交流伺服电动机

第5章

交流伺服电动机华北电力大学5.1交流伺服电动机的概述5.2交流伺服电动机的结构和工作原理第5章交流伺服电动机5.3两项交流绕组产生的旋转磁场5.4交流伺服电动机的运行5.5交流伺服电动机在椭圆形磁场下的运行5.6幅值控制的特性5.7交流伺服电动机的主要性能指标本章主要内容及要求：主要内容：两相交流伺服电动机的基本结构、工作原理和工作特性。脉振磁场和旋转磁场的基本概念及产生原理交流伺服电动机的运行原理转差于电磁转矩的关系及产生自转的原因和消除自传的条件交流伺服电动机的调速原理※※※要求：掌握单向绕组的脉振磁场的性质和两相交流绕组产生的旋转磁场的性质。掌握交流伺服电动机在圆形和椭圆形旋转磁场下运行情况的机械特性和控制特性。5.1概述交流伺服电动机通常是指两相异步电动机，交流伺服电动机又称为执行电动机。在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号变换成转轴的角速度输出。输入的电压信号又称为控制信号或者控制电压，当控制电压的相位改变180°时，交流伺服机的转子就会反转，当改变控制电压的大小时，伺服电动机随着改变转速。自动控制系统对交流伺服电动机的要求主要有以下几点：1、转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大；2、整个运行范围内的特性应接近线性关系，保证运行的稳定性；3、当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，即电动机无“自转”现象；4、控制功率要小，启动力矩应大；5、机电时间常数要小，启动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。交流伺服发电机的应用：1、物料计量,一般为粉状物料的计量2、横封装置在制袋式自动包装机械中，横封装置是一个重要的机构，它不仅要求定位准确，还要求横向封台时横封轮的线速度与薄膜供送的速度相等，而且在横封轮对滚后，横封轮的转速应增大，即以较快的速度相分离。3供送物料位置指令

闭环伺服系统组成位置控制调节器速度控制调节器速度检测+—实际位置反馈实际速度反馈功率驱动位置检测—+伺服电机5.2交流伺服电动机的结构和工作原理

交流伺服电动机的结构主要分为定子和转子两大部分。定子铁心上装有两个绕组，一个作励磁用，称为励磁绕组j1~j2；另一个称为控制绕组k1~k2；两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔90°。因此，交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。Uk~Uj~j1j2k1k2一、结构两相集中绕组分布示意图

交流伺服电动机定子铁心和下好线的定子

转子结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。鼠笼形转子交流伺服电动机的转子由转轴、转子铁心和转子绕组等组成。转子铁心是由硅钢片叠成的，每片冲成有齿有槽的形状，然后叠压起来将轴压入轴孔内。铁心的每一槽中放有一根导条，所有导条两端用两个短路环连接，这就构成转子绕组。如果去掉铁心，整个转子绕组形成一鼠笼状，“鼠笼转子”即由此得名。鼠笼的材料有用铜的，也有用铝的，为了制造方便，一般采用铸铝转子，即把铁心叠压后放在模子内用铝浇铸，把鼠笼导条与短路环铸成一体。鼠笼形转子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下图所示。图中外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样，内定子由环形钢片叠成，通常内定子不放绕组，只是代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分。在内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子作成杯子形状，所以又称为空心杯形转子。空心杯由非磁性材料铝或铜制成，它的杯壁极薄，一般在0.3mm左右。杯形转子套在内定子铁心外，并通过转轴可以在内、外定子之间的气隙中自由转动，而内、外定子是不动的。杯形转子图

1—杯形转子；2—外定子；

3—内定子；4—机壳；5—端盖杯形转子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但实际上，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，杯形转子的两端也可看作由短路环相连接，这样，杯形转子只是鼠笼转子的一种特殊形式。从实质上看，二者没有什么差别，在电机中所起的作用也完全相同。与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子惯量小轴承摩擦阻转矩小。由于它的转子没有齿和槽，所以定、转子间没有齿槽粘合现象，转矩不会随转子不同的位置而发生变化，恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳。

但是由于它内、外定子间气隙较大(杯壁厚度加上杯壁两边的气隙)，所以励磁电流就大，降低了电机的利用率，因而在相同的体积和重量下，在一定的功率范围内，杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小；另外，杯形转子伺服电动机结构和制造工艺又比较复杂。因此，目前广泛应用的是鼠笼形转子伺服电动机，只有在要求运转非常平稳的某些特殊场合下(如积分电路等)，才采用非磁性杯形转子伺服电动机。各种交流伺服电动机图片

