第二章交流伺服电动机new

任课教师：李正强2011－2012学年第二学期第二章交流伺服电动机（c）滚齿机（d）伺服压力机交流伺服电动机驱动的部分应用

（a）雷达、卫星通信天线（b）机器人侦查相机2本章教学:一、教学要求：掌握交流伺服电动机结构、分类和作用等概念理解两相伺服电动机工作原理（包括自转现象原因及克服方法和措施等）了解两相伺服电动机控制方法理解两相伺服电动机的静态特性了解两相伺服电动机的动态特性了解微型同步电动机工作原理3二、教学时间安排：3学时三、主要内容：第一节

两相交流伺服电动机第二节

微型同步电动机本章重点：两相伺服电动机工作原理和静态特性本章难点：两相伺服电动机的动态特性本章教学:4四、教学过程：本章教学:第一节两相异步交流伺服电动机交流伺服电动机异步同步异步交流伺服电动机两相三相5

交流伺服电动机由于没有换向器和电刷，具有构造简单、工作可靠、维护容易、效率较高和价格便宜、以及不需整流电源设备等优点，因此交流伺服电动机在自动控制系统中应用非常广泛。传统交流伺服电动机的结构通常是采用鼠笼转子两相伺服电动机及空心杯转子两相伺服电动机，所以常把交流伺服电动机称为两相异步伺服电动机。6两相伺服电动机就是两相异步电动机，定子两相绕组空间相差90度，转子是鼠笼式转子。图3－1两相伺服电动机原理图第一节两相交流伺服电动机7第一节两相交流伺服电动机1基本结构定子转子定子铁心两相绕组鼠笼转子（杯形转子）绕线转子8第一节两相交流伺服电动机1基本结构转子鼠笼转子这种转子结构与普通鼠笼式异步电动机类似，但是为了减小转子的转动惯量，做得细而长。转子笼条和端环既可采用高电阻率的导电材料（如黄铜、青铜等）制造，也可采用铸铝转子。其结构示意图如右图所示。9第一节两相交流伺服电动机1基本结构转子杯形转子（非磁性）这种电动机的结构型式如右图所示。定子分外定子铁心和内定子铁心两部分，由硅钢片冲制后叠压而成。外定子铁芯槽中放置空间相距90°电角度的两相分布绕组。内定子铁芯中不放绕组，仅作为磁路的一部分，以减小主磁通磁路的磁阻。空心杯形转子用非磁性铝或铝合金制成，放在内、外定子铁心之间，并固定在转轴上。10第一节两相交流伺服电动机1基本结构转子杯形转子（铁磁性）这种电动机结构比较简单，转子采用铁磁材料制成，转子本身既是主磁通的磁路，又作为转子绕组，因此不需要内定子铁芯。其转子结构有两种型式，如图所示11第一节两相交流伺服电动机2

工作原理：12第一节两相交流伺服电动机2

工作原理：前提条件：有励磁电压。（1）无控制电压→单相脉振磁场→电机转子不转（无起动转矩）（2）有控制电压→建立旋转磁场→电动机有了起动转矩→转子开始旋转→若转子电阻满足条件Sm+≥1,则控制信号消失后出现制动转矩→转子停转13单相异步电动机机械特性第一节两相交流伺服电动机2

工作原理：14第一节两相交流伺服电动机如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转现象”。当控制信号为零时,转子的转速也为零。只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反,从我们以前所学的知识可得:2

工作原理：(3)自转现象：(4)如何克服?15增加转子电阻，产生制动转矩。使Sm+≥1，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩。第一节两相交流伺服电动机2

工作原理：(4)如何克服?采用方法：电机制动到停止，从而消除“自转现象”。处理思路：16第一节两相交流伺服电动机2

工作原理：173控制方法第一节两相交流伺服电动机改变控制电压Uc的大小和相位就可以控制电动机的转速和转向,控制方法有以下三种:

幅值控制

相位控制

幅－相控制183控制方法第一节两相交流伺服电动机（1）幅值控制幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制电压与励19励磁电压之间的相位差始终保持90°电角度。若控制绕组的额定电压,那么控制信号的大小可表示Ｕc＝ＵcN,称为有效信号系数，那么以Ｕcn为基值，控制电压的标么值为：3控制方法第一节两相交流伺服电动机（1）幅值控制20

3控制方法第一节两相交流伺服电动机（1）幅值控制当＝1时，控制电压与的幅值相等，相位相差90电角度，且两绕组空间相差90电角度。此时所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转矩最大；当<１时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢；在＝０时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。213控制方法第一节两相交流伺服电动机（1）幅值控制机械特性调节特性223控制方法第一节两相交流伺服电动机（2）相位控制:

通过改变控制电压与励磁电压之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。控制绕组经移相器后接到同一交流电压上，与的频率相同。而相位通过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差

