控制電機-第七章-交流伺服電動機課件

1、第七章 交流伺服電動機（AC servomotor）第七章 交流伺服電動機（AC servomotor）復習直流伺服電動機用途：電壓信號 轉軸的角位移或角速度輸出。原理：通電導體在磁場中受到力的作用。穩(wěn)態(tài)特性 動態(tài)過程發(fā)電機狀態(tài)、反接制動狀態(tài)、動能制動狀態(tài)其他伺服電動機 直流力矩、低慣量伺服復習直流伺服電動機用途：電壓信號 轉軸的角位移或本章學習內容概述交流伺服電動機的結構及工作原理交流伺服電動機的圓形旋轉磁場圓形旋轉磁場作用下的運行分析橢圓形旋轉磁場及其分析方法幅值控制特性移相方法和控制方式主要性能指標和與直流伺服電機的比較本章學習內容概述1 概述 自動控制系統(tǒng)提出的要求：調速范圍大線性度好

2、，運行穩(wěn)定無“自轉”現(xiàn)象慣性小快速靈敏 特點：具有可控性。 用途：自控系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。電動機停止電動機反轉電動機立刻轉動電動機快/慢1 概述 自動控制系統(tǒng)提出的要求：調速范圍大線性度好，運行2 結構特點及工作原理結構特點定子：兩相繞組互成900勵磁繞組l1l2控制繞組k1k2實質為兩相異步電動機2 結構特點及工作原理結構特點定子：兩相繞組互成900勵磁繞轉子鼠籠型 非磁性杯形鼠籠型：和三相異步電動機的籠型轉子一樣，鐵心槽中放入導條，所有導條兩端用兩個短路環(huán)連接。一般采用高電阻率的導電材料制造，如青銅、黃銅。另外，為了提高交流伺服電動機的快速響應性能，宜把籠型轉子做成又細又長，以減小轉子的轉

3、動慣量。 轉子鼠籠型 非磁性杯形鼠籠型：和三相異步電動機的籠型轉子一樣非磁性杯型轉子：此種轉子的交流伺服電動機有兩個定子，外定子和內定子。外定子鐵芯槽內安放有勵磁繞組和控制繞組，而內定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯轉子位于內外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，杯壁一般在0.3mm左右。非磁性空心杯轉子可以看成鼠籠轉子的一種特殊形式。非磁性杯型轉子：此種轉子的交流伺服電動機有兩個定子，外定子和慣量小軸承摩擦阻轉矩小沒有齒槽粘合現(xiàn)象恒速運轉時，轉子不會抖動勵磁電流大，電機利用率低啟動轉矩和輸出功率小結構和制造工藝復雜與鼠籠轉子相比，非磁性杯型轉子的優(yōu)缺點。慣量小勵磁電流大

4、，電機利用率低與鼠籠轉子相比，非磁性杯型轉子控制電機-第七章-交流伺服電動機課件實驗表明：旋轉磁場使轉子產(chǎn)生旋轉轉矩。工作原理實驗表明：旋轉磁場使轉子產(chǎn)生旋轉轉矩。工作原理旋轉磁場順時針方向以轉速ns旋轉，磁力線以順時針方向切割轉子導條，相對的，轉子導條反時針方向切割磁力線，產(chǎn)生感應電動勢，由于短路環(huán)的存在，感應電動勢產(chǎn)生感應電流。轉子導條中的電流在磁場中產(chǎn)生電磁力（左手定則），形成電磁力矩，轉矩的方向和旋轉磁場的方向相同，于是轉子跟著旋轉磁場沿同一個方向轉動。旋轉磁場順時針方向以轉速ns旋轉，磁力線以順時針方向切割轉子轉子速度要低于旋轉磁場的速度。轉子速度要低于旋轉磁場的速度。？怎樣才能產(chǎn)生

