交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用課件

1、4.1 交流伺服電動(dòng)機(jī)的概述4.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)第4章 交流伺服電動(dòng)機(jī)4.3 圓形磁場(chǎng)下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論分析4.4 橢圓磁場(chǎng)下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論分析4.5 交流伺服電動(dòng)機(jī)幅值控制時(shí)的特性4.6 移相方法和控制方式4.7 電容伺服電動(dòng)機(jī)的特性4.8 交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用4.9 交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)4.10 交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)掌握交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)第4章 交流伺服電動(dòng)機(jī)掌握 圓形磁場(chǎng)下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論分析掌握橢圓磁場(chǎng)下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論分析掌握交流伺服電動(dòng)機(jī)幅值控制時(shí)的特性掌握移相方法和控制方式掌握電容伺服電動(dòng)機(jī)的特性掌握交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用交流伺服電動(dòng)

2、機(jī)的主要性能指標(biāo)和主要技術(shù)數(shù)據(jù)本章要求：4.1 交流伺服電動(dòng)機(jī)的概述 交流伺服電動(dòng)機(jī)在小功率隨動(dòng)系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用。它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，是將控制電信號(hào)快速地轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)執(zhí)行元件。 自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的要求主要有以下幾點(diǎn)： 1、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向應(yīng)方便地受控制信號(hào)的控制，調(diào)速范圍要大； 2、整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的特性應(yīng)接近線性關(guān)系，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性； 3、當(dāng)控制信號(hào)消除時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)，即電動(dòng)機(jī)無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象； 4、控制功率要小，啟動(dòng)力矩應(yīng)大； 5、機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，啟動(dòng)電壓要低。當(dāng)控制信號(hào)變化時(shí)，反應(yīng)應(yīng)快速靈敏。4.2 交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)一、交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

3、交流伺服電動(dòng)機(jī)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(gè)繞組，一個(gè)作勵(lì)磁用，稱為勵(lì)磁繞組j1j2；另一個(gè)稱為控制繞組k1k2；兩個(gè)繞組的軸線互相垂直，在空間上相隔90。 UkUjj1j2k1k2 因此，交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)定子鐵心和下好線的定子UkUjj1j2k1k2 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。 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(shí)，杯形轉(zhuǎn)子可視作由無(wú)數(shù)并聯(lián)的導(dǎo)體條組成，和鼠籠轉(zhuǎn)子一樣。杯形轉(zhuǎn)子圖各種交流伺服電動(dòng)機(jī)圖片二、工作原理UkUjj1j2k1k2 定

4、子兩相空間互差90電角度繞組中，通入時(shí)間上互差90的電流，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割該磁場(chǎng)，從而感應(yīng)電勢(shì)，該電勢(shì)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(chǎng)中受力，從而使得轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。NSn1FF動(dòng)畫4.3 圓形磁場(chǎng)下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論分析一、轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)UkUjj1j2k1k21、電磁關(guān)系與變壓器類似定子加對(duì)稱Ui0漏磁通主磁通FmmejekeR2eRi0Rejek14.3 圓形磁場(chǎng)下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論分析2、感應(yīng)電勢(shì)激磁繞組：控制繞組：轉(zhuǎn)子繞組：2、電壓平衡方程式UkUjj1j2k1k2二、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)1、感應(yīng)電勢(shì) 定子側(cè)激磁繞組、控制繞組感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)相同。轉(zhuǎn)子繞組：

5、rRjxRs+-f2 轉(zhuǎn)子 頻率：2、電壓平衡方程式rRjxRs+-f2三、圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí) 定子繞組電壓關(guān)系1、Wj=Wk 時(shí)（此時(shí)定子為兩相對(duì)稱繞組）當(dāng)時(shí)又而此時(shí)為了得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要求兩相繞組電壓值相等，相位互差900 。UkUjj1j2k1k22、Wj /Wk =k 時(shí)此時(shí)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(chǎng)時(shí)，加在定子上的電壓分別定義為額定激磁電壓 jn和額定控制電壓kn ，并稱兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)處于對(duì)稱狀態(tài)。Wj=Wk 時(shí)，Wj /Wk =k 時(shí)，Ujn =UknUkUjj1j2k1k2四、轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性1、電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式2、電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式 其中ZR為

6、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(jī)WR =1/2）， s為同步角速度（ s =2n s /60= 2 f /p）3、機(jī)械特性oTTmaxTdnns理想空載： n=ns ，s=0，T=0 最大轉(zhuǎn)矩： n=n1 ，s= sm ，T=T max堵轉(zhuǎn)點(diǎn)（啟動(dòng)點(diǎn)）：n=0 ，s = 1 ，T=T d機(jī)械特性仿真不同轉(zhuǎn)子電阻特性 為使交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?ns整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都保證其工作的穩(wěn)定性，其機(jī)械特性在整個(gè)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(dòng)機(jī)要有足夠大的轉(zhuǎn)子電阻，使sm1。具有大的轉(zhuǎn)子電阻和下垂的機(jī)械特性是交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)。 為了表示伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，通常

