电机及电力拖动（第五版） 课件 第11章－伺服电动机

第十一章伺服电动机

11.1直流伺服电动机

11.2交流伺服电动机

11.3交、直流伺服电动机的性能比较伺服电动机也称执行电动机，在自动控制中作为执行元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出。11.1直流伺服电动机11.1.1结构和分类直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。按结构可分成传统型和低惯量型两大类。（二）低惯量型直流伺服电动机（一）传统型直流伺服电动机这种电动机的结构和普通直流同基本相同，也是由定子和转子两大部分组成。一般有杯形电枢、圆盘电枢、无槽电枢等结构形式。低惯量型直流伺服电动机的特点是转子轻，转动惯量小，响应快速。11.1.2控制方式把电枢电压作为控制信号，对电动机的转速进行控制,这种控制方式称为电枢控制式，电枢绕组称为控制绕组，电枢电压称为控制电压。直流伺服电动机也可以采用磁场控制方式，即磁极绕组作为控制绕组，接受控制电压，而加在电枢绕组上的电压恒定。电枢控制较磁场控制具有较多的优点，因此自动控制系统中大多采用电枢控制，磁场控制只用于小功率电动机中。11.1.3运行特性电枢控制时直流伺服电动机的工作原理如图。为分析简便，作如下假设：电机磁路不饱和，即认为电机的磁化曲线为一直线。略去负载时电枢反应的影响。那么，直流伺服电动机的转速公式由直流电动机可得一、机械特性机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速与电磁转矩的关系，即UK=常数时，n=f(T)。由转速公式或机械特性都可以看出，随着控制电压UK增大，电动机的机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动，但是它的斜率保持不变，所以电枢控制时直流伺服电动机的机械特性是一组平行的直线。电枢控制式直流伺服电动机的机械特性如图。机械特性与纵轴的交点为电动机的理想转速n0，即与横轴的交点为电动机的堵转转矩TK二、调节特性调节特性是指电磁转矩恒定时，电动机的转速与控制电压的关系，即T=常数时，

n=f(UK)。从图中看出这些调节特性曲线与横轴的交点，表示在一定负载转矩时电动机的始动电压，若负载转矩一定，电动机的控制电压大于相对应的始动电压，调节特性曲线的横坐标从零到始动电压的这一范围称为在一定负载转矩时伺服电动机的失灵区，显然，失灵区的大小是与负载转矩成正比的。它便能转动起来并达到某一转速；反之，控制电压小于相对应的始动电压，由于电动机的最大电磁转矩小于负载转矩，它就不能起动。以上特性曲线是在两个假设的前提下得到的，实际的特性曲线只是一组接近直线的曲线。直流伺服电动机的调节特性11.1.4动态特性电枢控制时直流伺服电动机的动态特性，是指电动机的电枢上外施阶跃电压时，电动机转速从零开始的增长过程，即n=f(t)或w=f(t)。可见为了减小机械时间常数，应当选择转子结构，减小转子转动惯量。此外，还可以改进电动机结构设计，采用更好的硬磁性材料，提高气隙磁通密度，减小电枢绕组电阻。可知，当时t=时，则电动机的有速度（或转速）上升到稳定角速度或转速的0.632倍，当时间t=4时，则电动机的角速度为w=0.985w0,过渡过程基本结束，故一般以t=4作为过渡过程的时间。由式直流伺服电动机角速度的变化曲线11.2交流伺服电动机11.2.1基本结构交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机，其定子两相绕组在空间相距90°电角度，它们可以有相同或不同的匝数。定子绕组的一相作为励磁绕组，运行时接到电压为Uf的交流电源上，另一相作为控制绕组，输入控制电压UK。电压UK与Uf同频率，一般采用50HZ或400HZ。常用的转子结构有两种形式：一种为笼型转子，这种转子结构如同普通笼型感应电动机一样，但是为了减小转子的转动惯量而做成细而长。另一种为非磁性空心杯转子,这种结构电动机中除了和一般感应电动机一样的定子外，还有一个内定子。11.2.2工作原理一旦控制绕组有信号电压，一般情况下，两相绕组中电流产生的磁动势Ff和Ff不对称，则电动机内部便建立起椭圆形旋转磁场。椭圆形旋转磁场分解为两个速度相等、转向相反的圆形旋转磁场，但它们大小不等，因此转子上两个电磁转矩也大小不等，方向相反，合成转矩不为零，这样转子不再保持静止状态，而随着正转磁场的方向转动起来。若控制绕组无控制信号只有励磁绕组中有励磁电流，则气隙中形成的是单相脉振磁动势，它可以分解为正、负序两个圆形旋转磁动势。它们大小相等，转速相同，转向相反。所建立的正序旋转磁场对转子起拖动作用，产生拖动转矩T+；负序旋转磁场对转子起制动作用，产生制动转矩T-，当电动机原处于静止时，转率差s=1，T+=T-，合成转矩T=0，伺服电动机转子不会转动。交流伺服电动机原理图两相交流伺服电动机转子转动后，当控制信号电压UK消失，按照可控性的要求，伺服电动机应立即停转，但此时电动机内部建立的是单相脉振磁场，根据单相异步电动机工作原理，电动机将继续旋转，称之“自转”。“自转”在自动控制系统中是不允许的，解决的办法是增大转子电阻。由图曲线知，随着转子电阻增大，机械特性更接近线性关系。因此，为了使两相并流伺服电动机达到调速范围大和机械特性线性的要求，也必须使其转子具有足够大的电阻值。一般的异步电动机，其机械特性如图中曲线1，它的稳定运行区在转差率S从0到Sm这一区间，因Sm约为0.1-0.2，所以电动机的转速可调范围很小。如果增大转子电阻，使其产生最大转矩的转差率Sm≥1，这样，电动机的机械特性就如图中曲线2所示，相应电动机--------零到同步转速的全部范围内均能稳定运行。异步电动机机械特性11.2.3控制方式一、幅值控制调节控制电压的大小来改变电动机的转速，而控制电压UK与励磁电压Uf之间的相位角保持90°电角度，通常UK滞后于Uf。当控制电压UK=0时，电动机停转，即n=0。二、相位控制调节控制电压的相位（即调节控制电压与励磁电压之间的相位角β）来改变电动机的转速，而控制电压的幅值保持不变，当β=0时，电动机停转。

