电机控制第八章

1、1电机控制北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院叶叶 平平 Email: Ping.YE Tel: 622825712第八章 交流伺服电机结构特点与工作原理两相绕组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交流伺服电机的控制方式3结构特点与工作原理 交流伺服电机定子上布置两相绕组两相绕组，一相称为励磁励磁绕组，接到交流励磁电源上，另一相为控控制制绕组，接入控制电压； 两相绕组在空间上相距90电角度电角度，励磁电压和控制电压的频率相同频率相同 因此，也称为两相交流两相交流伺服电机伺服电机。4转子结构鼠笼式转子非磁性空心杯形转子5非磁性空心杯形转子杯形转子可以看成是

2、鼠笼条数非常多、条与条之间彼此紧靠在一起的鼠笼转子，杯形转子两端也看作短接环；杯形转子只是鼠笼式转子的一种特殊形式特殊形式。最大特点是：运行平稳6 实验结果：当转动手柄使永久磁铁旋转时，会发现磁铁中间的鼠笼式转子会跟着转动起来；但是，转子的转速比磁铁要慢；当永久磁铁的转向改变时，转子的旋转方向也跟着改变。工作原理7分析原因鼠笼式转子的转动原因转子转向为何随永久磁铁转向的改变而改变？转子转速为何慢于永久磁体转速？转子转速比旋转磁场的转速究竟低多少？8两相绕组的圆形旋转磁场两相对称绕组两相对称绕组：励磁绕组和控制绕组有效匝数相等，空间相距90度电角度。两相对称电流两相对称电流：幅值相等、相位相差9

3、0度的两相电流。9kkmffmfmkmmsinsin90iItiItIII1011kkmffmfmkmmsinsin90BBtBBtBBB2222m(sin)(sin(90 )kfkmfmBBBBtBtB合成磁通密度：结论： 在两相交流伺服电机中，如果有两个脉振磁通密度的轴线在空间夹角为90度电角度，时间相位差为90度，且脉振幅值又相等，则合成磁场必然是一个圆形旋转磁场圆形旋转磁场。12旋转磁场的转速（同步速）取决于电机的极对数和电流的频率60( / )()sffnr srpmpp13极对数与电角度14 实验结果：当转动手柄使永久磁铁旋转时，会发现磁铁中间的鼠笼式转子会跟着转动起来；但是，转子

4、的转速比磁铁要慢；当永久磁铁的转向改变时，转子的旋转方向也跟着改变。工作原理15转子结构鼠笼式转子非磁性空心杯形转子16两相绕组的圆形旋转磁场两相对称绕组两相对称绕组：励磁绕组和控制绕组有效匝数相等，空间相距90度电角度。两相对称电流两相对称电流：幅值相等、相位相差90度的两相电流。17旋转磁场的转速（同步速）取决于电机的极对数和电流的频率60( / )()sffnr srpmppssnnsnsnn 异步电机18电磁转矩与机械特性 转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。TcosRRTKI常数，与电机结构有关旋转磁场每极磁通转子电流转子电路的功率因数ilBF , ,c

5、osRRTI19222()RfRRsRTKURsX cosTRRTKI22()RRRRsEIRsX22cos()RRRRRRsX4.44fffUEfW20由公式可知：222()RfRRsRTKURsX电磁转矩公式1. T 与定子励磁绕组电压 成正比。2fU2. 当电源电压 Uf 一定时，T 是 s 的函数。3. RR 的大小对 T 有影响。外接电阻来改变转子电阻RR ，可改变电机电磁转矩。21励磁电压一定时，不同转子电阻的机械特性222()RfRRsRTKURsX 理想空载 堵转 最大输出转矩RmRRsX临界转差率：2max12fRTKUXd0dTs22 当转子电阻较小时，在0s1时，电磁转矩

