第7章交流伺服電動機

第7章交流伺服電動機7.1概述7.2交流伺服電動機結(jié)構(gòu)特點和工作原理7.7幅值控制時的特性7.8移相方法和控制方式7.9電容伺服電動機的特性7.1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，功率從幾瓦到幾十瓦。在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。如圖7-1所示，伺服電動機的軸上帶有被控制的機械負載(由于電動機轉(zhuǎn)速較高，一般均通過減速齒輪再與負載相連接)，在電機繞組的兩端施加控制電信號Uk。將控制電信號快速地轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。1—交流伺服電動機2—減速齒輪3—機械負載軸圖7-1交流伺服電動機的功用圖5-3雷達俯仰角自動顯示系統(tǒng)原理圖

典型用途：如圖5-3所示，雷達俯仰角自動顯示系統(tǒng)的自整角伺服系統(tǒng)示意圖。

交流伺服電動機作為執(zhí)行元件，驅(qū)動自整角變壓器轉(zhuǎn)子和負載轉(zhuǎn)動。自整角機可分為：力矩式和控制式兩大類。

控制式自整角機的作用：作為角度和位置的檢測元件，將機械角度轉(zhuǎn)換為電信號或?qū)⒔嵌鹊臄?shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M量，而且精度較高，誤差范圍僅有3′～14′，用于精密的閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。

力矩式自整角機的作用是直接達到轉(zhuǎn)角隨動的目的，即將機械角度變換為力矩輸出。但無力矩放大作用，接收誤差稍大，負載能力較差，其靜態(tài)誤差范圍為0.5°～2°。因此，力矩式自整角機只適用于輕負載轉(zhuǎn)矩及精度要求不太高的開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)里。

雷達天線的俯仰角α就是自整角發(fā)送機“ZKF”軸的轉(zhuǎn)角，自整角變壓器“ZKB”軸的轉(zhuǎn)角就是刻度盤的讀數(shù)β。伺服電動機帶動負載（刻度盤）和自整角變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動是受到控制的，當(dāng)雷達轉(zhuǎn)軸位置α(稱為主令位置)改變時，由于負載位置β≠α，自整角變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出交變電勢，就有電壓輸出，通過放大器，伺服電動機接受到控制電信號Uk，就帶動負載和自整角變壓器轉(zhuǎn)動，直至α=β，γ=0。

所以，伺服電動機直接地受電信號Uk的控制，間接地受主令位置α的控制。伺服電動機的轉(zhuǎn)動總是使β接近α，直至β=α，使負載和主令位置處于協(xié)調(diào)。

自動控制系統(tǒng)對交流伺服電動機的要求：

(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)具有線性關(guān)系，保證運行的穩(wěn)定性；

(3)當(dāng)控制信號消除時，伺服電動機應(yīng)立即停轉(zhuǎn)，也就是要求伺服電動機無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；

(4)控制功率要小，啟動轉(zhuǎn)矩要大；

(5)機電時間常數(shù)要小，始動電壓要低。當(dāng)控制信號變化時，反應(yīng)快速靈敏。

7.2交流伺服電動機結(jié)構(gòu)特點和工作原理

7.2.1結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分：定子部分和轉(zhuǎn)子部分。定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組。其中l(wèi)1-l2稱為勵磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。

1—定子繞組2—定子鐵心3—鼠籠轉(zhuǎn)子圖7–2兩相繞組分布圖

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩種：

1、非磁性空心杯形

2、鼠籠式

圖7–3鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機圖7-4轉(zhuǎn)子沖片

圖7-5鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組

1—杯形轉(zhuǎn)子2—外定子3—內(nèi)定子4—機殼5—端蓋圖7-6杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機

圖7–7杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子相似

非磁性空心杯轉(zhuǎn)子特點:

細長的轉(zhuǎn)子，空心杯的杯壁極薄，一般在0.3mm左右。材料：高電阻率的硅錳青銅或錫鋅青銅。與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子優(yōu)點：

