交流伺服电动机

1、第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 第章交流伺服电动机第章交流伺服电动机第一页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.1 概概 述述 功率从几瓦到几十瓦的交流伺服电动机在功率从几瓦到几十瓦的交流伺服电动机在小功率随小功率随动系统动系统中得到非常广泛的应用。中得到非常广泛的应用。 交流伺服电动机在自动控制系统中也常被用来交流伺服电动机在自动控制系统中也常被用来作为执行元件。作为执行元件。 第二页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 1交流伺服电动机；交流伺服电动机； 2减速齿轮；减速齿轮； 3机械负载轴机械负载轴图7-1 交流伺服电动机的功用第三页，

2、共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于交流伺服电动机在控制系统中主要作为执行由于交流伺服电动机在控制系统中主要作为执行元件，元件， 自动控制系统对它提出的要求自动控制系统对它提出的要求主要有下列几点：主要有下列几点： (1) 转速和转向应方便地受控制信号的控制，转速和转向应方便地受控制信号的控制， 调速调速范围要大；范围要大； (2) 整个运行范围内的特性应具有线性关系，整个运行范围内的特性应具有线性关系， 保证保证运行的稳定性；运行的稳定性； (3) 当控制信号消除时，当控制信号消除时， 伺服电动机应立即停转，伺服电动机应立即停转， 也就是要求伺服电动机无也就是要求伺服电

3、动机无“自转自转”现象；现象； (4) 控制功率要小，控制功率要小， 启动转矩应大；启动转矩应大； (5) 机电时间常数要小，机电时间常数要小， 始动电压要低。始动电压要低。 当控制当控制信号变化时，信号变化时， 反应应快速灵敏。反应应快速灵敏。 第四页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.2 交流伺服电动机结构特点和工作原理交流伺服电动机结构特点和工作原理 交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分，交流伺服电动机的结构主要可分为两大部分， 即即定子部分和转子部分。定子部分和转子部分。 其中定子的结构与旋转变压器其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，的定子基本相同， 在

4、定子铁心中也安放着空间互成在定子铁心中也安放着空间互成90电角度的两相绕组电角度的两相绕组， 如图如图7-2所示。所示。 其中其中l1-l2称为称为励磁绕组，励磁绕组， k1-k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种是一种两相的交流电动机两相的交流电动机。 7.2.1 交流伺服电动机基本结构及特点交流伺服电动机基本结构及特点第五页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 转子的转子的常用结构常用结构的有鼠笼形转子和非磁性的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。杯形转子。 鼠笼形转子交流伺服电动机的结构鼠笼形转子交流伺服电动机的结构如图如图7 - 3所示，

5、所示， 它的转子由转轴、它的转子由转轴、 转子铁心和转子铁心和转子绕组等组成。转子绕组等组成。 如果去掉铁心，如果去掉铁心， 整个转子绕整个转子绕组形成一鼠笼状，组形成一鼠笼状， 如图所示，如图所示， “鼠笼转子鼠笼转子”即即由此得名。由此得名。 鼠笼的材料有用铜的，鼠笼的材料有用铜的， 也有用铝的。也有用铝的。 第六页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 1定子绕组；定子绕组； 2定子铁心；定子铁心； 3鼠笼转子鼠笼转子 图图 7- 2 两相绕组分布图两相绕组分布图 第七页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7- 3鼠笼形转子交流伺服电动机第八页，共

6、89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 鼠笼式转子绕组 第九页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图非磁性杯形转子交流伺服电动机的结构如图7 - 6所示。所示。 图中图中外定子外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样，全一样， 内定子内定子由环形钢片叠成，由环形钢片叠成， 通常内定子不放绕通常内定子不放绕组，组， 只是代替鼠笼转子的铁心，只是代替鼠笼转子的铁心， 作为电机磁路的一部作为电机磁路的一部分。分。 在内、在内、 外定子之间有细长的外定子之间有细长的空心转子空心转子装在转轴上，装在转轴上

7、， 空心转子作成杯子形状，空心转子作成杯子形状， 所以又称为所以又称为空心杯形转子空心杯形转子。 空心杯由非磁性材料铝或铜制成，空心杯由非磁性材料铝或铜制成， 它的杯壁极薄，它的杯壁极薄， 一一般在般在0.3 mm左右。左右。 杯形转子杯形转子套在内定子铁心外，套在内定子铁心外， 并并通过转轴可以在内、通过转轴可以在内、 外定子之间的气隙中外定子之间的气隙中自由转动自由转动， 而而内、内、 外定子是不动的外定子是不动的。 第十页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 杯形转子与鼠笼转子从外表形状来看是不一样的。杯形转子与鼠笼转子从外表形状来看是不一样的。 但实际上，但实际上，

8、杯形转子可以看作是鼠笼条数目非常多的、杯形转子可以看作是鼠笼条数目非常多的、 条与条之间彼此紧靠在一起的鼠笼转子，条与条之间彼此紧靠在一起的鼠笼转子， 杯形转子的杯形转子的两端也可看作由短路环相连接，两端也可看作由短路环相连接， 如图所示。如图所示。 这样，这样， 杯形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。杯形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。 从实质上看，杯形转子与鼠笼转子二者没有什么从实质上看，杯形转子与鼠笼转子二者没有什么差别，差别， 在电机中所起的作用也完全相同。在电机中所起的作用也完全相同。第十一页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 1杯形转子； 2外定子； 3内定子；