5、旋轉磁場？怎樣才能產(chǎn)生旋轉磁場3交流伺服電動機的圓形旋轉磁場(1)脈振磁場的概念脈振磁場(pulsating magnetic field):單相繞組通入單相交流電流后產(chǎn)生與繞組軸線一致、而大小和方向隨時間作正弦規(guī)律變化的交變磁場,稱為脈振磁場。3交流伺服電動機的圓形旋轉磁場(1)脈振磁場的概念脈振磁場(情況1：兩相對稱繞組通入兩相對稱電 流產(chǎn)生旋轉磁場兩相對稱繞組：兩個繞組空間上互差900， 有效匝數(shù)相等。兩相對稱電流：兩個繞組通入電流相位上互差900，幅值相等(2)圓形旋轉磁場的產(chǎn)生電機的總磁場由這兩個脈振磁場所合成情況1：兩相對稱繞組通入兩相對稱電兩相對稱繞組：兩個繞組空間B=Bk=Bm

6、B=Bf=BmB=Bf=BmB=Bk=Bm結論：控制電流變化一個周期，磁場方向在空間轉了一圈，電流變化多個周期，產(chǎn)生不間斷的旋轉磁場。B=Bk=BmB=Bf=BmB=Bf=BmB=Bk=Bm結論控制繞組電流和勵磁繞組電流分別產(chǎn)生兩個脈振磁場，電機的總磁場由這兩個脈振磁場所合成。兩個脈振磁場1.分別位于勵磁繞組和控制繞組軸線上，空間相隔9002.兩個磁場的磁通密度向量長度隨時間做正弦規(guī)律變化，相位相差900，幅值相等控制繞組電流和勵磁繞組電流分別產(chǎn)生兩個脈振磁場，兩個脈振磁場瞬間合成磁場磁通密度向量的長度為合成磁場為圓形的旋轉磁場。情況2：當兩相繞組有效匝數(shù)不等時，通入繞組中的電流滿足下面條件，

7、才能產(chǎn)生圓形旋轉磁場。（？）演示瞬間合成磁場磁通密度向量的長度為合成磁場為圓形的旋轉磁場。情(2) 圓形旋轉磁場的轉向和轉速轉向：從超前電流的繞組軸線轉到落后電流的繞組軸線。任意繞組所加電壓反向，則電機反轉。轉速：稱為同步速，與電機極數(shù)和電源頻率有關。(2) 圓形旋轉磁場的轉向和轉速轉向：從超前電流的繞組軸線轉(3) 磁極對數(shù)對轉速的影響(3) 磁極對數(shù)對轉速的影響txtxP=2txtxP=2極對數(shù)每個電流周期磁場轉過的空間角度同步轉速極對數(shù)每個電流周期同步轉速上節(jié)小結單相繞組通入單相交流電產(chǎn)生脈振磁場。圓形磁場的特點是：幅值不變以恒定的速度在空間旋轉。兩相對稱繞組通入兩相對稱電流就能產(chǎn)生圓形

8、旋轉磁場。旋轉磁場的轉向。轉速為同步速，上節(jié)小結單相繞組通入單相交流電產(chǎn)生脈振磁場。4 圓形旋轉磁場作用下的運行分析（1）轉速和轉差率電動機轉速和旋轉磁場同步轉速的關系電動機轉速（額定轉速）:電機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致， 但 異步電動機無轉距轉子與旋轉磁場間沒有相對運動無轉子電動勢（轉子導體不切割磁力線）無轉子電流提示：如果4 圓形旋轉磁場作用下的運行分析（1）轉速和轉差率電動機轉速 轉差率 的概念：轉差率為旋轉磁場的同步轉速和電動機轉速之差，與同步速之比。即：轉子轉速： 轉差率 的概念：轉差率為旋轉磁場的同步（2）電壓平衡轉子不動時旋轉磁場同時切割定子和轉子繞組，在轉子和定子繞組中

9、產(chǎn)生感應電動勢轉子不動時，磁場切割定子和轉子的速度是一致的，都為同步速，所以感應電動勢的頻率是相同的。（2）電壓平衡轉子不動時旋轉磁場同時切割定子和轉子繞組，在轉圖 7 - 21 旋轉磁場切割定轉子導體 圖 7 - 21 旋轉磁場切割定轉子導體 每根導體感應電動勢的最大值：磁通密度的平均值：每根導體感應電動勢的最大值：磁通密度的平均值：每根導體感應電動勢的有效值：定子、轉子繞組感應電勢有效值：定、轉子繞組漏磁通產(chǎn)生漏磁電勢：勵磁繞組控制繞組轉子繞組勵磁繞組控制繞組轉子繞組每根導體感應電動勢的有效值：定子、轉子繞組感應電勢有效值：定圖 7 - 24 主磁通和漏磁通 圖 7 - 24 主磁通和漏磁

