1、第 7 章 交流伺服电动机(Chapter 7 AC servo motor)7.1 概 述 功率从几瓦到几十瓦的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。与直流伺服电动机一 样，交流伺服 电动机在自 动控制系统中也常被用来作为执行元件。如图 7 - 1 所示，伺服电动 机的轴上带有被控制的机械 负载。要求电信号 Uk一旦加到电动机的绕组上时，伺服电动机就要立刻带动负载以一定的转速转动；而当 Uk为 0 时，电动机应 立刻停止不动。 Uk大，电动 机就转得快；U k小，电动机就转得慢；当 Uk反相时，电动 机要随之反转。所以，伺服电动机是将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件
2、。1交流伺服 电动机； 2减速齿轮；3 机械负载轴图 7 - 1 交流伺服电动机的功用由于交流伺服电动机在控制系统中主要作为执行元件，自动控制系统对它提出的要求主要有下列几点：(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具有线性关系，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，也就是要求伺服电动机无“自转”现象；(4)控制功率要小，起动转矩应大；(5)机电时间常数要小，始动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。7.2 交流伺服电动机结构特点和工作原理7.2.1 结构特点图 7 - 3 鼠笼形转子交流伺服 电动机 图 7 - 2
3、 两相绕组分布图图 7 - 4 转子冲片 图 7 - 5 鼠笼式电机(squirrel-cage motor)（sheet of silicon steel） 转子绕组1杯形转子； 2外定子； 3内定子； 4机壳； 5端盖图 7 - 6 杯形转子伺服电动机7.2.2 工作原理图 7 - 9 伺服电动机工作原理图 7 - 10 鼠笼转子的转向7.3 两相绕组的圆形旋转磁场图 7 - 8 电气原理图 mkffkIIti)90sin(图 7 - 11 两相对称电流 两相对称绕组中流过两相对称电流图 7 11 两相对称的脉振磁场图 7 - 12 两相绕组产生的圆形旋转磁场(a) t=t1; (b) t
4、=t2; (c) t=t3; (d) t=t4t=t1 时 Bf =0 B= Bk =Bmt=t2 时 Bk =0 B= Bf =Bmt=t3 时 Bf =0 B= Bk =Bmt=t3 时 Bk =0 B= Bf =Bmtmsin)90(ffBmk = Bmf =Bm mfkmfk BttB 222 )sin(sin 综上所述，可以这样认为：在两相系统里，如果有两个脉振磁通密度，它 们的轴线在空间相夹 90电角度，脉振的时间相位差为 90，其脉振的幅 值又相等，那末这样两个脉振磁场的合成必然是一个圆形旋转磁场。两相绕组匝数不等，设匝数比为kfW只要两个脉振磁场的磁势幅值相等，即 Ffm=Fk
5、m，它们所产生的两个磁通密度的脉振幅值就相等，因而 这两个脉振磁场合成的磁场也必然是圆形旋转磁场。由于磁势幅值 ffmIkkWF那么 kfI即 WIkff7.3.2 旋转磁场的转向kIfIkI7.3.3 旋转磁场的转速定子绕组决定定子产生的磁极对数。SA 1 A 2X 1 X 2NNSA 1A 2X 1X 2N SS图 7 18 4 极电机的绕组 图 7 - 19 四极电机的旋转磁场(a) t=t1; (b) t=t2; (c) t=t3; (d) t=t4（1）定子绕组产生的磁极数量稳定；（2）磁通密度幅值出现位置改变，但幅值大小不变；（3）相同时间段内，电流相位 改变量（ ，f 为定子绕组