7、引入阻尼系數(shù)的概念。這種特性用阻尼系數(shù)D來(lái)度量?？蛰d轉(zhuǎn)速堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩ToTdnnsTL 阻尼系數(shù)D值越大，轉(zhuǎn)矩變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響很小，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，反之，電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性很差。 在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，若機(jī)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(jī)械特性上相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值。oTTdnnsn2n1T1T24.4 橢圓磁場(chǎng)下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論分析一、橢圓形磁場(chǎng)的形成 當(dāng)激磁繞組與控制繞組所產(chǎn)生的磁勢(shì)幅值不相等，即 =Bkm /Bjm （ 0 1）；兩繞組電流相位差為（0 90o），這時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為橢圓形磁場(chǎng)。當(dāng) = 1， = 90o ，電機(jī)產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)；當(dāng) =

8、0， = 0； = 0， = 90o ， = 1， = 0；電機(jī)產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)；當(dāng)0 1 ， 0 1，電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，當(dāng)控制電壓取消，電機(jī)變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行時(shí)，電機(jī)就立刻產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。r2a r2b r2casTcsTbsT1110202200202 為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，交流伺服電動(dòng)機(jī)單相供電時(shí)的機(jī)械特性必須如圖（c）所示，顯然這也就要求有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)子電阻。2、橢圓磁場(chǎng)時(shí)的機(jī)械特性 左圖為橢圓磁場(chǎng)的機(jī)械特性，反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的存在，產(chǎn)生了附加的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T反，使電機(jī)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(dá)到同步速ns，只能達(dá)到小于ns的n0 。T反T正nsTsn001n4.

9、5 交流伺服電動(dòng)機(jī)幅值控制時(shí)的特性一、有效信號(hào)系數(shù)e （ = 90o ） （0 e 1， 0 U k Ukn ）U k 為控制繞組所加電壓， U kn為額定控制電壓e 不僅可以表示控制電壓的值，而且也可以表示電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行程度。當(dāng)e =1 ，U k =Ukn時(shí)，氣隙中合成磁場(chǎng)是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電機(jī)運(yùn)行在對(duì)稱狀態(tài)。UkUjj1j2k1k2 當(dāng)e =0 ，U k =0時(shí)，氣隙中是一個(gè)脈振磁場(chǎng)電機(jī)運(yùn)行在不對(duì)稱度最大狀態(tài)。 可以方便的證明： e 。改變控制電壓，即改變e的大小，也改變了電機(jī)的不對(duì)稱度，所以兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)是靠改變電機(jī)的不對(duì)稱度來(lái)達(dá)到控制目的。UkUjj1j2k1k2二、不同有效信號(hào)

10、系數(shù)時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性nToe = 0.25e = 0.5e = 0.75e = 1UkUjj1j2k1k2三、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(hào)變化的關(guān)系，常用調(diào)節(jié)特性曲線來(lái)表示。nToe = 0.25e = 0.5e = 0.75e = 1TLABCDUkUjj1j2k1k2四、堵轉(zhuǎn)特性 堵轉(zhuǎn)特性是指伺服電動(dòng)機(jī)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(hào)系數(shù)e 時(shí)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩就是各條機(jī)械特性曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)。eTdoUkUjj1j2k1k2五、機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式其中：HTd0Td0 /2ns /2nnsT104.6 移相方法

11、和控制方式 為了在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)圓形磁場(chǎng)，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(shí)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(dòng)機(jī)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(diǎn)，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(lì)磁繞組，這兩個(gè)繞組的電壓相位差為90。ABCOUAUCB 三相電源如無(wú)中點(diǎn)，可以接上一個(gè)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。 當(dāng)三相電源沒有中點(diǎn)時(shí)，可以采用一個(gè)具有中點(diǎn)抽頭的帶鐵心的電抗線圈

12、造成人工中點(diǎn)，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(diǎn)，那么BC與DA兩相電壓的相位差正好是90相移。ABCADABCD3. 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(lái)使得伺服電動(dòng)機(jī)的控制電壓與勵(lì)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(gè)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(shí)加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的兩個(gè)電壓接近90的相位差。 以上幾種移相方法是直接將電源移相或通過(guò)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(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)只是通過(guò)改變控制電壓的值來(lái)