9、4机壳； 5端盖 图 7 - 6 杯形转子伺服电动机 第十二页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 杯形转子与鼠笼转子相似第十三页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 与鼠笼形转子相比较，与鼠笼形转子相比较， 非磁性杯形转子惯量小，非磁性杯形转子惯量小， 轴承摩擦阻转矩小。轴承摩擦阻转矩小。 由于它的转子没有齿和槽，由于它的转子没有齿和槽， 转子转子一般不会有抖动现象，一般不会有抖动现象， 运转平稳。运转平稳。 但是由于它内、但是由于它内、 外定子间气隙较大外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙杯壁厚度加上杯壁两边的气隙)， 所以励磁电流就大，所以励磁

10、电流就大， 降低了电机的利用率；降低了电机的利用率； 另外，另外， 杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。较复杂。 因此，因此， 目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机，动机， 只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下，只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下， 才采用非磁性杯形转子伺服电动机才采用非磁性杯形转子伺服电动机。第十四页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 8 电气原理图 交流伺服电动机使用时，交流伺服电动机使用时， 励磁绕组两端施加恒定的励磁电励磁绕组两端施加恒定的励磁电压压Uf，

11、控制绕组两端施加控制控制绕组两端施加控制电压电压Uk， 如图如图7 -8所示。所示。 无控无控制信号（控制电压）时，只有励制信号（控制电压）时，只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子不磁绕组产生的脉动磁场，转子不能转动。当定子控制绕组加上电能转动。当定子控制绕组加上电压后，压后， 伺服电动机就会很快转伺服电动机就会很快转动起来，动起来， 将电信号转换成转轴将电信号转换成转轴的机械转动。的机械转动。 7.2.2 交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理第十五页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.3 两相绕组的圆形旋转磁场两相绕组的圆形旋转磁场 假定励磁绕组有效匝数假定励

12、磁绕组有效匝数Nf与控制绕组有效匝数与控制绕组有效匝数Nk相等。相等。 这种在空间上互差这种在空间上互差90电角度，电角度， 有效匝数又相有效匝数又相等的两个绕组称为等的两个绕组称为对称两相绕组对称两相绕组。 同时，同时， 又假定通入又假定通入励磁绕组的电流励磁绕组的电流 与通入控制绕组的电流与通入控制绕组的电流 相位上相位上彼此相差彼此相差90， 幅值彼此相等，幅值彼此相等， 这样的两个电流称为这样的两个电流称为两相对称电流两相对称电流， kIfI第十六页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 旋转磁场小结旋转磁场小结： (1) 单相绕组通入单相交流电后，单相绕组通入单相交流

13、电后， 所产生的是一个脉振所产生的是一个脉振磁场。磁场。 (2) 圆形旋转磁场的特点是：圆形旋转磁场的特点是： 它的磁通密度在空间按正它的磁通密度在空间按正弦规律分布，弦规律分布， 其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转。其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转。 (3) 两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆形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；或者说，磁场；或者说，空间上相夹空间上相夹90电角度，时间上彼此有电角度，时间上彼此有90相位差相位差，幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋，幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。转磁场。 第十七页，共89页。第第五五章章 交流伺服

14、电动机交流伺服电动机 (5) 旋转磁场的转速称为同步速，旋转磁场的转速称为同步速， 只与电机极数和只与电机极数和电源频率有关，电源频率有关， 其关系为其关系为min)/(60)/(rpfsrpfns (4) 旋转磁场的转向是从电流超前相的绕组轴线转到电流落旋转磁场的转向是从电流超前相的绕组轴线转到电流落后相的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组上所加的电压反后相的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组上所加的电压反相，相， 就可以改变旋转磁场的转向。就可以改变旋转磁场的转向。 第十八页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.4 交流伺服电动机的运行交流伺服电动机的运行 交流伺服电

15、动机转子跟着旋转磁场转动时的转速交流伺服电动机转子跟着旋转磁场转动时的转速n总是低于旋转磁场的同步转速总是低于旋转磁场的同步转速ns。转子转速与同步速。转子转速与同步速之差，之差， 也就是转子导体切割磁场的相对速率为也就是转子导体切割磁场的相对速率为 n=ns-n (7 - 6)转速和转差率转速和转差率转差率转差率sssnnnnns（7 - 7）第十九页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机转速总是低于旋转磁场的同步速，交流伺服电动机转速总是低于旋转磁场的同步速， 而且随着负载阻转矩值的变化而变化，而且随着负载阻转矩值的变化而变化， 因此因此交流伺服交流伺服电动