10、通 定、轉子繞組電阻消耗壓降：勵磁繞組控制繞組轉子繞組電壓平衡方程：定、轉子繞組電阻消耗壓降：勵磁繞組控制繞組轉子繞組電壓平衡方電機運行時相同之處：定子繞組感應電勢及電抗、電阻壓降與轉子不動時相同。不同之處：旋轉磁場以轉差（ ）的相對速度切割轉子導體。轉子導體感應電勢和電流的頻率為：電機運行時相同之處：定子繞組感應電勢及電抗、電阻壓降與轉子不定、轉子繞組漏磁通產(chǎn)生漏磁電勢：電壓平衡方程：定、轉子繞組漏磁通產(chǎn)生漏磁電勢：電壓平衡方程：（3）圓形旋轉磁場的定子繞組電壓匝數(shù)相等（3）圓形旋轉磁場的定子繞組電壓匝數(shù)相等匝數(shù)不相等定子漏電抗：匝數(shù)不相等定子漏電抗：當產(chǎn)生圓形磁場時對稱狀態(tài)兩相繞組額定電壓

11、值與繞組匝數(shù)成正比關系。當產(chǎn)生圓形磁場時對稱狀態(tài)兩相繞組額定電壓值與繞組匝數(shù)成正比關（4）轉矩及機械特性電磁轉矩表達式思路：由每根所受電磁力之和求電機總的力及力矩，且電機總轉矩與磁場位置無關。說明：電磁轉矩與電源參數(shù)（、f）、結構參數(shù)（W、Z、R）和運行參數(shù)（s）有關。（4）轉矩及機械特性電磁轉矩表達式思路：由每根所受電磁力之和重要參數(shù)重要參數(shù)當其它參數(shù)一定時：1、最大電磁轉矩與電源電壓平方成正比； 臨界轉差率與電源電壓無關。3、頻率越高，最大電磁轉矩和臨界轉差率越??； 漏抗越大，最大電磁轉矩和臨界轉差率越??；2、轉子回路電阻越大，臨界轉差率越大； 最大電磁轉矩與轉子電阻無關。4、堵轉轉矩與電

12、源電壓平方成正比；頻率越高，堵轉轉矩越??；漏抗越大，堵轉轉矩越小。當其它參數(shù)一定時：1、最大電磁轉矩與電源電壓平方成正比；3、自控系統(tǒng)對伺服電機的要求具有大的轉子電阻和下垂的機械特性是交流伺服電動機的主要特點。 自控系統(tǒng)對伺服電機的要求具有大的轉子電阻和下垂的機械特性是交阻尼系數(shù)將對稱狀態(tài)下的機械特性用直線代替，則D還可以表示為阻尼系數(shù)越大，表示電機運行穩(wěn)定；反之，運行不穩(wěn)定。阻尼系數(shù)將對稱狀態(tài)下的機械特性用直線代替，則D還可以表示為阻5 橢圓形旋轉磁場及其分析方法交流伺服電動機在系統(tǒng)工作中，為了對它的轉速進行控制，加在控制繞組上的控制電壓是在變化的，電機常處于不對稱狀態(tài)。電機在不對稱情況下的

13、磁場為橢圓形旋轉磁場。不對稱情況1.兩相電流相差90度，幅值不等。2.兩相電流相差不是90度。5 橢圓形旋轉磁場及其分析方法交流伺服電動機在系統(tǒng)工作中，為圓形磁場分析思路：合成的思想由特殊點分析一般點圓形磁場分析思路：合成的思想由特殊點分析一般點情況一：幅值不等情況一：幅值不等它決定了磁場的橢圓程度。圖 7 - 34 不同值時的橢圓 它決定了磁場的橢圓程度。圖 7 - 34 不同值時的橢圓 情況二：兩相繞組電流相位相差不為90度圖 7 - 35 同相電流產(chǎn)生的脈振磁場圖 7 - 35 同相電流產(chǎn)生的脈振磁場情況二：兩相繞組電流相位相差不為90度圖 7 - 35 同橢圓形磁場的分析方法分解法 脈