6、通入交流电的t2频率，即 电源频率）等于磁 场转过的电角度。可 见， 单位时间内磁场转过的电角度数和定子电源的频率成正比。（4）根据电角度和电机的磁极对数成反比，所以单位时间内磁场转过的机械角度数和电机的磁极对数就成正比。7.3.4 小结下面把这一节中关于旋转磁场的主要内容作简单小结：(1)单相绕组通入 单相交流电后，所产生的是一个脉振磁场。 (2)圆形旋转磁 场的特点是：它的磁通密度在空间按正弦规律分布，其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转。 (3)两相对称绕组 通入两相对称电流就能产生圆形旋转磁场；或者说，空间上相夹 90电角度，时间上彼此有 90相位差，幅 值又相等的两个脉振磁场必然形成圆
7、形旋转磁场。 (4)旋转磁场的 转向是从超前相的绕组轴线(此绕组中流有相位上超前的电流)转到落后相的绕组轴线。把两相 绕组中任意一相绕组上所加的电压反相(即相位改变 180)，就可以改变旋转 磁场的转向。 (5)旋转磁场的转速称为同步速，只与电机极数和电源频率有关，其关系为 min)/(60)/(rpfsrfns7.6 椭圆形旋转磁场及其分析方法 以上分析了交流伺服电动机在圆形旋转磁场作用下的运行情况，这时电机处于对称状态，加在定子两相 绕组上的电压都是额定值。但这只是交流伺服电动机运行中的一种特殊状态，交流伺服电动机在系统中工作时，为了对它的转速进行控制，加在控制绕组上的控制电压是在变化的，
8、 经 常不等于其额定值， 电机也经常处于不对称状态。下面就来分析电机处于这种不对称状态下的磁场及其特性。 7.6.1 椭圆形旋转磁场的形成由于交流伺服电动机在运行过程中控制电压经常在变化，因此两相绕组所产生的磁势幅值一般是不相等的，即 IkWkIfWf，这样代表两个脉振磁场的磁通密度向量幅值就不相等，即 Bkm Bfm ，而且通入两个绕组中的电流在时间上相位差也不总是 90，这时在电机中产生的是怎样的磁场呢? 首先分析通入绕组中的两相电流相位差为 90，两个绕组所产生的磁势幅值不等时的情形。 fmkB图 7 - 31 椭圆磁场时磁通密度向量长度的变化 图 7 - 32 椭圆磁场的形成(a) t
9、=t0，t3, t6; (b) t=t1, t4； (c) t=t2, t5图 7 33 椭圆磁场 的值决定了磁 场椭圆的程度，图 7-34 就是 不同值时得到的不同椭圆。由图可见，随着 值的减小，磁场的椭圆度增大，当 =1，图形是个圆，这时两个绕组所产生的磁通密度向量幅值相等，产生圆形旋转磁场；当 =0，图形是条线，这时控制绕组中的电流为 0，电机是单相运行，只有励磁绕组产生磁场， 这个磁场是单相脉振磁场，是椭圆磁 场的一种极限情况。 图 7 - 34 不同 值时的椭圆 7.6.2 椭圆形旋转磁场（ellipse rotary field）的分析方法分解法所谓脉振磁场就是椭圆形磁场的椭圆度大
10、到极端的情况。一个脉振磁场，可以分解成两个幅值相等、转速相同、 转向相反的圆形旋转磁场。 现用图 7 - 37 和图 7 - 38 来说明。 图 7 - 37 是表示 5 个不同时间励磁绕组所产生的脉振磁场， 它们分别可用 5 个 Bf磁通密度向量来表示，这些向量位置都位于绕组 l1-l2的轴线上。图 7 - 37 单相脉振磁场 脉振磁场的幅值是两个圆形旋转磁场幅值的 2 倍图 7 - 38 脉振磁场的分解 控制绕组的脉振磁场： tBtBfmkmsinsin将励磁磁场 Bf进行如下的分解：)90sin(tBfmf)90sin()1(tBfm21ff上式的意思就是磁通密度向量 Bf可看作由 )s
