重要2两相伺服电机

1、结构特点和工作原理交流伺服电机通常都是两相异步电机，在定子上有两个空间相距90度的绕组，即控制绕组和励磁绕组。f1c1 c2f2 Rotor非磁性空心杯转子铁磁性空心杯转子笼型转子12345杯壁厚0.20.8mm，J小杯壁.53mm，J较大，有单边磁拉力，已较少用工作原理：与普通两相异步电机的相似之处：在二相对称绕组中通入两对称电流，就会在气隙中产生圆形旋转磁场，转子导体切割磁场所感应的电流与气隙磁磁场相互作用就产生电磁转矩。当改变其中一相电流的大小或相位时，气隙磁场就发生变化，电磁转矩随之变化，电机转速必然跟着改变，从而实现对转速的控制。区别：由于伺服电在自动控制系统中作为执行元件。对其要求

2、是：(1)转子速度的快慢能反应控制信号的强弱，转动方向能反应控制信号的相位，调速范围要宽；（2）无控制信号时，转子不能转动；（3）当电机转动起来以后，如控制信号，应立即停止转动；（4）为减小体积和重量，一般采用400、500 或1000Hz。如何满足上述要求？增大转子电阻！增大转子电阻的三个好处：T=T1+T2，在正向旋转时，0s0。所以，只要负载转矩不太大，转子仍能继续旋转，不会因控制信1.能消除自转现象：T号的而停转，这ss种“自转”现象使伺k210服电失去控制，在自动控制系统中是不允许的。T2正常转子电阻时的单相转矩TeTeT1T1TeTesm2sm2sssm1sm1220011T2T2

3、TeT1sm2ssm1201TeT2两相增大转子电阻，使TTsk1，则矩在电单相转正向旋转转矩TL范围内为负值，即T0。这就是说，控s制信号后，处于210单运行状态的电机由于电磁转矩为制动性质而能迅速停转。因此，增大转子电阻是防止交流伺服电出现“自转”现象的有效措施。T2增大转子电阻后的单相转矩2.可以增大调速范围由电机学原理知，异步电机的稳定运行区仅在：0ssk， 而正常电机的sk=0.10.2, 所以调速范围甚小。增大转子电阻使sk增大，从而增大调速范围。3.使机械特性更加线性如右图中，曲线3的线性度比曲线2要好。sss01k2k1sk1=0.2, sk2=1.1, sk3=1.8控制方法

4、根据电机学原理，上述结构的交流电机，必须使定子绕组产生一旋转磁势，转子才能转动。由旋转磁场理论，对于在空间相距90电度的两个绕组，只要它们产生时间上不同相的脉动磁势，电机气隙中就将形成椭圆形旋转磁场，使转子获得转矩而旋转。如果这两个绕组的脉动磁势幅值相同，且时间上相差90电度，则气隙中将形成圆形旋转磁场，电机便运行在最佳工作状态。当激磁绕组接至电压值不变的激磁电源，若控制信号的大小或者它与激磁电压间的相位发生改变，都能改变电机气隙磁场的椭圆度，也就能够影响电机的工作状态，达到对电机控制的目的。据此，交流伺服电机有下列几种控制方法：1.幅值控制控制电压与激磁电压之间保持90度相位差不变，通过改变

5、控制信号（电压）的幅值来改变电机的转速。 U f为信号系数，则：Uc定义： UcU f 0,Uc 0 1,Uc U f0 1,0 Uc2.相位控制最不对称，脉振磁场对称，圆形旋转磁场 U f不对称，椭圆形旋转磁场控制电压的幅值保持不变，通过改变控制电压对激磁电压的相角来实现对电机的控制。jU1 sin 由于与激磁电压相差90度的电压为：所以信号系数定义为： 0, 0脉振磁场 U1 sin sin 0 1,0 90椭圆形磁场U1 1, 903.幅值相位控制（电容控制）激磁回路串联电容后接到相位和幅值都不变的激磁电源，当改变控制电压幅值时，由于激磁回路电流发生变化，使激磁绕组及其串联电容上的电压分