14、振磁場一個脈振磁場可以分解為兩個圓形磁場。兩個圓形磁場幅值相等（磁通密度向量幅值都為脈振磁通密度向量幅值的一半），轉向相反（正反方向），其轉速都為脈振磁通密度變化頻率。橢圓形磁場的分析方法分解法 脈振磁場一個脈振磁場可以分 橢圓形磁場 橢圓形磁場交流伺服電機一般運行下，定子產(chǎn)生橢圓形磁場。可以分解為兩個圓形磁場。轉速相同，轉向相反。其中一個與橢圓形磁場轉向相同為正向圓形磁場，另一個為反向圓形磁場。交流伺服電機一般運行下，定子產(chǎn)生橢圓形磁場?？梢苑纸鉃閮蓚€圓控制電機-第七章-交流伺服電動機課件6 幅值控制時特性幅值控制：勵磁繞組為額定電壓， 與 之間相差900， 根據(jù)需要進行改變。 有效信號系數(shù)

15、 ：為額定控制電壓為實際控制電壓合成磁場為圓形旋轉磁場，電機對稱運行狀態(tài)。合成磁場為脈振磁場，電機不對稱程度最大。表征電機不對稱運行的程度。合成磁場為橢圓形磁場，電機處于不對稱運行狀態(tài)。6 幅值控制時特性幅值控制：勵磁繞組為額定電壓， 與 有效信號系數(shù) 與 的關系交流伺服電機是靠改變電機運行的不對稱程度達到控制的目的。根據(jù)變壓器原理有效信號系數(shù) 與 的關系交流伺服電機是靠改不同有效信號系數(shù)的機械特性橢圓形磁場可以由兩個正轉和反轉的圓形磁場替代。如果轉子的速度為n，轉子相對于正轉磁場轉差率：轉子相對于反轉磁場轉差率：轉矩為正轉矩為阻轉矩不同有效信號系數(shù)的機械特性橢圓形磁場可以由兩個正轉和反轉的圓

16、 式中， 為磁通密度向量幅值之比， 即=Bkm /Bfm 。 (7 - 81) (7 - 82) TB2m 即對于一定的轉速， 轉矩與氣隙磁通密度幅值的平方成正比。 設已知對稱狀態(tài)時(e=1, Bm =Bfm )， 正向旋轉磁場產(chǎn)生的機械特性如圖7 - 41中的T10 曲線， 則可作出對稱狀態(tài)時反向旋轉磁場(實際上不存在， 是假設的)產(chǎn)生的機械特性T20 曲線(該兩曲線是對稱于縱坐標， 圖中作出的是-T20 曲線)。 式中， 為磁通密度向量幅值之比， 即=Bkm /Bfm反轉圓磁場所產(chǎn)生的轉矩為 (7 - 84)這樣， 不對稱狀態(tài)的轉矩為(7 - 85) (7 - 83) 當e1時， 正轉圓磁

17、場所產(chǎn)生的轉矩為反轉圓磁場所產(chǎn)生的轉矩為 (7 - 84)這樣， 不對稱狀態(tài)總轉矩為兩個轉矩之差：總轉矩為兩個轉矩之差：不同控制電壓下的機械特性曲線n=f(T), U1=常數(shù) 在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負載轉矩作用時，電動機轉速隨控制電壓的下降而均勻減小。 由于反向旋轉磁場的存在，產(chǎn)生了附加的制動轉矩，因而使電機的輸出轉矩減小，同時在理想空載下，轉子轉速已不能達到同步速。 有效信號系數(shù)越小，磁場橢圓度越大，反向轉矩越大，理想空載轉速越低。不同控制電壓下的機械特性曲線 在勵磁電壓不變的 交流伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止狀態(tài)下，能服從控制信號的命令而轉動