16、机又称为两相异步伺服电动机电动机又称为两相异步伺服电动机。 所谓所谓“异步异步”， 就是指电机转速与同步速有差异。就是指电机转速与同步速有差异。 励磁绕组、控制绕组和转子磁绕的感应电势：励磁绕组、控制绕组和转子磁绕的感应电势： Ef=4.44fWf kwf (7 - 19) Ek=4.44fWk kwk (7 - 20) ER=4.44fWR kwR (7 - 21) 式中，式中，Wf、Wk、WR分别是各绕组有效匝数（鼠笼转子绕组的有分别是各绕组有效匝数（鼠笼转子绕组的有效匝数效匝数W WR R=1/2=1/2）。）。第二十页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 要得到圆形旋

17、转磁场，要得到圆形旋转磁场， 加在励磁绕组和控制绕组加在励磁绕组和控制绕组上的电压应符合怎样条件呢上的电压应符合怎样条件呢? 分两种情况来说：分两种情况来说： (1) 当励磁绕组有效匝数当励磁绕组有效匝数Nf和控制绕组有效匝数和控制绕组有效匝数Nk相等，相等， 即即Nf=Nk时，时， 定子绕组为对称两相绕组，定子绕组为对称两相绕组， 产生产生圆形磁场的定子电流必须是两相对称电流，圆形磁场的定子电流必须是两相对称电流， 即即两相电两相电流幅值相等，流幅值相等， 相位相差相位相差90。7.4.3 圆形旋转磁场时的定子绕组电压圆形旋转磁场时的定子绕组电压 当两相绕组匝数相等时，为得到圆形旋转磁场，当

18、两相绕组匝数相等时，为得到圆形旋转磁场，要求两相电压值相等，相位差成要求两相电压值相等，相位差成90，这样的两个电压称为，这样的两个电压称为两相对称电压两相对称电压。 第二十一页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (2) 当两相绕组匝数不等时，当两相绕组匝数不等时， 设设Wf /Wk=k， 此时此时为得为得到圆形旋转磁场，到圆形旋转磁场， 两相电流幅值不等，且应与绕组匝数成两相电流幅值不等，且应与绕组匝数成反比，反比， 相位仍差相位仍差90。 (7 - 4) 当两相绕组匝数不等时，为得到圆形旋转磁场，当两相绕组匝数不等时，为得到圆形旋转磁场，要求两相电压的相位差是要求两相电

19、压的相位差是90，其值应与匝数成正比，这，其值应与匝数成正比，这样的两个电压称为样的两个电压称为两相对称电压两相对称电压。 kWWUUIIkffnknfk第二十二页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.4.4 转矩及机械特性转矩及机械特性1 1、电磁转矩的表达式、电磁转矩的表达式)(42222sRXfWRUpWZTRRsfRfRR（7-69）2 2、机械特性、机械特性 对于伺服电动机来说，对于伺服电动机来说， 必须具有下垂的机械特性，必须具有下垂的机械特性， 才能才能保证伺服电动机在整个运行范围工作的稳定。保证伺服电动机在整个运行范围工作的稳定。分析机械特性的稳定和不稳定

20、运行区？分析机械特性的稳定和不稳定运行区？ 现在来分析图现在来分析图7-28所示的凸形的机械特性。所示的凸形的机械特性。 机械特性以峰机械特性以峰值为界可分成两段，即上升段值为界可分成两段，即上升段ah和下降段和下降段hf。第二十三页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图 7 - 27 不同转子电阻的机械特性不同转子电阻的机械特性(RR4 RR3 RR2 RR1 )第二十四页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图 7 - 28 稳定区域和不稳定区域稳定区域和不稳定区域 第二十五页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 假定电机带动一个

21、恒定负载，假定电机带动一个恒定负载， 负载的阻转矩为负载的阻转矩为TL(包括电机本身的阻转矩包括电机本身的阻转矩)， 这时电机在下降段这时电机在下降段g点稳点稳定运转。定运转。 如果由于某种原因，如果由于某种原因， 负载的阻转矩由负载的阻转矩由TL突然突然增加到增加到TL， 这样这样电动机的转矩小于负载阻转矩电动机的转矩小于负载阻转矩， 电电机就要减速，机就要减速， 转差率转差率s就要增大，就要增大， 这时电动机的转矩这时电动机的转矩也要随着增大，也要随着增大， 一直增加到等于一直增加到等于TL， 与负载的阻转与负载的阻转矩相平衡为止，矩相平衡为止， 这样电机在这样电机在g点又稳定地运转。点又

22、稳定地运转。 第二十六页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 如果如果电动机运行在特性上升段电动机运行在特性上升段ah。 假定电动机在假定电动机在b点运行，点运行， 当负载阻转矩突然增加时，当负载阻转矩突然增加时， 电动机转速就要下电动机转速就要下降降。 从图中可以看出，从图中可以看出， 在在b点运行时，点运行时， 如转速下降，如转速下降， 则则电动机转矩要减小电动机转矩要减小， 造成造成电机转矩更小于负载阻转矩电机转矩更小于负载阻转矩， 结果电动机转速一直下降，结果电动机转速一直下降， 直到停止为止。直到停止为止。 如果如果电机在电机在b点运转，点运转， 而而负载阻转矩突然

