移,如果三相电源没有中点，就采用三相变压器，或带中间抽头的电抗线圈,系统中其它元件(如自整角机， 伺服放大器等)产生相位移。,（2）利用三相电源的任意两相线电压,（3）利用移相网络,图 7 - 52 采用电子移相网络的伺服系统,（4）在励磁绕组中串联电容器,主要应用于小功率控制系统。,电容值大小随电机的转速变化。可选择C值使电机在转速为零的情况下电压移相90度，可根据公式推导或实验方法求出。,图 7 - 56 用示波器选择电容,移相,控制方法,电源移相,电容移相,幅值控制,幅相控制,9 主要性能指标,空载始动电压 在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压称为空载始动电压Us0，通常用额定控制电压的百分数表示。Us0越小，表示伺服电动机的灵敏度越高，一般不大于34%。,机械特性的非线性度 在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械特性与线性机械特性在T=Tst/2时的速度差与空载转速之比百分数。,调节特性的非线性度Kv 在额定励磁电压和空载情况下， 当信号系