交流伺服電動機

交流伺服電動機第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.1交流伺服電動機的概述4.2交流伺服電動機的工作原理和結(jié)構(gòu)第4章交流伺服電動機4.3圓形磁場下電動機運行的理論分析4.4橢圓磁場下電動機運行的理論分析4.5交流伺服電動機幅值控制時的特性4.6移相方法和控制方式4.7電容伺服電動機的特性4.8交流伺服電動機的應(yīng)用4.9交流伺服電動機的主要性能指標4.10交流伺服電動機的主要技術(shù)數(shù)據(jù)第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六掌握交流伺服電動機的工作原理和結(jié)構(gòu)第4章交流伺服電動機掌握圓形磁場下電動機運行的理論分析掌握橢圓磁場下電動機運行的理論分析掌握交流伺服電動機幅值控制時的特性掌握移相方法和控制方式掌握電容伺服電動機的特性掌握交流伺服電動機的應(yīng)用交流伺服電動機的主要性能指標和主要技術(shù)數(shù)據(jù)本章要求：第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.1交流伺服電動機的概述交流伺服電動機在小功率隨動系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用。它在自動控制系統(tǒng)中，是將控制電信號快速地轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的一個執(zhí)行元件。自動控制系統(tǒng)對交流伺服電動機的要求主要有以下幾點：1、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向應(yīng)方便地受控制信號的控制，調(diào)速范圍要大；2、整個運行范圍內(nèi)的特性應(yīng)接近線性關(guān)系，保證運行的穩(wěn)定性；第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六3、當控制信號消除時，伺服電動機應(yīng)立即停轉(zhuǎn)，即電動機無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；4、控制功率要小，啟動力矩應(yīng)大；5、機電時間常數(shù)要小，啟動電壓要低。當控制信號變化時，反應(yīng)應(yīng)快速靈敏。第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.2交流伺服電動機的工作原理和結(jié)構(gòu)一、交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子鐵心上裝有兩個繞組，一個作勵磁用，稱為勵磁繞組j1~j2；另一個稱為控制繞組k1~k2；兩個繞組的軸線互相垂直，在空間上相隔90°。Uk~Uj~j1j2k1k2因此，交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六交流伺服電動機定子鐵心和下好線的定子第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六Uk~Uj~j1j2k1k2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)常用的有鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子。第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六杯形轉(zhuǎn)子通常是由鋁合金制成的空心薄壁圓筒。此外，為了減少磁路的磁阻，在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置有固定的內(nèi)定子。在分析時，杯形轉(zhuǎn)子可視作由無數(shù)并聯(lián)的導(dǎo)體條組成，和鼠籠轉(zhuǎn)子一樣。杯形轉(zhuǎn)子圖第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六各種交流伺服電動機圖片第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六二、工作原理Uk~Uj~j1j2k1k2定子兩相空間互差90電角度繞組中，通入時間上互差90的電流，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割該磁場，從而感應(yīng)電勢，該電勢在短路的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場中受力，從而使得轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。NSn1FF動畫第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.3圓形磁場下電動機運行的理論分析一、轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時Uk~Uj~j1j2k1k21、電磁關(guān)系與變壓器類似定子加對稱Ui0漏磁通主磁通FmmejekeR2eRi0Rejek1第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.3圓形磁場下電動機運行的理論分析2、感應(yīng)電勢激磁繞組：控制繞組：轉(zhuǎn)子繞組：2、電壓平衡方程式Uk~Uj~j1j2k1k2第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六二、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時1、感應(yīng)電勢

定子側(cè)激磁繞組、控制繞組感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時相同。轉(zhuǎn)子繞組：rRjxRs+-f2轉(zhuǎn)子頻率：第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六2、電壓平衡方程式rRjxRs+-f2第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六三、圓形旋轉(zhuǎn)磁場時定子繞組電壓關(guān)系1、Wj=Wk時（此時定子為兩相對稱繞組）當時又而此時為了得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場，要求兩相繞組電壓值相等，相位互差900