23、下降负载阻转矩突然下降， 那末电动机转速就那末电动机转速就要增加，转速增加后电动机转矩也随之增大，要增加，转速增加后电动机转矩也随之增大， 造成电机造成电机转矩更大于负载阻转矩，转矩更大于负载阻转矩， 结果电动机的转速一直上升，结果电动机的转速一直上升， 直到在稳定区直到在稳定区fh运转于运转于c点为止。点为止。 因此电动机在上升段因此电动机在上升段ah， 即在从即在从nm到到1的转速范围内运行时，的转速范围内运行时， 对负载来说运转是不对负载来说运转是不稳定的，稳定的， 叫作叫作不稳定区。不稳定区。 第二十七页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 结论结论： 对于一般负载对

24、于一般负载(如恒定负载如恒定负载)只有在机械特性下降段，只有在机械特性下降段， 即导数即导数dTem/dn0处才是稳定区，处才是稳定区， 才能稳定运行。才能稳定运行。 所以，所以， 为了使伺服电动机在转速从为了使伺服电动机在转速从0ns的整个运行的整个运行范围内都保证其工作稳定性，范围内都保证其工作稳定性， 它的机械特性就它的机械特性就必须在转必须在转速从速从0ns的整个运行范围内都是下垂的的整个运行范围内都是下垂的， 如图如图7 - 29所示。所示。 显然，显然， 要具有这样下垂的机械特性，交流伺服电动要具有这样下垂的机械特性，交流伺服电动机要有足够大的转子电阻，机要有足够大的转子电阻， 使

25、临界转差率使临界转差率sm1。 第二十八页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图7- 29伺服电动机的机械特性伺服电动机的机械特性第二十九页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 另外，另外， 从图从图7 - 27中几条曲线形状的比较还可看出，中几条曲线形状的比较还可看出， 转子电阻越大，转子电阻越大， 机械特性越接近直线机械特性越接近直线(如图中特性如图中特性3比比特性特性2、 1更接近直线更接近直线)， 使用中往往对伺服电动机的使用中往往对伺服电动机的机械特性非线性度有一定限制，机械特性非线性度有一定限制， 为了改善机械特性线为了改善机械特性线性度，性

26、度， 也必须提高转子电阻。也必须提高转子电阻。 所以，所以， 具有具有大的转子大的转子电阻电阻和和下垂的机械特性下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点。是交流伺服电动机的主要特点。 第三十页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 为了表示伺服电动机的运行稳定性，常引入阻尼系数的概为了表示伺服电动机的运行稳定性，常引入阻尼系数的概念。下垂机械特性负的斜率念。下垂机械特性负的斜率( (即即 ) )表示了伺服电动机表示了伺服电动机内部具有一种粘性阻尼的特性，这种阻尼特性通常以阻尼系数内部具有一种粘性阻尼的特性，这种阻尼特性通常以阻尼系数D D来量度，用数学式表示为来量度，用数学式表

27、示为dndTD55. 9阻尼系数的物理意义阻尼系数的物理意义 阻尼系数阻尼系数D D值越大，即机械特性上值越大，即机械特性上 值越大，表示负值越大，表示负载转矩的变化对转速的影响很小，电机运行比较平稳载转矩的变化对转速的影响很小，电机运行比较平稳。dndT0dndT第三十一页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.6 椭圆形旋转磁场及其分析方法椭圆形旋转磁场及其分析方法 交流伺服电动机在圆形旋转磁场作用下的运行情交流伺服电动机在圆形旋转磁场作用下的运行情况，况， 称为电机处于称为电机处于对称运行状态对称运行状态， 加在定子两相绕组加在定子两相绕组上的电压都是额定值上的电压都

28、是额定值。 但这只是交流伺服电动机运行中的一种特殊状态，但这只是交流伺服电动机运行中的一种特殊状态， 交流伺服电动机在系统中工作时，交流伺服电动机在系统中工作时， 为了对它的转速进为了对它的转速进行控制，行控制， 加在控制绕组上的控制电压是在变化的，加在控制绕组上的控制电压是在变化的， 经经常不等于其额定值，常不等于其额定值， 电机也经常处于电机也经常处于不对称状态不对称状态。第三十二页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 由于交流伺服电动机在运行过程中由于交流伺服电动机在运行过程中控制电压经常控制电压经常在变化在变化， 因此两相绕组所产生的磁势幅值一般是不相因此两相绕组所产

29、生的磁势幅值一般是不相等的，等的， 即即IkNkIfNf， 这样代表两个脉振磁场的磁通密这样代表两个脉振磁场的磁通密度向量幅值也不相等，度向量幅值也不相等， 即即Bkm Bfm ， 而且通入两个而且通入两个绕组中的电流在时间上相位差也不总是绕组中的电流在时间上相位差也不总是90， 这时在这时在电机中产生的是电机中产生的是椭圆形的旋转磁场椭圆形的旋转磁场。 椭圆里，长轴为椭圆里，长轴为 , ,短轴为短轴为 ，令，令 为椭圆的短长轴之比，为椭圆的短长轴之比，则则 。 的值的值决定了磁场椭圆的程度决定了磁场椭圆的程度。随着。随着 值的减值的减小，磁场的椭圆度增大。小，磁场的椭圆度增大。fmBkmBa