6、的峰值已移到第二象限；在0s1后，若继续增大转子的电阻，堵转转矩将随着转子电阻的增大而减小，将影响电机的快速性；同时，转矩变化对转速的影响增大，电机运行的平稳性变差平稳性变差。222()RdfRRRTKURX堵转转矩25椭圆形旋转磁场及其分析交流伺服电机工作在对称状态对称状态下，励磁绕组和控制绕组合成磁场为圆形旋转磁场圆形旋转磁场；在系统工作系统工作时，为了进行速度控制速度控制，施加在控制绕组上的电压是变化的，往往不等于额定值，因此伺服电机也经常处于不对称状态不对称状态；两相绕组产生的磁场的磁通密度向量幅值不相向量幅值不相等等，且两相绕组中通入的电流的相位差也不总相位差也不总是是90度度。26

7、前提条件：两相电流相位差为前提条件：两相电流相位差为90度，两相绕组所度，两相绕组所产生的磁通密度幅值不相等。产生的磁通密度幅值不相等。kmfmBB27 椭圆形旋转磁场磁通密度向量长度是变化的 旋转速度也是个变值2829椭圆形旋转磁场的分析方法分解法脉振磁场3031一个脉振磁场可以采用两个幅值相等、旋转方向相反的圆形旋转磁场来代替；这两个圆形旋转磁场的磁通密度向量幅值等于脉振磁通密度向量幅值的一半；旋转速度等于脉振磁通密度变化的频率。32椭圆磁场两相电流相位差为90度，两相绕组所产生的磁通密度幅值不相等。kmfmBB333435结论 交流伺服电机在一般运行状态下，定子绕组产生的椭圆形旋转磁场，

8、可以采用两个转速相同、转向相反的圆形旋转磁场来代替。 其中一个与椭圆形旋转磁场旋转方向相同，称为正向圆形旋转磁场；另一个相反，称为反向圆形旋转磁场。 椭圆度越大，反向圆形旋转磁场越大，正向圆形旋转磁场越小；椭圆度越小，正向圆形旋转磁场越大，反向圆形旋转磁场越小。 反向圆形旋转磁场幅值总是小于正向圆形旋转磁场的幅值。36交流伺服电机控制方式幅值控制相位控制幅值相位控制37幅值控制控制电压与励磁电压之间保持90度相位差不变，通过改变控制信号（电压）的幅值来改变电机的转速。kefUU3839正向圆形旋转磁场反向圆形旋转磁场由交流伺服电机的原理可知：旋转磁场与转子感应电流的相互作用产生电磁转矩，其方向

9、总是与旋转磁场的转向相同，即电磁转矩总是力图使转子顺着旋转磁场的转向旋转。因此，电机总电磁转矩为正向圆形旋转磁场所产生的电磁转矩与反向圆形旋转磁场所产生的电磁转矩的合成电磁转矩的合成。由于反向旋转磁场转向与转子转向相反，因此反向旋转磁场所产生的转矩是阻止转子转动的。交流伺服电机总转矩：40222()RfRRsRTKURsX伺服电机电磁转矩：222()()RfRRsRTKUf sRsX正正()(2)Tf sfs正反反在对称状态对称状态下，若正向旋转磁场产生的机械特性为T10，则在对称状态对称状态下，反向旋转磁场产生的机械特性为T20；T10和-T20的关系如图所示。不对称状态不对称状态TTT正反

10、T正与T10存在怎样的联系？T反与T20存在怎样的联系？1,kmfmBB1,kmfmBB41kmfmBBkefUUe有效信号系数也可以表征电机不对称运行的程度；e1e圆形旋转磁场0e脉振磁场 因此，改变控制电压的大小，可以改变电机运行的不对称度，从而实现对电机的控制。22ffmTUB222()RfRRsRTKURsX22101012efmBTTTB正正22202012efmBTTTB反反2210201122eeTTTTT正反12fmBB正12fmBB反42T正与T10存在怎样的联系？T反与T20存在怎样的联系？22101012efmBTTTB正正22202012efmBTTTB反反TTT正反222()RdfRRRTKURX堵转转矩理想空载转速43零信号时的机械特性与无“自