幅值一相位控制原理图致使励磁绕组的电压Uf及电容C上的电压Uca也随之改变。这就是说，电压UK及Uf的大小及它们之间的相位角β也都随之改变。所以这是一种幅值和相位的复合控制方式。若控制电压UK=0，电动机就停转。这种控制方式是利用串联电容器来分相的，它不需要复杂的移相装置，所以设备简单，成本较低，成为最常用的一种控制方式。11.2.4运行特性一、机械特性机械特性是控制电压UK不变时，电磁转矩与转速的关系。交流伺服电动机的机械特性a)幅值控制b)相位控制c)幅-相控制上图中m为输出转矩对起动转矩的相对值，v为转速对同步转速的相对值。从机械特性看出，不论哪种控制方式，控制电信号越小，机械特性就越下移，理想空载转速也随之减小。二、调节特性两相交流伺服电动机的调节特性是指电磁转矩不变时，转速随控制电压大小变化的关系。由图中看出，两相交流交流伺服电动机的调节特性a)幅值控制b)相位控制c)幅-相控制伺服电动机在三种控制方式下的调节特性都不是线性关系，只在转速标么值较小和信号系数不大范围内才接近于线性关系。相位控制时调节特性的线性度较好。11.3交、直流伺服电动机的性能比较一、机械特性直流伺服电动机的机械特性是线性的，转矩随着转速的增加而均匀下降，在不同控制电压影响很小。交流伺服电动机机械特性是非线性的，电容移相时机械特性非线性度更加严重，而且特性的斜率是随着控制电压的不同而变化的，机械特性很软，转矩的变化对转速的影响很大，特别低速段更是如此。机械特性软会削弱内阻能力（即阻尼系数减少），增大时常数，因而降低系统的品质，而机械特性斜率的变化，会给系统的稳定和校正带来困难。

二、体积、质量和效率为了满足控制系统对电动机要求，交流伺服电动机转子电阻就得相当大，这样损耗就大，效率低，电动机利用程度差，而且电动机通常是运行在椭圆磁场的情况下，负序磁场产生的制动转矩使电动机的有效转矩减小。交流伺服电动机只适用小功率系统，而对于功率较大的控制系统，则普遍采用直流伺服电动机。三、“自转”现象直流伺服电动机无“自转”现象，而交流伺服电动机若参数选择不适当，或制造工艺不良，在单相状态