30、fmkmBBa aa第三十三页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图 7 33 椭圆磁场椭圆磁场 第三十四页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 当当=1，图形是个圆，图形是个圆， 这时两个绕组所产生的这时两个绕组所产生的磁通密度向量幅值相等，磁通密度向量幅值相等， 产生产生圆形旋转磁场圆形旋转磁场； 当当=0， 图形是条线，图形是条线， 这时控制绕组中的电这时控制绕组中的电流为流为0， 电机是单相运行，电机是单相运行， 只有励磁绕组产生磁只有励磁绕组产生磁场，场， 这个磁场是这个磁场是单相脉振磁场单相脉振磁场， 是椭圆磁场的一是椭圆磁场的一种极限情况。

31、种极限情况。 结论结论： 一个一个脉振磁场脉振磁场可用两个幅值相等、可用两个幅值相等、 转向相反的转向相反的圆形旋圆形旋转磁场转磁场来代替，来代替， 这两个圆形旋转磁场的磁通密度向量都这两个圆形旋转磁场的磁通密度向量都等于脉振磁通密度向量幅值之半，等于脉振磁通密度向量幅值之半， 转速等于脉振磁通密转速等于脉振磁通密度变化的频率度变化的频率f。第三十五页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.7 幅值控制时的特性幅值控制时的特性 7.7.1 有效信号系数有效信号系数e 采用幅值控制的交流伺服电动机在系统工作时，励磁绕采用幅值控制的交流伺服电动机在系统工作时，励磁绕组通常是接在

32、恒值的交流电源上，其值等于额定励磁电压，组通常是接在恒值的交流电源上，其值等于额定励磁电压，励磁电压励磁电压 与控制电压与控制电压 之间固定的保持之间固定的保持9090o o的相位差，而的相位差，而控制电压控制电压 的值却经常的变化。的值却经常的变化。实际使用中，为方便起见，常将实际使用中，为方便起见，常将控制电压用其相对值表示，同时考虑到控制电压是表征对伺服控制电压用其相对值表示，同时考虑到控制电压是表征对伺服电动机所施加的控制电信号，所以称这个相对值为电动机所施加的控制电信号，所以称这个相对值为有效信号系数有效信号系数，并用并用 表示，即表示，即fUkUkUeknkeUU（7-77）式中，

33、 为实际控制电压； 为额定控制电压，当控制电压 在0 变化时，有效信号系数 在01变化。kUknUkUknUe第三十六页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 不同有效信号系数的磁场不同有效信号系数的磁场：注意注意：采用 不但可以表示控制电压的值，而且也可以表示电机不对称运行的程度。与前面的与前面的 是一样的！是一样的！e当 ，气隙合成磁场是一个圆形旋转磁场，电机处于对称运行状态；1e当 ，气隙合成磁场是一个脉振磁场，电机不对称运行状态最大；0e当 ，气隙合成磁场是一个椭圆形旋转磁场，电机处于不对称运行状态；10e 结论结论： 改变控制电压，即改变改变控制电压，即改变 的大小，

34、也就改变了电机不的大小，也就改变了电机不对称程度，所以两相交流伺服电动机是靠改变电机不对称对称程度，所以两相交流伺服电动机是靠改变电机不对称程度来达到控制的目的。程度来达到控制的目的。ea第三十七页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 注意注意! !单相脉振磁场是椭圆形磁场的特殊情况，可分解为两幅单相脉振磁场是椭圆形磁场的特殊情况，可分解为两幅值相等，转向相反的圆形旋转磁场。值相等，转向相反的圆形旋转磁场。椭圆形旋转磁场可分解为两幅值不等，转向相反的圆形椭圆形旋转磁场可分解为两幅值不等，转向相反的圆形旋转磁场；旋转磁场；第三十八页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺

35、服电动机 7.7.3 零信号时的机械特性和无零信号时的机械特性和无“自转自转”现象现象 对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，即零信号时的对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，即零信号时的机械特性。所谓机械特性。所谓“零信号零信号”，就是控制电压为，就是控制电压为0 0，磁场为脉振磁，磁场为脉振磁场。场。图图7-44 7-44 零信号时的机械特性零信号时的机械特性第三十九页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 自转现象与转子电阻的关系：自转现象与转子电阻的关系：转子电阻RR=RR1较小时，在电机工作的转差率范围内，即 时，合成转矩 T 绝大部分是正的。如果伺服电动机在

36、控制电压作用下工作，突然切去控制电信号时，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，这就产生了，造成失控。10正s4 . 0正ms(a)第四十页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 转子电阻RR=RR2RR1时。此时转子电阻有所增加，临界转差率增加到 ，合成转矩减小的多，但仍产生自转现象。8 . 0正ms8 . 0正ms(b)第四十一页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 转子电阻增大到 的程度。这时合成转矩在电机运行范围内为负值，即为制动转矩。因而当控制电压取消变为单相运行时，电机立刻产生制动转矩，与负载转矩一起促使电机迅速