。Uk~Uj~j1j2k1k2第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六2、Wj/Wk=k時此時繞組電壓大小與繞組匝數(shù)成正比。兩相繞組產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，加在定子上的電壓分別定義為額定激磁電壓ù

jn和額定控制電壓ùkn，并稱兩相交流伺服電動機處于對稱狀態(tài)。Wj=Wk時，Wj/Wk=k時，Ujn

=UknUk~Uj~j1j2k1k2第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六四、轉(zhuǎn)矩及機械特性1、電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式2、電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式其中ZR為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條根數(shù)，WR為轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)（籠形電機WR=1/2），

s為同步角速度（s=2ns/60=2f/p）第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六3、機械特性oTTmaxTdnns理想空載：n=ns，s=0，T=0最大轉(zhuǎn)矩：n=n1，s=sm，T=Tmax堵轉(zhuǎn)點（啟動點）：n=0

，s=1

，T=Td機械特性仿真不同轉(zhuǎn)子電阻特性第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六為使交流伺服電動機轉(zhuǎn)速從0~ns整個運行范圍內(nèi)都保證其工作的穩(wěn)定性，其機械特性在整個范圍內(nèi)都是下垂的，要具有這樣的下垂特性，交流伺服電動機要有足夠大的轉(zhuǎn)子電阻，使sm>1。具有大的轉(zhuǎn)子電阻和下垂的機械特性是交流伺服電動機的主要特點。為了表示伺服電動機的運行穩(wěn)定性，通常引入阻尼系數(shù)的概念。這種特性用阻尼系數(shù)D來度量。空載轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩ToTdnnsTL第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六阻尼系數(shù)D值越大，轉(zhuǎn)矩變化對轉(zhuǎn)速的影響很小，電機運行穩(wěn)定，反之，電機運行的穩(wěn)定性很差。在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，若機械特性近似看為直線，則在該范圍內(nèi)阻尼系數(shù)為T1、T2、n1、n2分別為該范圍內(nèi)機械特性上相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值。oTTdnnsn2n1T1T2第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.4橢圓磁場下電動機運行的理論分析一、橢圓形磁場的形成當激磁繞組與控制繞組所產(chǎn)生的磁勢幅值不相等，即=Bkm/Bjm（0<<1）；兩繞組電流相位差為（0<<90o），這時產(chǎn)生的磁場為橢圓形磁場。當=1，=

90o，電機產(chǎn)生圓形磁場；當=0，=0；

=0，=

90o

，

=1，=0；電機產(chǎn)生脈振磁場；當0<<1

，0<<90o，電機產(chǎn)生橢圓形磁場；第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六+j+kn+n-單相脈振磁場可分解為兩個相反的旋轉(zhuǎn)磁場t=0時,勵磁和控制繞組產(chǎn)生的空間磁場相量圖二、橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的分析方法--分解法Uk~Uj~ijikBjBk第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六+j+kn+n-+j+kn合成磁場+j+kn+n-第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六+j+kn合成磁場兩個圓形磁場轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反。其中與合成橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場相同轉(zhuǎn)向的圓形旋轉(zhuǎn)磁場稱為正轉(zhuǎn)磁場，另一個則為反轉(zhuǎn)磁場。當越接近于1，正轉(zhuǎn)磁場就越強（大），但不管多大，正轉(zhuǎn)磁場總是大于反轉(zhuǎn)磁場。+j+kn+n-第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六三、橢圓磁場作用下的機械特性1、脈振磁場時的機械特性asTbsTcsTr2ar2b

r2c第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六

圖（a）、（b）、（c）為不同轉(zhuǎn)子電阻時，脈振磁場作用下電機的機械特性。圖（c）中sm>1，電機不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，當控制電壓取消，電機變?yōu)閱蜗噙\行時，電機就立刻產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使電機停轉(zhuǎn)。r2ar2b

r2casTcsTbsT1110202200202為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，交流伺服電動機單相供電時的機械特性必須如圖（c）所示，顯然這也就要求有相當大的轉(zhuǎn)子電阻。第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六2、橢圓磁場時的機械特性