伺服电动机工作原理二、工作原理鼠笼转子的转向鼠笼转子(或者是非磁性杯形转子)之所以会转动起来，是由于在空间中有一个旋转磁场。旋转磁场切割转子导条，在转子导条中产生感应电势和电流，转子导条中的电流再与旋转磁场相互作用就产生力和转矩，转矩的方向和旋转磁场的转向相同，于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。这就是交流伺服电动机的简单工作原理。5.3两相交流绕组产生的旋转磁场一、单相绕组的脉振磁场所谓单相绕组的脉振磁场，就是指当电动机的一个绕组通入交流电流i时，在电动机气隙中产生的交变磁场。余弦电流通过线圈时的定子磁通势在气隙中，空间按余弦分布曲线。幅值在线圈的轴线上，其大小随时间按余弦规律脉振，其轴线在空间保持固定位置。这种磁通势称为脉振磁通势（物理学上称为驻波）。脉振磁通势的频率与交流电流的频率相同。它所建立的磁场，称为脉振磁场。故脉振磁场的表达式为F1=Fmcosαcosωt两相对称电流

二、两相绕组的旋转磁场为了分析方便，先假定励磁绕组有效匝数Wf与控制绕组有效匝数Wk相等。这种在空间上互差90°电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。同时，又假定通入励磁绕组的电流与通入控制绕组的电流相位上彼此相差90°，幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流，用数学式表示为ik=Ikmcosωtif=Ifmcos(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

两相绕组产生的圆形旋转磁场

(a)wt1=0;(b)wt2=90;(c)wt3=180;(d)wt4=270图解法求两相绕组合成的旋转磁场

ik=Ikmcosωtif=Ifmcos(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

两相绕组产生的圆形旋转磁场(a)wt1=0;(b)wt2=90;(c)wt3=180;(d)wt4=270对控制绕组：Fk=Fkmcos(wt

)*cos(a)对励磁绕组：Ff=Ffmcos(wt-90)*cos(a-90)可得：F=Fk+Ff

当Fkm=Ffm=Fm时F=Fmcos(a-wt)

综上所述，可以这样认为：在两相系统里，如果有两个脉振磁通密度，它们的轴线在空间相夹90°电角度，脉振的时间相位差为90°，其脉振的幅值又相等，那么这样两个脉振磁场的合成必然是一个圆形旋转磁场。三、旋转磁场的转速旋转磁场的转速决定于定子绕组极对数和电源的频率。下图所表示的是一台两极的电机，即极对数p=1(见下图)。对两极电机而言，电流每变化一个周期，磁场旋转一圈(见下图)，因而当电源频率f=400Hz，即每秒变化400个周时，磁场每秒应当转400圈，故对两极电机，即p=1而言，旋转磁场转速为ns=60f=400*60=24000r/min当电源频率f=50Hz时，旋转磁场转速为ns=60f=50*60=3000r/min

四极电机的旋转磁场(a)t=t1;(b)t=t2;(c)t=t3;(d)t=t4P=2即2P=4时首端尾端图解法求合成磁场（四极电机旋转磁场）控制绕组励磁绕组首端尾端绕组轴线（右手）从以上分析可知，当控制电流从正的最大值经过一个周期又回到正的最大值，即电流变化一个周期时，磁场只转过半圈4*45°=180°。因此，如果电源频率f=50Hz，即电流每秒变化50周时，磁场每秒只转过25圈，也就是说，对四极电机，即极对数p=2而言，旋转磁场转速为ns=60f/2=1500(r/min)当知道两极电机p=1，ns=60f；四极电机p=2,ns=60f/2以后，就可推论出对于极对数为p的电机，旋转磁场转速的一般表达式为

交流伺服电动机使用的电源频率通常是标准频率f=400Hz或50Hz.当频率固定不变时，旋转磁场的转速ns反比于极对数p，极数越多，转速越低，

p与ns之间的数值关系如下表所示。下面把这一节中关于旋转磁场的主要内容作简单小结：(1)单相绕组通入单相交流电后，所产生的是一个脉振磁场。(2)圆形旋转磁场的特点是：它的磁通密度在空间按正弦规律分布，其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转。

p与ns的数值关系(3)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，空间上相夹90°电角度，时间上彼此有90°相位差，幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。(4)旋转磁场的转向是从超前相的绕组轴线(此绕组中流有相位上超前的电流)转到落后相的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组上所加的电压反相(即