37、停转，不会产生自转现象。1正ms1正ms(c)第四十二页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 无自转现象无自转现象是自动控制系统对交流伺服电动机的是自动控制系统对交流伺服电动机的基本要求之一。基本要求之一。 所谓所谓无自转现象，无自转现象， 就是当控制电压一就是当控制电压一旦取消时旦取消时(即即Uk=0时时)， 伺服电动机应立即停转。伺服电动机应立即停转。 所以所以为了消除自转现象，为了消除自转现象， 交流伺服电动机零信号时的机械交流伺服电动机零信号时的机械特性必须如图特性必须如图4 - 44所示，所示， 显然这也就要求有相当大的显然这也就要求有相当大的转子电阻。转子电阻。

38、第四十三页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图 7 - 44 sm1自转现象与转子电阻关系自转现象与转子电阻关系第四十四页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 工艺性自转：工艺性自转： 除了由于转子不够大而引起的自转外，还存在一种工艺性自转。这种自转是由于定子绕组有匝间短路，铁心有片间短路，或者各向磁导不均等工艺上的原因所引起的 当取消电信号时，本应是脉振磁场，但这时却成了微弱的椭圆磁场，在椭圆磁场的作用下，转子也会自转起来。 工艺性自转多半发生在功率极小（十分之几瓦至数瓦）的伺服电动机中，由于电机的转子惯性极小，在很小的椭圆形旋转磁场作用下就能转动。

39、第四十五页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.7.4 转速的控制与调节特性转速的控制与调节特性调节特性调节特性对伺服电机关心的是转速与控制电信号的关系，往往采用所谓“调节特性”表示。调节特性就是表示当输出转矩一定调节特性就是表示当输出转矩一定的情况下，转速与有效信号系数的情况下，转速与有效信号系数 的变化关系的变化关系。e第四十六页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.8 移相方法和控制方式移相方法和控制方式 为了在电机内形成一个圆形旋转磁场没要求励磁电压和控为了在电机内形成一个圆形旋转磁场没要求励磁电压和控制电压之间应有制电压之间应有90900

40、0的相位差。但是实际工作中经常是单相的相位差。但是实际工作中经常是单相或三相电源。需要设法使现有电源改变成具有或三相电源。需要设法使现有电源改变成具有90900 0相移的相移的两相电源，满足交流伺服电动机的需要。两相电源，满足交流伺服电动机的需要。问题提出问题提出 直接将电源移相或通过移相网络使励磁电压和控制电压之直接将电源移相或通过移相网络使励磁电压和控制电压之间有一固定的间有一固定的9090相移，这些移相方法通称为相移，这些移相方法通称为电源移相电源移相。 采用采用电源移相时，交流伺服电动机只是通过改变控制电压的值来控制转电源移相时，交流伺服电动机只是通过改变控制电压的值来控制转速的，而定

41、子绕组上两电压的相位差恒定地保持为速的，而定子绕组上两电压的相位差恒定地保持为9090。这种控制。这种控制方式常称为方式常称为幅值控制幅值控制。第四十七页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 1、利用三相电源的相电压和线电压构成、利用三相电源的相电压和线电压构成90的移相的移相三相电源如有中点，取一相电压如 加到控制绕组上，另外两相的线电压如 供给励磁绕组；AUCBU三相电源如无中点，这时可接一个三相变压器，利用三相变压器副边上的相电压和线电压形成具有900相移的两相电压；也可采用一个具有中间抽头的带铁心的电抗线圈(或变压器绕组)造成人工中点，把电抗线圈两端接在三相电源的B、

42、C两头上，如果它的中间抽头为D点，那么 与 两个电压的相位差正好是900。BCUDAU第四十八页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 (1)(2)(3)第四十九页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 三相电源三个线电压的相位互差三相电源三个线电压的相位互差120， 有时为了有时为了方便，方便， 直接取任意两相线电压使用，若加上系统中其直接取任意两相线电压使用，若加上系统中其它元件它元件(如自整角机，如自整角机， 伺服放大器等伺服放大器等)的相位移，的相位移， 这时这时加到伺服电动机定子绕组上的两个电压能接近加到伺服电动机定子绕组上的两个电压能接近90的的相位

43、差。相位差。 2、利用三相电源的任意两相线电压、利用三相电源的任意两相线电压第五十页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 在系统的控制线路中，为了使伺服电动机的控制在系统的控制线路中，为了使伺服电动机的控制电压与励磁电压成电压与励磁电压成90的相移，的相移， 往往采用移相网络，往往采用移相网络， 如图如图7 - 52所示。所示。 这时把这时把线路上恒定的单相交流电源线路上恒定的单相交流电源 作为基准电压供给系统中的各个元件作为基准电压供给系统中的各个元件(如图中的自整角如图中的自整角机及交流伺服电动机机及交流伺服电动机)， 由由敏感元件敏感元件(如自整角变压器如自整角变压器)

44、输出的偏差信号经过电子移相网络再输入到交流放大输出的偏差信号经过电子移相网络再输入到交流放大器中器中去，去， 这样通过移相网络移相，这样通过移相网络移相， 再加上敏感元件再加上敏感元件和放大器的相移，和放大器的相移， 在交流放大器输出端就能得到与系在交流放大器输出端就能得到与系统基准电压统基准电压 成成90相移的控制电压相移的控制电压 。 UUkU3、采用移相网络、采用移相网络第五十一页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图 7 - 52 采用电子移相网络的伺服系统采用电子移相网络的伺服系统 第五十二页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 这种移相方法只