13、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。UkUjj1j2k1k2交流伺服電動(dòng)機(jī)屬于電感性負(fù)載,勵(lì)磁電流 ?j 和控制電流?k 分別落后勵(lì)磁電壓j和控制電壓 k一個(gè)阻抗角j 和k 。 在勵(lì)磁回路中加一個(gè)電容C ，使得勵(lì)磁回路呈容性，使勵(lì)磁電流?j和勵(lì)磁電壓j 領(lǐng)先于電源電壓。選擇合適的電容C ，可以使勵(lì)磁和控制電壓的相位差成90 。4. 在勵(lì)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(jiǎn)單，在自控制系統(tǒng)中得到非常廣泛的運(yùn)用。交流放大器敏感元件控制要求kjkjckjkjc 采用激磁相串聯(lián)電容器移相的交流伺服電動(dòng)機(jī)通常簡(jiǎn)稱為電容伺服電動(dòng)機(jī)，

14、這種移相方法簡(jiǎn)稱為電容移相。 在進(jìn)行移相時(shí)，還可以采用電阻和電容串聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。kjkjcRRcjj 系統(tǒng)對(duì)電容伺服電動(dòng)機(jī)控制時(shí)，不但控制電壓值在變化，控制電壓和勵(lì)磁電壓之間的相位也在變化，這種控制方式稱為幅相控制。4.7 電容伺服電動(dòng)機(jī)的特性一、勵(lì)磁電壓j 隨轉(zhuǎn)速的變化情況 1、通常要求電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)，以適應(yīng)啟動(dòng)時(shí)快速靈敏的要求。它的電容值通常是根據(jù)轉(zhuǎn)速n=0 時(shí)的參數(shù)來(lái)確定的。2、當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，磁場(chǎng)將從圓形磁場(chǎng)變成橢圓形磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，磁場(chǎng)的橢圓度也不同。轉(zhuǎn)速變化時(shí)，激磁電壓j 的值和相位都要隨著變化。nI UUjUcIj二、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性 電容伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組兩端

15、的電壓隨轉(zhuǎn)速升高而增大，其磁場(chǎng)橢圓度也在發(fā)生很大的變化，它的特性與幅值控制時(shí)的特性有很大差別。nTo31.25V62.5V93.75V 125VnTo31.25V62.5V93.75V 125V幅值控制電機(jī)機(jī)械特性電容電機(jī)機(jī)械特性UkUk 對(duì)兩者的機(jī)械特性進(jìn)行比較可知，電容伺服電動(dòng)機(jī)的特性非線性比較嚴(yán)重。其在低速段出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。幅值控制調(diào)節(jié)特性電容伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性0U k(V)TL=0TL1=50mN.mTL1=100mN.mn(r/min)TL=0TL1=50mN.mTL2=100mN.mU k(V)n(r/min)04.8 交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)一、空載始動(dòng)

16、電壓 在額定勵(lì)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(dòng)所需的最小控制電壓定義為空載始動(dòng)電壓Us0。 Us0 越小，表示伺服電動(dòng)機(jī)的靈敏度越高。二、機(jī)械特性非線性度Km 在額定勵(lì)磁電壓下，任意控制電壓時(shí)的實(shí)際機(jī)械特性在轉(zhuǎn)矩T = Td /2時(shí)的轉(zhuǎn)速 偏差n與空載轉(zhuǎn)速n0之比的百分?jǐn)?shù)。nTdTd / 2Tn0n0三、調(diào)節(jié)特性非線性度Kv 在額定勵(lì)磁電壓和空載的情況下，當(dāng)e=0.7 時(shí)，實(shí)際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉(zhuǎn)速偏差與e=1 時(shí)的空載轉(zhuǎn)速之間的百分比。實(shí)際調(diào)節(jié)特性線性調(diào)節(jié)特性ne0.71.00n0n四、 堵轉(zhuǎn)特性非線性度Kd 在額定勵(lì)磁電壓下，實(shí)際堵轉(zhuǎn) 特性與線性堵轉(zhuǎn)特性的最大偏差與

17、e=1 是的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之間的百分比。實(shí)際堵轉(zhuǎn)特性線性堵轉(zhuǎn)特性Tdne1.00Td0Td 當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻相當(dāng)大時(shí)，把e = 1時(shí)的機(jī)械特性近似用一條直線來(lái)代替，這條線性機(jī)械特性相對(duì)應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電機(jī)工作于非對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，隨著e 的減小，相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)會(huì)變大。五、 機(jī)電時(shí)間常數(shù)j空載角速度nToe = 0.25e = 0.5e = 0.75e = 1Td0理論空載轉(zhuǎn)速為：堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為：時(shí)間常數(shù)與有效信號(hào)之間的關(guān)系為： 在交流伺服電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，要盡量減小時(shí)間常數(shù)，從公式中可以看出要減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和提高堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，就要把轉(zhuǎn)子做得細(xì)而長(zhǎng)，往往選擇移相電容值來(lái)提高堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。4.9 交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)2、 頻率 控制電機(jī)常用的頻率分低頻和中頻兩大類，低頻 為50HZ（或60HZ）。中頻為400HZ（或500HZ）。在使用不同頻率