11、i(1tfmf和 90in)(2 tff 而 和 Bf1是两个对称的脉振磁 场，合成一个圆形旋转磁场。B f2为一脉振k磁场。于是一个椭圆磁场就可看作为一个圆形磁场和一个脉振磁场的合成，圆形磁场的幅值为 fmB圆脉振磁场的幅值为 fm)1(脉如图 7 - 39(a)所示。再根据前面的分析，脉振磁场 Bf2 又可分解为两个转向相反、幅值都等于脉振磁通密度最大值一半的圆形磁场，因此原来的椭圆磁场就可用两个正向圆形磁场和一个反向圆形磁场来等效，如图 7 - 39(b)所示。两个正向圆形磁场由于转速相同，而且磁场的轴线一致，所以可合成一个圆磁 场，与原来的磁 场同方向旋转。它的幅值用 B 正表示，即
12、fmfB21反正图 7 - 39 椭圆磁场的分解 通过上面分析，可得出如下结论：交流伺服电动机在通常运行情况下，定子绕组产生的是一个椭圆形旋转磁场，椭圆 形磁场可用两个转 速相同、 转向相反的圆形旋 转磁场来代替，其中一个的转向与原来的椭圆磁场转向相同，称为正向圆形旋转磁场，另一个则相反，称为反向圆形旋转磁场。磁场 的椭圆度越小(即 越接近 1)，反向旋转磁场就越小，而正向旋转磁场就越大；反之，磁场椭圆度越大(即 接近 0)，则反向旋转磁场就越大，正向旋转磁场就越小，但不管 多大，反向旋转磁场幅值总是小于正向旋转磁场幅值，只有当控制绕组 中的电流为 0，即 =0，成为脉振磁场时，正、反向旋转磁
13、场幅值才相等。7.7 幅值控制时的特性 7.7.1 有效信号系数 e采用幅值控制的交流伺服电动机在系统中工作时，励磁绕组通常是接在恒值的交流电源上，其值等于额定励磁电压，励磁 电压 与控制电压 之间固定fUk地保持 90的相位差，而控制电压 的值却经常地在变化。用有效信号系数相对kU值表示其大小 kne式中，U k为实际 控制电压；U kn为额定控制电压，当控制电压 Uk在 0Ukn 变化时，有效信号系数 e在 01 变 化。 有效信号系数 e不但可以表示控制电压的值，而且也可表示电机不对称运行的程度。如当 e =1，Uk = Ukn时，气隙中合成磁 场 是一个圆形旋转磁场， 电机处于对称运行
14、状态；当 e=0，Uk =0 时，对应的是一个脉振磁场，电机不对称程度最大； e越接近 0，磁场的椭圆度就越大，不对称程度也就越大。从这个意义上看，有效信号系数 e与前面提到的 =Bkm/Bfm的含义是一 样的，同时也可以很方便地证明 与 e间 的关系。 证明过程： ffffnkkk XIjREUI由于定子绕组的电阻和电抗压降相对电势来说很小，所以 fmkfkfmkfkfn BW1其中， kfW当 ，电机内产生的是圆形旋转磁场，所以， ，绕组的电nkU fmk压比等于匝数比。所以kfknfknfUfmknfkBU1fmknBU即 e由此可明显地看出，改变控制电压，即改 变 e的大小，也就改变了
15、电机不对称程度，所以两相交流伺服电动机是靠改变电机运行的不对称程度来达到控制的目的。7.7.2 不同有效信号系数时的机械特性如果转子转速为 n，转子相对于正向旋转的 N - S 磁铁的转差率为sn正当 0s 正 时，N - S 磁极所产生的转矩 T 和转子 转速方向一致 ，驱使转子转动。但反向旋转的磁极 N- S转向与转子转向相反，对应的转差率为 正反 snnsss 2)(2当 0s 正 时， 1s 反 2。 根据对伺服电动机工作原理的分析，旋转磁场与转子感应电流相互作用所产生的电磁转矩，它的方向 总是与旋转磁场的转向相同，也就是说， 电磁转矩总要力图使转子顺着旋转磁场的转向旋转。由于反向旋转