45、要在交流伺服电动机的励磁相电路这种移相方法只要在交流伺服电动机的励磁相电路中串联中串联(或串、并联或串、并联)上一定的电容上一定的电容C，在放大器之前就，在放大器之前就不需要再引入电子移相网络了，其控制线路如图不需要再引入电子移相网络了，其控制线路如图7- 53所所示。示。 4、在励磁相中串联电容器、在励磁相中串联电容器第五十三页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图图 7 - 53 电容伺服电动机控制线路图电容伺服电动机控制线路图 第五十四页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10 交流伺服电动机的使用交流伺服电动机的使用 7.10.1 控制绕组与

46、放大器的连接控制绕组与放大器的连接 控制绕组与放大器的输出端直接相连，因此控制相电路就成为放大器的直接负担，伺服电动机所需的控制电流和控制功率都是放大器供给的。为减少放大器的负担，以便缩小放大器的体积和重量，简化放大器的结构，就必须尽可能减少要求它提供的控制电流和功率。问题提出问题提出第五十五页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 实验方法确定补偿电容值实验方法确定补偿电容值 在控制绕组的两端并联一个可变电容，让电容由小到大逐渐增加，观察总电流，当电流表指示最小时，此时的电容值即为所需的电容值。措施措施 为了减少放大器的负担，可以在控制绕组两端并联电容Ck来补偿无功电流，提高

47、控制相的功率因数。 补偿电容在控制电压最大时取，这时放大器负担最重。电容值如果选择得当，可使控制相电路发生并联谐振，功率因数接近1，放大器只需输出有功电流。第五十六页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.2 电机的输入阻抗电机的输入阻抗问题提出问题提出 控制相电路是放大器的直接负载，存在阻抗匹配的问题。交流伺服电动机的输入阻抗为Z=Uk/Ik，随转速n的升高而变大。 从最大功率传递角度考虑，应使放大器阻抗与控制绕组的输入阻抗匹配，由于 Z 不是固定值，想任何时候获得阻抗匹配是不可能的。 伺服电动机经常在小控制电压和低转速状态下工作，在零转速 (即电动机启动)时，输入

48、阻抗是与控制电压无关的一个确定值。因此，强调功率匹配，一般也只是考虑在转速为0时实现。第五十七页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.3 放大器内阻抗对机械特性的影响放大器内阻抗对机械特性的影响问题提出问题提出 交流伺服电动机的控制功率由放大器供给时，放大器可以看成具有一定内阻抗的交流电源。放大器与控制相电路的等值电路如图7-69。图7-69 等值电路图mkmkkUZZZU结论：放大器内阻对加在控制绕组上的电压有影响，进而影响电机机械特性。控制绕组上电压控制绕组上电压措施措施减少放大器内阻抗有效方法是在放大器末级（功率级）加电压负反馈。第五十八页，共89页。第第五五

49、章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.4 单相自转单相自转 无自转现象是控制系统对伺服电动机的基本要求之一，一台正常合格的交流伺服电动机应具有无自转性能。 自转现象与控制电信号取消时控制相电路的情况控制相电路的情况及放大器内放大器内阻抗的值阻抗的值有关。试验与理论分析的一些经验试验与理论分析的一些经验：控制绕组两端直接短接，对伺服电动机来说是最容易实现无自转的，这是最起码的无自转条件；若伺服电机能在控制绕组断开的情况下实现不自转，则一定能实现当控制绕组两端直接或通过纯电阻或通过电感性阻抗短接时不自转，但不一定能实现通过电容性阻抗短接情况下不自转；控制绕组两端通过 电容器短接不自转的要求

50、，是最苛刻的条件。注意注意：选用产品时应明确单相无自转要求的实现条件。：选用产品时应明确单相无自转要求的实现条件。第五十九页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 实际使用中，对于已选定的某一伺服电动机，自转现象还与放大器的内阻抗大小有关。当控制电信号取消后，放大器内阻抗越大控制相电路越接近开路（或通过电容器短接），电机就容易自转。理论分析表明：为消除自转，必须使放大器输出阻抗小于从控制绕组端看入的转子等效电阻。放大器内阻抗对自转的影响放大器内阻抗对自转的影响：第六十页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.5 发热和温升发热和温升问题提出问题提出 交

51、流伺服电动机转子电阻做的相当大，而且它经常运行在低速段（转差率为0.41之间）和不对称状态下，这样就使这种电机比一般电机损耗大，发热多，效率低。改善散热的方法改善散热的方法：电机最好装面积足够大金属支架上，电机与支架应紧密接触，更不要垫传热不良的物质；电机连同支架要通风良好，必要时可用风扇，甚至用水冷却；几台电机之间，以及电机与其他发热件如变压器、功率管等之间要尽量隔开。第六十一页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.10.6 控制电压中正交分量和高次谐波分量的影响控制电压中正交分量和高次谐波分量的影响 实际使用时，控制绕组输入端，除了控制电压外，还常夹杂一些对控制无用的