左圖為橢圓磁場的機械特性，反向旋轉(zhuǎn)磁場的存在，產(chǎn)生了附加的制動轉(zhuǎn)矩T反，使電機輸出轉(zhuǎn)矩減少，且在T=0的理想空載情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已不能達到同步速ns，只能達到小于ns的n0’。T反T正nsTsn0’01n第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.5交流伺服電動機幅值控制時的特性一、有效信號系數(shù)αe（

=

90o

）（0<e

<1，0<Uk<Ukn）Uk

為控制繞組所加電壓，Ukn為額定控制電壓αe不僅可以表示控制電壓的值，而且也可以表示電機的不對稱運行程度。當αe=1，Uk=Ukn時，氣隙中合成磁場是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場電機運行在對稱狀態(tài)。Uk~Uj~j1j2k1k2第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六當αe=0，Uk=0時，氣隙中是一個脈振磁場電機運行在不對稱度最大狀態(tài)?？梢苑奖愕淖C明：αe

α。改變控制電壓，即改變αe的大小，也改變了電機的不對稱度，所以兩相交流伺服電動機是靠改變電機的不對稱度來達到控制目的。Uk~Uj~j1j2k1k2第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六二、不同有效信號系數(shù)時電機的機械特性nToe=

0.25e=

0.5e=

0.75e=

1Uk~Uj~j1j2k1k2第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六三、轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)特性10T=0T1T3T2ne為清楚表示轉(zhuǎn)速隨控制電信號變化的關(guān)系，常用調(diào)節(jié)特性曲線來表示。nToe=

0.25e=

0.5e=

0.75e=

1TLABCDUk~Uj~j1j2k1k2第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六四、堵轉(zhuǎn)特性堵轉(zhuǎn)特性是指伺服電動機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與控制電壓的關(guān)系曲線，即Td=f(e)曲線。不同有效信號系數(shù)e時的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩就是各條機械特性曲線與橫坐標的交點。eTdoUk~Uj~j1j2k1k2第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六五、機械特性的實用表達式其中：HTd0Td0/2ns/2nnsT10第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.6移相方法和控制方式為了在電機內(nèi)形成一個圓形磁場，要求激磁電壓Uj和控制電壓Uk之間應(yīng)有90o

的相位差。但是，在實際工作中經(jīng)常是單相或三相電源，極少有相移90o的兩相電源，這就需要想法使現(xiàn)有的電源改變成具有相移的兩相電源，以滿足交流伺服電動機的需要。1.利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90°的移相三相電源如果有中點，可取一相電壓如加到控制繞組上，另外兩相的線電壓供給勵磁繞組，這兩個繞組的電壓相位差為90°。ABCOUAUCB第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六三相電源如無中點，可以接上一個三相變壓器，利用三相變壓器副邊上的相電壓和線電壓形成具有90°相移的兩相電壓。第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六當三相電源沒有中點時，可以采用一個具有中點抽頭的帶鐵心的電抗線圈造成人工中點，把電抗線圈兩端接在三相電源的B，C兩頭上，設(shè)它的中間抽頭為D點，那么?BC與?DA兩相電壓的相位差正好是90°相移。ABCADABCD第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六3.采用移相網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)控制線路中，常采用移相網(wǎng)絡(luò)來使得伺服電動機的控制電壓與勵磁電壓成90°的相移。2.利用三相電源的任意兩相線電壓三相電源三個線電壓的位差120°,為了方便，直接取任意兩相線電壓使用,若加上系統(tǒng)中其它元件的相位移,這時加在電動機定子繞組上的兩個電壓接近90°的相位差。第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六以上幾種移相方法是直接將電源移相或通過移相網(wǎng)絡(luò)使激磁電壓和控制電壓之間有一固定的相移，這些移相方法稱為電源移相。采用電源移相時，交流伺服電動機只是通過改變控制電壓的值來控制轉(zhuǎn)速的，而定子繞組上兩電壓的相位差恒定地保持為不變。這種控制方式常稱為幅值控制。Uk~Uj~j1j2k1k2第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六交流伺服電動機屬于電感性負載,勵磁電流?j和控制電流?k分別落后勵磁電壓?j和控制電壓