16、磁场与转子转向相反，因此反向旋转磁场所产生的转矩与转子转向也相反，是阻止转子转动的。 负正 T图 7 41 机械特性曲线 图 7 - 42 机械特性曲线族7.7.3 零信号时的机械特性和无“自转”现象对于伺服电动机，还有一条很重要的机械特性，这就是零信号时的机械特性，所谓零信号，就是控制电压 Uk = 0，或 e = 0。 当 e = 0 时，磁场是脉振磁场，它可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，其作用可以想象为有两对相同大小的磁铁 N-S 和 N - S在空间以相反方向旋转，如图 7 - 43 所示。图 7 - 43 脉振磁场的作用 图 7 - 44 零信号时的机械特性 图 7
17、- 45 自转现象与转子电阻值 的关系(1)除了由于转子电阻不够大而引起的自转以外，还存在一种工艺性的自转。这种自转是由于定子绕组有匝间短路， 铁心有片间短路，或者各向磁导不均等工艺上的原因所引起的。因此当取消电信号时，本 应是脉振磁场，但 这时却成了微弱的椭圆磁场。在椭圆磁场 作用下， 转子也会自转起来。工艺性自转多半发生在功率极小( 十分之几瓦至数瓦)的伺服电动机中，由于电机的转子惯性极小，在很小的椭圆形旋转磁场作用下就能转动。7.7.4 转速的控制与调节特性现在来分析电机的转速是怎样随控制电压的变化而变的。图 7 - 46 为伺服电动机的机械特性。设电机的 负载阻转矩为 TL(包括电 机
18、本身的阻转矩)，有效信号系数 e=0.25 时电机在特性点 a 运行，转速为 na，这时电 机产生的转矩与负载阻转矩相平衡。当控制电压升高，有效信号系数 e从 0.25 变到 0.5 时，电机产生的转矩就随之增加；由于电机的转子及其负载存在着惯性，转速不能瞬时改变， 因此电机就要瞬时地在特性点 c 运行，这时电机产生的 转矩大于负载阻转矩，电机就加速，一直增加到 nb，电机就在 b 点运行。 这时电 机的转矩又等于负载的阻转矩，转矩又达到平衡，转速不再改变。所以当有效信号系数 e从 0.25 增加到 0.5时，电机转速从 na升高到 nb，实现了转速的控制。 图 7 46 转速的控制 图 7
19、- 47 调节特性 7.8 移相方法和控制方式1. 利用三相电源的相电压和线电压构成 90的移相三相电源如有中点，可取一相电压如 (或经过单相变压器变压)加到控制AU绕组上，另外两相的线电压 如 (也可经过单相变压器变压)供给励磁绕组，从CB图 7- 50 的相量 图可知，因 ，所以 和 两个电压的相位差为 90。 CB图 7 50 相电压和线电压的相移图 7 - 51 三相电源变换成两相电源(a) 利用三相 变压器； (b) 利用带中间抽头的电抗线圈2. 利用三相电源的任意两相线电压三相电源三个线电压的相位互差 120，有 时为了方便，直接取任意两相线电压使用，若加上系统中其它元件(如自整角
20、机，伺服放大器等)的相位移，这时加到伺服电动机定子绕组上的两个电压能接近 90的相位差。 3. 采用移相网络图 7 - 52 采用电子移相网络的伺服系统在系统的控制线路中，为了使伺服电动机的控制电压与励磁电压成 90的相移，往往采用移相网络，如图 7 - 52 所示。这时 把线路上恒定的单相交流电源作 为基准电压供给系统中的各个元件(如图中的自整角机及交流伺服电动机)， U由敏感元件(如自整角变压器)输出的偏差信号经过电子移相网络再输入到交流放大器中去，这样通过移相网络移相，再加上敏感元件和放大器的相移，在交流放大器输出端就能得到与系统基准电压 成 90相移的控制电压 。U kU以上几种移相方法是直接将电源移相或通过移相网络使励磁电压和控制电压之间有一固定的 90相移，这些移相方法通称为电源移相。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 90。这种控制方式常称为幅值控制。 图 7 - 53 电容伺服电动机控制线路图