6、布发生变化，从而使控制电压与激磁绕组上的电压间的相位角也发生变化。圆形磁场Cph当改变控制电压的幅值以改变转速时，由于转子绕组的耦合作用，激磁电流 If 的大小和相位都会改变，致使激磁绕组上的电压的大小和相位也随之改变。所以，这是一种幅值和相位的复合控制方式。U f U1U cph4.双相控制激磁电压与控制电压间的相位固定为90度，而激磁电压的幅值随控制信号的改变而同样的改变，也就是说，不论控制信号大小，电机始终在圆形旋转磁场下工作，可获得最大输出功率和效率。交流伺服伺服电实际上，两 相伺服电的理论分析对称分量法是在两 相不对称绕组上外施两相不对称电压运行的异步电机。1. 对称分量分析FFff

7、 1Fc 2Fcc1FFf 2磁动势对称分量相量图两相伺服电原理图1212121212121jFf 1f 2 I )FFf 1I ) jF f 2FjFFFc1f(Ic11c121FjFc 2 f 2FF I(c 2c 22将励磁绕各量归算至控制绕组，两个绕组的有效匝数相同，均为Wckwc，则磁动势可用对应的电流关系来表示。式中IfkI W kIcwc I W kcfW kfcwcffwffkfwfcfc2、等效电路和电压方程RrRr sX rX rX cX cRsc2 sRscIc2Ic1XmcZc 2X mcUc1Uc 2Zc1控制绕组正序等效电路控制绕组负序等效电路RrR rsX X X

8、 X R2 sX RX f f r rsfsfcacaI f 2U12Z f 1U f 2f 2Xmc励磁绕组正序等效电路励磁绕组负序等效电路I f 1U11U f 1XmcZ每一相序的电流分量只在它对应相序的阻抗中产生电压降。即正序电流只在正序阻抗中产生电压降，而负序电流只在负序阻抗中产生电压降。在励磁绕组和控制绕组回路中有电压方程：U1 1112 If 1Z fIU3、绕组电流 IIZZc21c1c1c 2c 2 Uc Z f 2jU1Zc 2II IIc1Z Z ZZcc1c2c1f 2c2f 1jI jIjIZ jU ZIUc2 cf 11c1 2c1IZ Z c 2ZZc 2f 1

9、c1f 24、功率与转矩由正向磁场产生的功率：Pe1 9.55 Pe1 I 2 R 2I 2P I 2Te11f 1rm11e1nss由负向磁场产生的功率：Pe2Pe2R I 2R I 22Pe2R 9.55nTe2c2rm2f 22rm2ss转矩： 9.55 (PT TTP)ee1e2e1e2ns18.1R22(IR)c12rm2ns交流伺服电和直流伺服电的静态特性一样，可用机械特性和调节特性来表征交流伺服电的的静态运行性能。1. 幅值控制时的静态特性励磁绕组中不接电容，Xca=0U1)Z Z(1 I jf 1c1c1e2ZZ c1 Zf 2c 2U j U j1 (1 e )Ic 2U j

10、Ue1 2Zc 2c1电磁转矩 RR29.55 UT(1 rm 2(1 )2)212rm12eeeZ 2nZsc1c2为了简化表达式和使分析结论更具普遍性，将上式以标么值形式表示。选取圆形旋转磁场时的堵转转矩作为转矩的基值。因获得圆形旋转磁场的条件是 e 1 ，而堵转时RX 2Rrm1Rrm2mcrRrmst2( Xmc2RrX) r)S 1 r Xrmst S 2 S Zcst) rrjX cstmc Zc 2 RcstZc1转矩基值：29.55 2UTstb1 RrmstZ 2nscst转矩标么值：1 1 RRZ 2Z 2T(e ) cstrm2 (e )22Te*ecstrm1Z 2Z