?k一個阻抗角φj和φk。在勵磁回路中加一個電容C，使得勵磁回路呈容性，使勵磁電流?j和勵磁電壓?j領(lǐng)先于電源電壓?。選擇合適的電容C，可以使勵磁和控制電壓的相位差成90°。4.在勵磁相中串聯(lián)電容器激磁相電路中串聯(lián)的電容C移相，這種方法很容易簡單，在自控制系統(tǒng)中得到非常廣泛的運用。第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六交流放大器敏感元件控制要求ìkìjùkùjùùcìkìjùkùùjùc采用激磁相串聯(lián)電容器移相的交流伺服電動機通常簡稱為電容伺服電動機，這種移相方法簡稱為電容移相。第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六在進行移相時，還可以采用電阻和電容串聯(lián)的方法來實現(xiàn)。ìkìjùkùjùùcùRùRùcùjùìj系統(tǒng)對電容伺服電動機控制時，不但控制電壓值在變化，控制電壓和勵磁電壓之間的相位也在變化，這種控制方式稱為幅相控制。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.7電容伺服電動機的特性一、勵磁電壓?j隨轉(zhuǎn)速的變化情況1、通常要求電機在啟動時產(chǎn)生圓形磁場，以適應(yīng)啟動時快速靈敏的要求。它的電容值通常是根據(jù)轉(zhuǎn)速n=0時的參數(shù)來確定的。2、當電動機運行時，磁場將從圓形磁場變成橢圓形磁場，電機轉(zhuǎn)速不同，磁場的橢圓度也不同。轉(zhuǎn)速變化時，激磁電壓?j的值和相位都要隨著變化。nIUUjUcIj第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六二、機械特性和調(diào)節(jié)特性電容伺服電動機勵磁繞組兩端的電壓隨轉(zhuǎn)速升高而增大，其磁場橢圓度也在發(fā)生很大的變化，它的特性與幅值控制時的特性有很大差別。nTo31.25V62.5V93.75V

125VnTo31.25V62.5V93.75V

125V幅值控制電機機械特性電容電機機械特性UkUk第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六對兩者的機械特性進行比較可知，電容伺服電動機的特性非線性比較嚴重。其在低速段出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，會影響電機運行的穩(wěn)定性。幅值控制調(diào)節(jié)特性電容伺服電動機調(diào)節(jié)特性0Uk(V)TL=0TL1=50mN.mTL1=100mN.mn(r/min)TL=0TL1=50mN.mTL2=100mN.mUk(V)n(r/min)0第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六4.8交流伺服電動機的主要性能指標一、空載始動電壓在額定勵磁電壓和空載的情況下，使轉(zhuǎn)子在任意位置開始連續(xù)轉(zhuǎn)動所需的最小控制電壓定義為空載始動電壓Us0。Us0越小，表示伺服電動機的靈敏度越高。二、機械特性非線性度Km在額定勵磁電壓下，任意控制電壓時的實際機械特性在轉(zhuǎn)矩T=Td/2時的轉(zhuǎn)速偏差Δn與空載轉(zhuǎn)速n0之比的百分數(shù)。nTdTd/

2Tn0n0第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六三、調(diào)節(jié)特性非線性度Kv在額定勵磁電壓和空載的情況下，當αe=0.7時，實際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉(zhuǎn)速偏差與αe=1時的空載轉(zhuǎn)速之間的百分比。實際調(diào)節(jié)特性線性調(diào)節(jié)特性nαe0.71.00n0n第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六四、堵轉(zhuǎn)特性非線性度Kd在額定勵磁電壓下，實際堵轉(zhuǎn)特性與線性堵轉(zhuǎn)特性的最大偏差與αe=1是的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之間的百分比。實際堵轉(zhuǎn)特性線性堵轉(zhuǎn)特性Tdnαe1.00Td0Td第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期六當轉(zhuǎn)子電阻相當大時，把αe=1時的機械特性近似