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1、控制电机,中国矿大信电学院,第 4 章 交流伺服电动机,4.1 交流伺服电动机的概述,4.2 交流伺服电动机的工作原理和结构,第4章 交流伺服电动机,4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析,4.4 椭圆磁场下电动机运行的理论分析,4.5 交流伺服电动机幅值控制时的特性,4.6 移相方法和控制方式,4.7 电容伺服电动机的特性,4.8 交流伺服电动机的应用,4.9 交流伺服电动机的主要性能指标,4.10 交流伺服电动机的主要技术数据,掌握交流伺服电动机的工作原理和结构,第4章 交流伺服电动机,掌握 圆形磁场下电动机运行的理论分析,掌握椭圆磁场下电动机运行的理论分析,掌握交流伺服电动机幅值控制时的
2、特性,掌握移相方法和控制方式,掌握电容伺服电动机的特性,掌握交流伺服电动机的应用,交流伺服电动机的主要性能指标和主要技术数据,本章要求：,4.1 交流伺服电动机的概述,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。它在自动控制系统中，是将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。,自动控制系统对交流伺服电动机的要求主要有以下几点：,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接近线性关系，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，即电动机无“自转”现象；,4、控制功率要小，启动力矩应大；,5、机电时间常数要小，启动电压要低。
3、当控制信号变化时，反应应快速灵敏。,4.2 交流伺服电动机的工作原理和结构,一、交流伺服电动机的结构,交流伺服电动机的结构主要分为定子和转子两大部分。定子铁心上装有两个绕组，一个作励磁用，称为励磁绕组j1j2；另一个称为控制绕组k1k2；两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔90。,因此，交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。,交流伺服电动机,定子铁心和下好线的定子,转子结构常用的有鼠笼形转子和非磁性杯形转子。,杯形转子通常是由铝合金制成的空心薄壁圆筒。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠笼转子一样。,各种交流伺服电动
4、机图片,二、工作原理,定子两相空间互差90电角度绕组中，通入时间上互差90的电流，产生一旋转磁场。转子导体切割该磁场，从而感应电势，该电势在短路的转子导体中产生电流。,转子载流导体在旋转磁场中受力，从而使得转子沿旋转磁场转向旋转。,动画,4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析,一、转子不转时,1、电磁关系,与变压器类似,定子加对称U,i0,漏磁通,主磁通,ej,ek,eR,4.3 圆形磁场下电动机运行的理论分析,2、感应电势,激磁绕组：,控制绕组：,转子绕组：,2、电压平衡方程式,二、转子旋转时,1、感应电势,定子侧激磁绕组、控制绕组感应电势与转子不转时相同。,转子绕组：,转子 频率：,2、电
5、压平衡方程式,三、圆形旋转磁场时 定子绕组电压关系,1、Wj=Wk 时（此时定子为两相对称绕组）,而,此时,为了得到圆形旋转磁场，要求两相绕组电压值相等，相位互差900 。,2、Wj /Wk =k 时,此时,绕组电压大小与绕组匝数成正比。,两相绕组产生圆形旋转磁场时，加在定子上的电压分别定义为额定激磁电压 jn和额定控制电压kn ，并称两相交流伺服电动机处于对称状态。,Wj=Wk 时，,Wj /Wk =k 时，,Ujn =Ukn,四、转矩及机械特性,1、电磁转矩的物理表达式,2、电磁转矩的参数表达式,其中ZR为转子导条根数， WR为转子绕组有效匝数（笼形电机WR =1/2）， s为同步角速度（
6、 s =2n s /60= 2 f /p）,3、机械特性,理想空载： n=ns ，s=0，T=0,最大转矩： n=n1 ，s= sm ，T=T max,堵转点（启动点）：,n=0 ，s = 1 ，T=T d,机械特性仿真,不同转子电阻特性,为使交流伺服电动机转速从0ns整个运行范围内都保证其工作的稳定性，其机械特性在整个范围内都是下垂的，要具有这样的下垂特性，交流伺服电动机要有足够大的转子电阻，使sm1。,具有大的转子电阻和下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点。,为了表示伺服电动机的运行稳定性，通常引入阻尼系数的概念。这种特性用阻尼系数D来度量。,T,阻尼系数D值越大，转矩变化对转速的影响
7、很小，电机运行稳定，反之，电机运行的稳定性很差。,在一定转速范围内，若机械特性近似看为直线，则在该范围内阻尼系数为,T1、 T2 、n1 、 n2分别为该范围内机械特性上相应的转矩、转速值。,4.4 椭圆磁场下电动机运行的理论分析,一、椭圆形磁场的形成,当激磁绕组与控制绕组所产生的磁势幅值不相等，即 =Bkm /Bjm （ 0 1）；两绕组电流相位差为（0 90o），这时产生的磁场为椭圆形磁场。,当 = 1， = 90o ，电机产生圆形磁场；,当0 1 ， 0 1，电机不会产生自转现象，当控制电压取消，电机变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，使电机停转。,为了消除自转现象，交流伺服电动机单