1、轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小，靈敏度高，精度較高。

2、由于它的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，沒有抖動現(xiàn)象，力矩波動小，低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音很小。

3、損耗小，效率高。因轉(zhuǎn)子中無磁滯和渦流造成的鐵耗，所以效率可達80%或更高。

4、換向性能好，壽命長。由于杯形轉(zhuǎn)子無鐵心，換向元件電感很小，幾乎不產(chǎn)生火花，換向性能好，因此大大提高了電機的使用壽命。缺點：由于內(nèi)、外定子間氣隙較大，勵磁電流較大，功率因素減小了，降低了電機的利用率。

7.2.2工作原理交流伺服電動機的勵磁繞組兩端施加恒定的勵磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動機就會將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動起來。圖7-8電氣原理圖

圖7-9伺服電動機工作原理圖7-10鼠籠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向一、橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生定子兩相繞組，勵磁繞組和控制繞組在空間上互90°電角度，勵磁繞組的電流與控制繞組的電流相位上相差90°，幅值彼此相等，有效匝數(shù)又相等的兩個繞組稱為對稱兩相繞組。用數(shù)學(xué)式表示為

ik=Ikmsin

ωt

if=Ifmsin(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

圖7-11兩相對稱電流

圖7-13旋轉(zhuǎn)磁場示意圖

二、旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向伺服電動機的轉(zhuǎn)子是隨著旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動的，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機的轉(zhuǎn)向。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向是從流過超前電流的繞組軸線轉(zhuǎn)向流過滯后電流的繞組軸線。若控制電流ik超前勵磁電流if，旋轉(zhuǎn)磁場從控制繞組軸線轉(zhuǎn)到勵磁繞組軸線，即按順時針的方向轉(zhuǎn)動的，如圖7-15所示。

***如何改變交流伺服電動機的轉(zhuǎn)向？當(dāng)任意一個繞組上所加的電壓反相時(不能兩相同時反相)，則流過該繞組的電流也反相，即原來是超前電流的就變成滯后電流，因而旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向改變，變成反時針方向，電機的轉(zhuǎn)向也改變了，如圖7-17所示。

圖7-15旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向圖7-16一相電壓倒相后的繞組電流波形圖7-17旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向的改變

三、小結(jié)

(1)單相繞組通入單相交流電后，產(chǎn)生脈振磁場。

(2)兩相對稱繞組通入兩相對稱電流就能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場；即空間上相差90°電角度，時間上90°相位差，幅值又相等的兩個脈振磁場必然形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

(3)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向是從超前相的繞組軸線轉(zhuǎn)到滯后相的繞組軸線。把兩相繞組中任意一相繞組上所加的電壓反相(即相位改變180°)，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向。(4)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步速n1，只與電機極數(shù)和電源頻率（交流伺服電動機使用的電源頻率通常是標準頻率f=400Hz或50Hz）有關(guān)，其關(guān)系為7.7幅值控制時的特性

7.7.1有效信號系數(shù)αe

采用幅值控制的交流伺服電動機勵磁繞組通常是接在恒值的交流電源上，等于額定勵磁電壓，勵磁電壓與控制電壓之間保持90°的相位差，而控制電壓的值是變化的。有效信號系數(shù)αe式中，Uk為實際控制電壓；Ukn為額定控制電壓，當(dāng)控制電壓Uk在0~Ukn變化時，有效信號系數(shù)αe在0~1變化。

7.7.2不同有效信號系數(shù)時的機械特性

根據(jù)對橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的分析，可作出交流伺服電動機不同有效信號系數(shù)時的機械特性。當(dāng)αe=1時，氣隙磁場是圓形旋轉(zhuǎn)磁場；當(dāng)αe≠1時，氣隙磁場是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。改變控制電壓，即改變αe的大小，也就改變了電機不對稱程度，所以兩相交流伺服電動機是靠改變電機運行的不對稱程度來達到控制的目的。圖7-42機械特性曲線族

