交流伺服电动机第4章

第4章

交流伺服电动机中国矿大信电学院第4章 交流伺服电动机交流伺服电动机的概述交流伺服电动机的工作原理和结构圆形磁场下电动机运行的理论分析椭圆磁场下电动机运行的理论分析交流伺服电动机幅值控制时的特性移相方法和控制方式电容伺服电动机的特性交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的主要性能指标交流伺服电动机的主要技术数据第4章 交流伺服电动机本章要求：掌握交流伺服电动机的工作原理和结构掌握圆形磁场下电动机运行的理论分析掌握椭圆磁场下电动机运行的理论分析掌握交流伺服电动机幅值控制时的特性掌握移相方法和控制方式掌握电容伺服电动机的特性掌握交流伺服电动机的应用交流伺服电动机的主要性能指标和主要技术数据4.1

交流伺服电动机的概述交流伺服电动机在小功率随动系统中得到非常广泛的应用。它在自动控制系统中，是将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。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。4.2

交流伺服电动机的工作原理和结构一、交流伺服电动机的结构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°。Uk~Uj~j1j2k1

k2因此，交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。交流伺服电动机定子铁心和下好线的定子j1Uj~j2k1

k2Uk~转子结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。杯形转子通常是由铝合金制成的空心薄壁圆筒。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠笼转子一样。杯形转子图各种交流伺服电动机图片二、工作原理Uk~Uj~j1j2k1

k2定子两相空间互差90电角度绕组中，通入时间上互差90的电流，产生一旋转磁场。转子导体切割该磁场，从而感应电势，该电势在短路的转子导体中产生电流。转子载流导体在旋转磁场中受力，从而使得转子沿旋转磁场转向旋转。NSn1FF动画4.3

圆形磁场下电动机运行的理论分析kU

~Uj~j1j2一、转子不转时1、电磁关系与变压器类似定子加对称Ui0漏磁通主磁通Fmfmejek0IE

j

EsjEk

Eskk1

k2REEsRf2si0ReResjeskesRf1s4.3

圆形磁场下电动机运行的理论分析2、感应电势激磁绕组：Ej=

4.44

fWjfm••=

-

j

I

jEsj••k

mk=

4.44

fW

fx

j

U

rj

=

I

jxk••Esk

=

-

j

Ik••rjU

rk

=

I

k

rk••=

I

R

rRxRU

rR••EsR

=

-

j

IRR

mR控制绕组：E转子绕组：E=

4.44

fW

f2、电压平衡方程式•

•

•

•U

j

=

-

E

j

+

I

j

rj

+

j

I

j

xj•

•

•

•U

k

=

-

Ek

+

I

k

rk

+

j

Ik

xk•

•

•ER

=

I

R

rR

+

j

IR

xRUk~Uj~j1j20IE

j

Esjk

skk1

k2E

EER

EsR二、转子旋转时xRs••EsRs转子绕组：ERsERs=

sERxRs=

-

j

I

Rs=

sxRrR.I

Rs.E

Rs+-jxsRsf260

60

n1

60=

4.44sfWRfm1、感应电势定子侧激磁绕组、控制绕组感应电势与转子不转时相同。转子频率：f

2

=Dnp

=(n1

-n)p

=(n1

-n)