52、信号，即干扰信号。1、正交分量、正交分量 ：ZU 如果控制电压 与励磁电压 相位差为90o，当控制电压取消时， 与 相移为180o或0o。电机中磁场为脉振磁场，电机不会转动，但是产生附加铁耗和铜耗；正交分量是与控制电压 成90o相移的电压分量。kUkUfUZUfU 如果 与 相移不成90o，正交分量对电机的影响更大， 与 产生旋转磁场，使伺服电动机误动作，产生自转现象。kUfUZUfU第六十二页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 1、高次谐波分量、高次谐波分量 ： 由于敏感元件和伺服放大器等非线性，会带来高于电源频由于敏感元件和伺服放大器等非线性，会带来高于电源频率的高频电

53、压，即高次谐波分量率的高频电压，即高次谐波分量。 为削弱高次谐波分量的影响，可在控制绕组两端并联电为削弱高次谐波分量的影响，可在控制绕组两端并联电容，此电容既可提高控制相功率因数，又可起滤波作用容，此电容既可提高控制相功率因数，又可起滤波作用。第六十三页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.11 主要性能指标和技术数据主要性能指标和技术数据 7.11.1 主要性能指标 1. 空载始动电压Us0 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定义为空载始动电压Us0 ， 通过以额定控制电压的百分比来表示。 Us0 越小， 表示伺服电动机的灵敏

54、度越高。 一般Us0 要求不大于额定控制电压的3%4%； 使用于精密仪器仪表中的两相伺服电动机， 有时要求不大于额定控制电压的1%。 第六十四页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 2. 机械特性非线性度km 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转矩T=Td/2时的转速偏差n与空载转速n0(对称状态时)之比的百分数， 定义为机械特性非线性度， 即%1000nnkm如图7 - 74所示。 第六十五页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 3. 调节特性非线性度kv 在额定励磁电压和空载情况下， 当e=0.7时， 实际调节特性与线性调节

55、特性的转速偏差n与e=1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度， 即%1000nnkv如图7 - 75所示。 第六十六页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 74 机械特性的非线性度 第六十七页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 75 调节特性的非线性度第六十八页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 4. 堵转特性非线性度kd 在额定励磁电压下， 实际堵转特性与线性堵转特性的最大转矩偏差(Tdn )max 与e=1时的堵转转矩Td0 之比值的百分数， 定义为堵转特性非线性度， 即%100)(0maxdd

56、ndTTk如图7 - 76所示。 第六十九页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 以上这几种特性的非线性度越小， 特性曲线越接近直线， 系统的动态误差就越小， 工作就越准确， 一般要求km10%20%， kv20%25%， kd5%。 第七十页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 76 堵转特性的非线性度 第七十一页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 图 7 - 77 不同信号系数e时的机械特性第七十二页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 5. 机电时间常数j 当转子电阻相当大时， 交流伺服电动机的机械特性

57、接近于直线。 如果把e=1时的机械特性近似地用一条直线来代替， 如图7 - 77中虚线所示， 那末与这条线性机械特性相对应的机电时间常数就与直流伺服电动机机电时间常数表达式相同， 即sTJdj00(7 - 107) 第七十三页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 因而随着e的减少， 相应的时间常数也随着增大， 即 jjj 还可以很方便地得出机电时间常数与有效信号系数e的关系式。若机械特性近似地可看作为直线(即令图7 - 49中的H=0)， 由式(7 - 91)可得有效信号系数为e时的理论空载转速 dddTnTnTn 0000seenn2012(7 - 108)第七十四页，共8

58、9页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 堵转转矩 Td=eTd0 (7 - 109) 将式(7 - 108)和(7 - 109)代入式(7 - 107)， 即可得出时间常数与有效信号系数的关系式为02)1 (21. 0desjTJn(7 - 110)第七十五页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 7.11.2 主要技术数据 1. 型号说明 例如： 第七十六页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 2. 电压 技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。 励磁绕组的额定电压一般允许变动范围为5%左右。 电压太高， 电机会发热； 电压太低， 电机的性能

59、将变坏， 如堵转转矩和输出功率会明显下降， 加速时间增长等。 当电机作为电容伺服电动机使用时， 应注意到励磁绕组两端电压会高于电源电压， 而且随转速升高而增大， 其值如果超过额定值太多， 会使电机过热。 控制绕组的额定电压有时也称最大控制电压， 在幅值控制条件下加上这个电压就能得到圆形旋转磁场。 第七十七页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 3. 频率 目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类， 低频为50 Hz(或60 Hz)， 中频为400 Hz(或500 Hz)。 因为频率越高， 涡流损耗越大， 所以中频电机的铁心用较薄的(0.2 mm以下)硅钢片叠成， 以减少涡流损耗； 低频电机则用0.350.5 mm的硅钢片。 第七十八页，共89页。第第五五章章 交流伺服电动机交流伺服电动机 低频电机不应该用中频电源， 中频电机也不应该用低频电源， 否则电机性能会变差。