7.7.3零信號時的機械特性和無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象

零信號時的機械特性就是控制電壓Uk=0或αe=0時的機械特性。當(dāng)αe=0時，磁場是脈振磁場，可以分解為幅值相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，如圖7-43所示。如果伺服電動機在控制電壓Uk作用下運行時，突然除去控制電信號，即Uk=0時，只要阻轉(zhuǎn)矩小于單相運行時的最大轉(zhuǎn)矩，電動機仍將在轉(zhuǎn)矩T作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成失控。圖7-43脈振磁場的作用圖7-44零信號時的機械特性圖7-45自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻值的關(guān)系(1)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

圖7-45自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻值的關(guān)系(2)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

圖7-45自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻值的關(guān)系(3)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

圖7-45(c)對應(yīng)于轉(zhuǎn)子電阻已增大到使臨界轉(zhuǎn)差率sm正

＞1的程度。這時合成轉(zhuǎn)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(nèi)，合成轉(zhuǎn)矩均為負值，即為制動轉(zhuǎn)矩。因而當(dāng)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(zhuǎn)矩，與負載阻轉(zhuǎn)矩一起促使電機迅速停轉(zhuǎn)，這樣就不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在這種情況下，停轉(zhuǎn)時間甚至比兩相繞組的電壓Uk和Uf同時取消時還快些。

無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象是自動控制系統(tǒng)對交流伺服電動機的基本要求之一。即當(dāng)控制電壓一旦取消時(即Uk=0時)，伺服電動機應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，交流伺服電動機零信號時的機械特性必須處于第二和第四象限，如圖7-44所示，這就要求有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)子電阻，使臨界轉(zhuǎn)差率sm正

＞1。圖7-46轉(zhuǎn)速的控制圖7-47調(diào)節(jié)特性7.8移相方法和控制方式

1.利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90°的移相

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相位互差120°，直接取任意兩相線電壓使用，若加上系統(tǒng)中其它元件(如自整角機，伺服放大器等)的相位移，加到伺服電動機定子繞組上的兩個電壓能接近90°的相位差。

3.采用移相網(wǎng)絡(luò)圖7–50相電壓和線電壓的相移

圖7-51三相電源變換成兩相電源(a)利用三相變壓器；(b)利用帶中間抽頭的電抗線圈圖7-52采用電子移相網(wǎng)絡(luò)的伺服系統(tǒng)

以上三種移相方法是直接將電源移相或通過移相網(wǎng)絡(luò)使勵磁電壓和控制電壓之間有一固定的90°相移，這些移相方法通稱為電源移相。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保持為90°。這種控制方式常稱為幅值控制。

圖7-53電容伺服電動機控制線路圖

4.在勵磁相中串聯(lián)電容器在交流伺服電動機的勵磁相電路中串聯(lián)(或串、并聯(lián))上一定的電容C（移相電容），在放大器之前就不需要再引入電子移相網(wǎng)絡(luò)了，其控制線路如圖7-53所示。圖7-56用示波器選擇電容

圖7-57串并聯(lián)電容移相

7.9電容伺服電動機的特性

7.9.2機械特性和調(diào)節(jié)特性電容伺服電動機的勵磁繞組是通過串聯(lián)電容接在恒定的交流電源上。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，磁場從圓形磁場改變?yōu)闄E圓磁場；轉(zhuǎn)速不同，磁場橢圓度就不同；轉(zhuǎn)速變化時勵磁電壓的值和相位都要隨著變化。

明顯看出，電容伺服電動機的特性比幅值控制時的特性非線性更為嚴重，由于勵磁繞組端電壓隨轉(zhuǎn)速增加而升高，磁場的橢圓度也隨著增大。由于反向旋轉(zhuǎn)磁場的阻轉(zhuǎn)矩作用在高速段要比低速段更為顯著，機械特性在低速段隨著轉(zhuǎn)速的增加轉(zhuǎn)矩下降得很慢；而在高速段，轉(zhuǎn)矩下降得很快，從而使機械特性在低速段出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象(即機械特性負的斜率值降低)。就會使電機在低速段的阻尼系數(shù)下降，因而影響電機運行的穩(wěn)定性。