n1p

=Sf

12、电压平衡方程式•

•

•

•U

j

=

-

E

j+

I

j

rj

+

j

I

j

xj•

•

•

•U

k

=

-

Ek

+

I

k

rk

+

j

Ik

xkE

Rs••

•

•

•=

I

Rs

rR

+

j

IRs

xRs

=

I

Rs

rR

+

j

IRs

sxRrR.I

Rs.E

Rs+-jxsRsf2三、圆形旋转磁场时定子绕组电压关系1、Wj=Wk

时（此时定子为两相对称绕组）•

•

•

•Ek

=

j

E

jrk

=

rj

xk

=

x

j当I

k

=j

I

j

时又jjjj

j••

••=

-

E

+

I

r而U

j•••=

j

U

jrj

+

j

I

j

x

j

)•

•=

j(

-

E

j

+

I

j+

j

Ik

xk+

j

I

x•

•

•此时

U

k

=

-

Ek

+

I

k

rk为了得到圆形旋转磁场，要求两相绕组电压值相等，相位互差900

。k1k2I

jUj~jj1Ej2kEk

Uk~I2、Wj/Wk

=k

时•

•=

jk

I

jkE

j••Ek

=

j此时I

k\•U

k

=

jk

U

j k

Wj•U

j

Uk

1

Wk=

=绕组电压大小与绕组匝数成正比。两相绕组产生圆形旋转磁场时，加在定子上的电压分别定义为额定激磁电压Ùjn和额定控制电压Ùkn

，并称两相交流伺服电动机处于对称状态。Wj=Wk

时，Wj

/Wk

=k

时，Ujn

=Uknjjnk

WUUkn=

1

=

WkjU

~k1k2jIj1E

jj2kEk

Uk~I四、转矩及机械特性=2

+

R

2Rsj2

+

R

2R2j

s

rxsrRZ

W

U

2R

R

j

s

rsrRZ

pW

U

2R

R

jT

=2W

2w4pW

f

x1、电磁转矩的物理表达式T

=

CTfI

R

cosj

R2、电磁转矩的参数表达式其中ZR为转子导条根数，WR为转子绕组有效匝数（笼形电机WR

=1/2），ws为同步角速度（

ws

=2pn

s

/60=

2

p

f

/p）3、机械特性oTTmaxTdns理想空载：n=ns，s=0，T=0n1m最大转矩：

n=n

，s=

s

，T=TmaxRmxrs=

R

s

RjR

jRx4WZ

W

U

22wTmax

=堵转点（启动点）：n=0

，s

=

1

，T=T

dR2

2

2j

s

RZ

W

U

2

rR

R

j

RdT

=2W

w

(

x

+

r

)机械特性仿真不同转子电阻特性为使交流伺服电动机转速从0~ns整个运行范围内都保证其工作的稳定性，其机械特性在整个范围内都是下垂的，要具有这样的下垂特性，交流伺服电动机要有足够大的转子电阻，使sm>1。具有大的转子电阻和下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点。为了表示伺服电动机的运行稳定性，通常引入阻尼系数的概念。这种特性用阻尼系数D来度量。0dn

nD

=

9.55

dT

=

9.55

Td空载转速堵转转矩oTd

TnnsTL阻尼系数D值越大，转矩变化对转速的影响很小，电机运行稳定，反之，电机运行的稳定性很差。在一定转速范围内，若机械特性近似看为直线，则在该范围内阻尼系数为2

1n

-

nD

=

9.55

T2

-

T1转速值。oTd

TnnsT1、T2

、n1

、n2分别为该n2范围内机械特性上相应的转矩、n1T1

T24.4

椭圆磁场下电动机运行的理论分析一、椭圆形磁场的形成当激磁绕组与控制绕组所产生的磁势幅值不相等，即a

=Bkm

/Bjm（

0<a

<1）；两绕组电流相位差为b（0<b

<90o），这时产生的磁场为椭圆形磁场。当a

=1，b

=90o

，电机产生圆形磁场；当a

=0，b

=0；a

=

0，

b

=

90o

，a

=

1，

b

=

0；电机产生脉振磁场；当0<

a

<1

，0<b

<90o，电机产生椭圆形磁场；+j+kmB+21m2a

B+mB-12-Bma2n+n-B

=

B

cos(

wt

-

900

)j

m单相脉振磁场可分解为两个相反的旋转磁场t=0时,励磁和控制绕组产生的空间磁场相量图Bk

=

aBm

coswt二、椭圆形旋转磁场的分析方法--分解法kU

~jijikU

~

BjBk+j+k+mBmB+12a2-mB12mB-a2n+n-+jn合成磁场+k+j+km21

+a

B+mB-21

-an+n-+jn合成磁场+k两个圆形磁场转速相同，转向相反。其中与合成

椭圆形旋转磁场相同转向的圆形旋转磁场称为正转磁场，另一个则为反转磁场。当a越接近于1，正转磁场就越强（大），但不管a多大，正转磁场总是大于反转磁场。+j+kmB+21

+amB-21

-an+n-三、椭圆磁场作用下的机械特性asbs1、脉振磁场时的机械特性TTcsTr2a<

r2b

<

r2caTcr2a<

r2b

<

r2cTbT111

02

s20

2s

02002

s图（a）、（b）、（c）为不同转子电阻时，脉振磁场作用下电机的机械特性。图（c）中sm>1，电机不会产生自转现象，当控制电压取消，电机变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，使电机停转。为了消除自转现象，交流伺服电动机单相供电时的机械特性必须如图（c）所示，显然这也就要求有相当大的转子电阻。2、椭圆磁场时的机械特性左图为椭圆磁场的机械特性，反向旋转磁场的存在，产生了附加的制动转矩T反，使电机输出转矩减少，且在T=0的理想空载情况下，转子转速已不能达到同步速ns，只T反T正Tn0’1ns

n

能达到小于ns的n0’。0

sT

=

T

+

+T

-em4.5

交流伺服电动机幅值控制时的特性一、有效信号系数αe

（

b

=90o

）kneU=

Uka（0

<

ae

<

1，

0

<

Uk<

Ukn）U

k

为控制绕组所加电压，U

kn为额定控制电压αe

不仅可以表示控制电压的值，而且也可以表示电机的不对称运行程度。当α =1

，Ue

k

kn=U

时，气隙中合成磁场是一个圆形旋转磁场电机运行在对称状态。Uk~Uj~j1j2k1

k2当αe

=0

，U

k

=0时，气隙中是一个脉振磁场电机运行在不对称度最大状态。kneUU=

k

aBjmBa

=

km

Uk~可以方便的证明：αe

@

α。改变控制电压，即改变αe的大小，也改变了电机的不对称度，所以两相交流伺服电动机是靠改变电机的不对称度来达到控制目的。j1Uj~j2k1k二、不同有效信号系数时电机的机械特性nToae