18、，而且要求在電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機立即停轉。 但如果交流伺服電動機的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機相似，電動機一經(jīng)轉動，即使控制等于零，電動機仍繼續(xù)轉動，電動機失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉”。 如何克服“自轉”現(xiàn)象呢？零信號的機械特性和無“自轉”現(xiàn)象 交流伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止狀態(tài)下，能零信號時的機械特性所謂零信號， 就是控制電壓Uk=0， 或e=0。 當e=0時， 磁場是脈振磁場，它可以分解為幅值相等、 轉向相反的兩個圓形旋轉磁場， 其作用可以想象為有兩對相同大小的磁鐵N - S和N - S在空間以相反方向旋轉， 如圖7 - 43所示。 零信號時的機械特性圖 7 -

19、 43 脈振磁場的作用 圖 7 - 43 脈振磁場的作用 圖 7 - 44 零信號時的機械特性 圖 7 - 44 零信號時的機械特性 此時轉子電阻較小， 臨界轉差率sm正 =0.4。 從圖中可以看出， 在電機工作的轉差率范圍內， 即0s正1時， 合成轉矩T絕大部分都是正的， 因此， 如果伺服電動機在控制電壓Uk作用下工作， 當突然切去控制電信號， 即Uk=0時， 只要阻轉矩小于單相運行時的最大轉矩， 電動機仍將在轉矩T作用下繼續(xù)旋轉。 這樣就產(chǎn)生了自轉現(xiàn)象， 造成失控。圖 7 - 45 自轉現(xiàn)象與轉子電阻值的關系(1) (a)RR=RR1 ； (b) RR=RR2 RR1 ； (c) RR=R

20、R3 RR2 此時轉子電阻較小， 臨界轉差率sm正 =0.4。 從圖中可以圖 7 - 45 自轉現(xiàn)象與轉子電阻值的關系(2)(b) RR=RR2 RR1 ；此時轉子電阻有所增加， 臨界轉差率已增加到sm正 =0.8， 合成轉矩減小得多， 但是與上面一樣， 仍將產(chǎn)生自轉現(xiàn)象。 圖 7 - 45 自轉現(xiàn)象與轉子電阻值的關系(2)此時轉子(c) RR=RR3 RR2 轉子電阻已增大到使臨界轉差率sm正 1的程度。 這時合成轉矩曲線與橫軸相交僅有一點(s=1處)， 而且在電機運行范圍內， 合成轉矩均為負值， 即為制動轉矩。 因而當控制電壓Uk取消變?yōu)閱蜗噙\行時， 電機就立刻產(chǎn)生制動轉矩，與負載阻轉矩一

21、起促使電機迅速停轉， 這樣就不會產(chǎn)生自轉現(xiàn)象。 在這種情況下， 停轉時間甚至較兩相繞組的電壓Uk和Uf同時取消時還快些。 (c) RR=RR3 RR2 轉子電阻已增大到使臨界轉差率“自轉”原因：（1）轉子電阻不夠大。（增大轉子電阻的好處？）（2）工藝原因，多發(fā)生在功率極小情況下。定子繞組匝間短路轉子鐵心片間短路各向磁導不均“自轉”原因：（1）轉子電阻不夠大。（增大轉子電阻的好處？）7 轉速的控制與調節(jié)特性負載一定時改變控制電壓的有效信號系數(shù)可以改變轉速7 轉速的控制與調節(jié)特性負載一定時改變控制電壓的有效信號系數(shù)堵轉特性堵轉特性8移相方法和控制方式為了在電機內形成圓形旋轉磁場，要求勵磁電壓和控制

22、電壓有900相位差。但實際只有單相電源或三相電源，如何產(chǎn)生相位相差900的兩相電源？（1）利用三相電源的相電壓和線電壓構成900 相移8移相方法和控制方式為了在電機內形成圓形旋轉磁場，要求勵磁電如果三相電源沒有中點，就采用三相變壓器，或帶中間抽頭的電抗線圈如果三相電源沒有中點，就采用三相變壓器，或帶中間抽頭的電抗線系統(tǒng)中其它元件(如自整角機， 伺服放大器等)產(chǎn)生相位移。（2）利用三相電源的任意兩相線電壓（3）利用移相網(wǎng)絡圖 7 - 52 采用電子移相網(wǎng)絡的伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)中其它元件(如自整角機， 伺服放大器等)產(chǎn)生相位移。（2（4）在勵磁繞組中串聯(lián)電容器主要應用于小功率控制系統(tǒng)。電容值大小隨電機的轉速變化?？蛇x擇