8、相供电时的机械特性必须如图（c）所示，显然这也就要求有相当大的转子电阻。,2、椭圆磁场时的机械特性,左图为椭圆磁场的机械特性，反向旋转磁场的存在，产生了附加的制动转矩T反，使电机输出转矩减少，且在T=0的理想空载情况下，转子转速已不能达到同步速ns，只能达到小于ns的n0 。,4.5 交流伺服电动机幅值控制时的特性,一、有效信号系数e （ = 90o ）,（0 e 1， 0 U k Ukn ）,U k 为控制绕组所加电压， U kn为额定控制电压,e 不仅可以表示控制电压的值，而且也可以表示电机的不对称运行程度。,当e =1 ，U k =Ukn时，气隙中合成磁场是一个圆形旋转磁场电机运行在对称
9、状态。,当e =0 ，U k =0时，气隙中是一个脉振磁场电机运行在不对称度最大状态。,可以方便的证明： e 。改变控制电压，即改变e的大小，也改变了电机的不对称度，所以两相交流伺服电动机是靠改变电机的不对称度来达到控制目的。,二、不同有效信号系数时电机的机械特性,三、转速的控制与调节特性,为清楚表示转速随控制电信号变化的关系，常用调节特性曲线来表示。,四、堵转特性,堵转特性是指伺服电动机堵转转矩与控制电压的关系曲线，即Td =f (e )曲线。不同有效信号系数e 时的堵转转矩就是各条机械特性曲线与横坐标的交点。,五、机械特性的实用表达式,其中：,4.6 移相方法和控制方式,为了在电机内形成一
10、个圆形磁场，要求激磁电压Uj 和控制电压Uk 之间应有90o 的相位差。但是，在实际工作中经常是单相或三相电源，极少有相移90o的两相电源，这就需要想法使现有的电源改变成具有相移的两相电源，以满足交流伺服电动机的需要。,1. 利用三相电源的相电压和线电压构成90的移相,三相电源如果有中点，可取一相电压如加到控制绕组上，另外两相的线电压供给励磁绕组，这两个绕组的电压相位差为90。,三相电源如无中点，可以接上一个三相变压器，利用三相变压器副边上的相电压和线电压形成具有90相移的两相电压。,当三相电源没有中点时，可以采用一个具有中点抽头的带铁心的电抗线圈造成人工中点，把电抗线圈两端接在三相电源的B，
11、C两头上，设它的中间抽头为D点，那么BC与DA两相电压的相位差正好是90相移。,3. 采用移相网络,在系统控制线路中，常采用移相网络来使得伺服电动机的控制电压与励磁电压成90的相移。,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位差120,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的相位移,这时加在电动机定子绕组上的两个电压接近90的相位差。,以上几种移相方法是直接将电源移相或通过移相网络使激磁电压和控制电压之间有一固定的相移，这些移相方法称为电源移相。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不变。这种
12、控制方式常称为幅值控制。,交流伺服电动机属于电感性负载,励磁电流 İj 和控制电流İk 分别落后励磁电压j和控制电压 k一个阻抗角j 和k 。,在励磁回路中加一个电容C ，使得励磁回路呈容性，使励磁电流İj和励磁电压j 领先于电源电压。选择合适的电容C ，可以使励磁和控制电压的相位差成90 。,4. 在励磁相中串联电容器,激磁相电路中串联的电容C移相，这种方法很容易简单，在自控制系统中得到非常广泛的运用。,采用激磁相串联电容器移相的交流伺服电动机通常简称为电容伺服电动机，这种移相方法简称为电容移相。,在进行移相时，还可以采用电阻和电容串联的方法来实现。,系统对电容伺服电动机控制时，不但控制电压
13、值在变化，控制电压和励磁电压之间的相位也在变化，这种控制方式称为幅相控制。,4.7 电容伺服电动机的特性,一、励磁电压j 随转速的变化情况,1、通常要求电机在启动时产生圆形磁场，以适应启动时快速灵敏的要求。它的电容值通常是根据转速n=0 时的参数来确定的。 2、当电动机运行时，磁场将从圆形磁场变成椭圆形磁场，电机转速不同，磁场的椭圆度也不同。转速变化时，激磁电压j 的值和相位都要随着变化。,二、机械特性和调节特性,电容伺服电动机励磁绕组两端的电压随转速升高而增大，其磁场椭圆度也在发生很大的变化，它的特性与幅值控制时的特性有很大差别。,幅值控制电机机械特性,电容电机机械特性,Uk,Uk,对两者的
14、机械特性进行比较可知，电容伺服电动机的特性非线性比较严重。其在低速段出现鼓包现象，会影响电机运行的稳定性。,幅值控制调节特性,电容伺服电动机调节特性,4.8 交流伺服电动机的主要性能指标,一、空载始动电压,在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压Us0。 Us0 越小，表示伺服电动机的灵敏度越高。,二、机械特性非线性度Km,在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械特性在转矩T = Td /2时的转速 偏差n与空载转速n0之比的百分数。,三、调节特性非线性度Kv,在额定励磁电压和空载的情况下，当e=0.7 时，实际调节特性与线性调节特性的转
15、速偏差与e=1 时的空载转速之间的百分比。,实际调节特性,线性调节特性,四、 堵转特性非线性度Kd,在额定励磁电压下，实际堵转 特性与线性堵转特性的最大偏差与e=1 是的堵转转矩之间的百分比。,实际堵转特性,线性堵转特性,Tdn,e,1.0,0,Td0,Td,当转子电阻相当大时，把e = 1时的机械特性近似用一条直线来代替，这条线性机械特性相对应的机电时间常数为：,转子转动惯量,堵转转矩,当电机工作于非对称状态时，随着e 的减小，相应的时间常数会变大。,五、 机电时间常数j,空载角速度,Td0,理论空载转速为：,堵转转矩为：,时间常数与有效信号之间的关系为：,在交流伺服电动机工作时，要尽量减小时间常数，从公式中可以看出要减小转动惯量和提高堵转转矩，就要把转子做得细而长，往往选择移相电容值来提高堵转转矩。,