11、2T22stbstst可见，转矩与转速的关系十分复杂。因此，常用电机的实际参数按转矩 公式进行计算，作出不同信号系数时的机械特性曲线。由于是用标么值表示，所以具有普启遍意义。由机械特性，采用作图的方法到调节特性。 UcU 0 U 0 1eUccnefe 1e 00 e 1圆形旋转磁场，电机处于对称运行状态脉动磁场，电机不对称程度最大椭圆形旋转磁场，可用两个反向旋转的圆形旋转磁场表示1. 幅值控制时的静态特性n*1.00.5e0.40.601.00.20.8幅值控制时的机械特性幅值控制时的调节特性2. 相位控制时的静态特性 T*n*1.01.00.750.50.50.25sinn*00.40.2

12、50.750.61.000.21.00.50.8相位控制时的机械特性相位控制时的调节特性3. 电容控制时的静态特性定义获得圆形旋转磁场时信号系数为0，为使伺服电机有较大起动转矩，使电机在起动时获得圆形旋转磁场，起动后为椭圆形磁场，故电容控制时电机的理想空载转速都低于同步速。 T*n*1.01.00.750.50.50.25n*00.40.601.00.20.80.250.751.00.5电容控制时的机械特性电容控制时的调节特性4. 双相控制时的静态特性信号系数定义为实际控制信号与额定信号电压(电机铭牌上有注明)之比。n* T*1.01.00.5630.50.250.250.06200.310.

13、50.7070.866n*e0.40.600.20.81.01.00.5双相控制时的机械特性双相控制时的调节特性分析：各种控制方式下的调节（控制）特性均为非线性，但是在相对速度较小、信号系数较小时，都接近直 线。所以，为获得线性的调节特性，伺服电机应工 作在相对转速较低的状态下。办法：提高工作频率例：02400 r/m的转速范围，(1) f=50Hz时，相对转速：00.8；(2) f=500Hz时，相对转速：00.08.交流伺服电的动态特性交流伺服电机动态特性的分析方法与直流伺服电类似，主要区别是，交流伺服电的机械特性和调节特性均为非线性。下面以幅值控制为例说明交流伺服电特性的分析方法。电机的

14、机械运动方程为：的动态J dT TeLdt由于机械特性非线性，求解上式非常。简化办法是将机械特性线性化，即用一条通过实际机械特性的起动转矩和空载转速点的直线代替非线性的机械特性。00 Tstn0 n0 nTeTe0 T J dTstTstLdt0TemJ d Tsta T TstLdt0n0Tst两边同乘以0nn0J 0d TL0 0aTdtTstst两相异步伺服电系统机械特性的非线性对时间常数的影响，是使机械时间常数变小。0n0 ktm J T 0.1047 Te m1k 4 1n* n*,st对照直流伺服电st ke m的动态方程可知：t1 k 0.2T1.0em 0Tst0.5Teman

15、t00mmnn0K 1 ln(2.71 6.87) K 4 1mm实际的两相伺服电u值不超过0.2，所以，Ku值就近似于1，这样，它的机械时间常数仍可以近似地用理想引性机械特性时的机械时间常数代替，由此引起的误差不超过22%。性能指标空载始动电压Us0在额定激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，表示伺服电灵敏度越高，一般不大于34%。的nT00 0 0T0UcT00Us0始动电压T/ 2Tstst机械特性非线性度机械特性的非线性度Km在额定激磁电压下，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。 100% (10 20)%0调节特性的非线性度K0在额定激磁电压和空载情况下，当有效信号系数e为0.7时，实际调节特性与线性调节特性的速度差与空载转速之比的百分数。eK 100% (20 25)%00.71.00机电时间常数me=1时的机械特性近似为一直线，所对应的机电时间常数为： J0mTst ns nsnsT T mmmTstee应用举例 倒数计算装置线性电位器输入端加电压U1，交流伺服电输出端电压为：U2 1U放大