=

1ae

=

0.75ae

=

0.5ae

=

0.25Uk~Uj~j1j2k1

k2三、转速的控制与调节特性10T=0T1T3T2nae为清楚表示转速随控制电信号变化的关系，常用调节特性曲线来表示。nToea

=

0.25ae

=1TLACB

ae

=

0.75ae

=

0.5DUk~jU

~j1j2k1k2四、堵转特性堵转特性是指伺服电动机堵转转矩与控制电压的关系曲线，即Td=f(ae)曲线。不同有效信号系数ae

时的堵转转矩就是各条机械特性曲线与横坐标的交点。aeTdoUk~jU

~j1j2k1

k2五、机械特性的实用表达式2e2ee

d

02B+a

An(

1

+a

)nT

=

a

T

+其中：B

=

4

H

-

Td

0nssn2A

=

-

4

HHd0Td0

/2snn

/2

nsT10T4.6

移相方法和控制方式为了在电机内形成一个圆形磁场，要求激磁电压Uj和控制电压Uk之间应有90o

的相位差。但是，在实际工作中经常是单相或三相电源，极少有相移90o的两相电源，这就需要想法使现有的电源改变成具有相移的两相电源，以满足交流伺服电动机的需要。1.

利用三相电源的相电压和线电压构成90°的移相三相电源如果有中点，可取一相电压如加到控制绕组上，另外两相的线电压供给励磁绕组，这两个B

绕组的电压相位差为90°。CAUAOUCB三相电源如无中点，可以接上一个三相变压器，利用三相变压器副边上的相电压和线电压形成具有90°相移的两相电压。ABCAD当三相电源没有中点时，可以采用一个具有中点抽头的带铁心的电抗线圈造成人工中点，把电抗线圈两端接在三相电源的B，C两头上，设它的中间抽头为D点，那么ŮBC与ŮDA两相电压的相位差正好是90°相移。ABCD2.

利用三相电源的任意两相线电压三相电源三个线电压的位差120°,为了方便，直接取任意两相线电压使用,若加上系统中其它元件的相位移,这时加在电动机定子绕组上的两个电压接近90°的相位差。3.

采用移相网络在系统控制线路中，常采用移相网络来使得伺服电动机的控制电压与励磁电压成90°的相移。Uk~以上几种移相方法是直接将电源移相或通过移

相网络使激磁电压和控制电压之间有一固定的相

移，这些移相方法称为电源移相。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

来控制转速的，而定子绕组上两电压的相位差恒

定地保持为不变。这种控制方式常称为幅值控制。j1Uj~j2k1

k24.

在励磁相中串联电容器激磁相电路中串联的电容C移相，这种方法很容易简单，在自控制系统中得到非常广泛的运用。交流伺服电动机属于电感性负载,励磁电流İj和控制电流İk分别落后励磁电压ůj和控制电压ůk一个阻抗角φj

和φk

。在励磁回路中加一个电容C，使得励磁回路呈容性，使励磁电流İj和励磁电压ůj领先于电源电压ů。选择合适的电容C，可以使励磁和控制电压的相位差成90°。交流放大器敏感元件控制要求ÌkÌjÙkÙjÙÙcÌjÙk

ÌkÙÙcÙj采用激磁相串联电容器移相的交流伺服电动机通常简称为电容伺服电动机，这种移相方法简称为电容移相。在进行移相时，还可以采用电阻和电容串联的方法来实现。ÌkÌjÙkÙjÙÙc

ÙRÙRÙcÙjÙÌj系统对电容伺服电动机控制时，不但控制电压值在变化，控制电压和励磁电压之间的相位也在变化，这种控制方式称为幅相控制。4.7

电容伺服电动机的特性一、励磁电压ůj

随转速的变化情况1、通常要求电机在启动时产生圆形磁场，以适应启动时快速灵敏的要求。它的电容值通常是根据转速n=0

时的参数来确定的。2、当电动机运行时，磁场将从圆形磁场变成椭圆形磁场，电机转速不同，磁场的椭圆度也不同。转速变化时，激磁电压ůj

的值和

相位都要随着变化。nI

UUjIjUc二、机械特性和调节特性o125V93.75V62.5V31.25Vn电容伺服电动机励磁绕组两端的电压随转速升高而增大，其磁场椭圆度也在发生很大的变化，它的特性与幅值控制时的特性有很大差别。T

Tn

o31.25V125V93.75V62.5V幅值控制电机机械特性电容电机机械特性UkUk电容伺服电动机调节特性0U

k(V)TL=0TL1=50mN.mTL1=100mN.mTL=0TL1=50mN.mTL2=100mN.mU

k(V)幅值控制调节特性对两者的机械特性进行比较可知，电容伺服电动机的特性非线性比较严重。其在低速段出现鼓包现象，会影响电机运行的稳定性。n(r/min)

n(r/min)04.8

交流伺服电动机的主要性能指标一、空载始动电压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。Us0

越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。二、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在转矩T=Td

/2时的转速偏差Δn与空载转速n0之比的百分数。n0·100

0

0DnDnTd

/

2TTdn0n0Km

=三、调节特性非线性度Kv在额定励磁电压和空载的情况下，当

αe=0.7

时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差与αe=1

时的空载转速之间的百分比。实际调节特性线性调节特性Dnαe0.71.00