,Sin称为相位控制的信号系数。233控制方法第一节两相交流伺服电动机（2）相位控制:24当有效信号系数＝１时，控制电压与的幅值相等，相位相差90°电角度，且两绕组空间相差90°电角度。此时所产生的气隙磁势为圆形旋转磁势，产生的电磁转矩最大；当<１时，sinβ<１，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。越小，气隙磁场的椭圆度越大,，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢；在＝０时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。3控制方法第一节两相交流伺服电动机（2）相位控制:253控制方法第一节两相交流伺服电动机（3）幅－相控制26电容C的作用是将励磁电压和控制电压分相，电压分压器的作用是改变控制电压的幅值。当控制电压不同时，转速不同，I’2也不同，定子电流,If随转速变化而变化，由：励磁电压幅值和相位也随之变化。3控制方法第一节两相交流伺服电动机（3）幅—相控制27当＝１时，控制电压与的幅值相等，相位相差90电角度，且两绕组空间相差90电角度。此时所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转矩最大；当<１时，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢；在＝０时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。3控制方法第一节两相交流伺服电动机（3）幅—相控制28幅－相控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。3控制方法第一节两相交流伺服电动机机械特性（调节特性）线性度比较：相位控制最好，幅－相控制最差。（4）三种控制方式比较29第一节两相交流伺服电动机4动态特性传递函数为:为机电时间常数，机械特性曲线的斜率×转动惯量K－调节特性曲线的斜率尽管机械特性和调节特性具有明显的非线性，但是根据小偏差线性化的概念在工作点附近按线性函数处理，得到的传递函数的形式是一样的，只是K和τm随工作点的不同而有一定的变化。30第一节两相交流伺服电动机4动态特性机械特性31第一节两相交流伺服电动机4动态特性控制特性325应用实例第一节两相交流伺服电动机（1）位置控制系统33(2)检测装置5应用实例第一节两相交流伺服电动机钢板厚度测量装置示意图34(3)计算装置倒数计算装置5应用实例第一节两相交流伺服电动机35(4)增量运动控制5应用实例第一节两相交流伺服电动机机床的数字控制系统36（1）矢量控制等现代控制方法解决了三相异步交流电动机不易控制的问题,交流伺服电动机常采用三相异步交流伺服电动机。第一节两相交流伺服电动机6总结、分析、展望（2）交流伺服电机的优点：良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现。平滑控制，几乎无振荡。高效率，90%以上，不发热。37（2）交流伺服电机的优点：高速控制。高精确位置控制（取决于何种编码器）。第一节两相交流伺服电动机6总结、分析、展望额定运行区域内，实现恒力矩。低噪音。没有电刷的磨损，免维护。不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境。38控制较复杂。驱动器参数需要现场调整。PID参数整定。需要更多的连线。惯量低。价格具有竞争性。（2）交流伺服电机的优点：第一节两相交流伺服电动机6总结、分析、展望39（3）交流与直流伺服电动机的性能比较：第一节两相交流伺服电动机6总结、分析、展望一、机械特性和调节特性

直流伺服电动机的机械特性和调节特性均为线性关系，且在不同的控制电压下，机械特性曲线相互平行，斜率不变。异步伺服电动机的机械特性和调节特性均为非线性关系，且在不同的控制电压下，理想线性机械特性也不是相互平行的。机械特性和调节特性的非线性都将直接影响到系统的动态精度，一般来说特性的非线性度越大，系统的动态精度越低。此外，当控制电压不同时，电动机的理想线性机械特性的斜率变化也会给系统的稳定和校正带来麻烦。40（3）交流与直流伺服电动机的性能比较：第一节两相交流伺服电动机6总结、分析、展望二、体积、重量和效率为了满足控制系统对电动机性能的要求，转子电阻就得相当大，又电动机经常运行在椭圆形旋转磁场下，由于负序磁场的存在要产生制动转矩，使电磁转矩减小，并使电动机的损耗增大。当输出功率相同时，异步伺服电动机要比直流伺服电动机的体积大、重量大、效率低。所以异步伺服电动机只适用于小功率系统，对于功率较大的控制系统，则普遍采用直流伺服电动机。41第二节微型同步电动机微型同步电动机的定子结构：

与一般的同步电动机相同，可以是三相的也可是单相。转子结构不同可分为：永磁式

反应式

磁滞式经常采用永磁式同步电动机。42一永磁式微型同步电动机第二节微型同步电动机43永磁式转子由永久磁钢制作，与一般励磁式同步电动机原理相同；当电动机正常运行时，定子绕组产生的旋转磁场以同步转速n1旋转，转子也以同步转速n1旋转。一永磁式微型同步电动机第二节微型同步电动机44转矩的基波分量：式中，K—比例系数－功率角（失调角）

一永磁式微型同步电动机第二节微型同步电动机45永磁式微型同步电动机采用异步起动法：在起动过程中，转子上的鼠笼起动绕组在定子绕组产生的旋转磁场下产生异步转矩，使电机起动。一永磁式微型同步电动机第二节微型同步电动机46二反应式微型同步电动机第二节微型同步电动机反应式微型同步电动机的转子用磁极材料和非磁极材料拼镶而成，其直轴方向的磁阻小而交轴方向的磁阻大。当反应式同步电动机定子绕组接交流电源，由于直轴和交轴的磁阻不同，从而形成磁阻转矩（也叫反应转矩），拖动负载同步运行。47反应式转子是利用直、交轴磁阻的不同形成磁阻转矩，即附加电磁转矩运转。反应式转矩是在同步转速时出现，需要起动绕组，或者用鼠笼绕组、或者采用实心转子结构。转矩的基波分量：二反应式微型同步电动机第二节微型同步电动机48磁滞式转子由硬磁材特性材料制作，在旋转过程中被磁化，到达同步转速时，转子被磁化为永久磁钢。异步运转时可产生异步转矩，因此磁滞式电动机无需起动绕组；转子磁滞材料层用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滞现象十分突出，具有较宽的磁滞回线，其剩磁和矫顽力都很大，第二节微型同步电动机三磁滞式微型同步电动机49既是当外加的磁场发生变化时，磁滞现象明显的材料，会有一个时间上的