第二章交流伺服電動(dòng)機(jī)new

任課教師：李正強(qiáng)2011－2012學(xué)年第二學(xué)期第二章交流伺服電動(dòng)機(jī)（c）滾齒機(jī)（d）伺服壓力機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的部分應(yīng)用

（a）雷達(dá)、衛(wèi)星通信天線（b）機(jī)器人偵查相機(jī)2本章教學(xué):一、教學(xué)要求：掌握交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、分類和作用等概念理解兩相伺服電動(dòng)機(jī)工作原理（包括自轉(zhuǎn)現(xiàn)象原因及克服方法和措施等）了解兩相伺服電動(dòng)機(jī)控制方法理解兩相伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性了解兩相伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性了解微型同步電動(dòng)機(jī)工作原理3二、教學(xué)時(shí)間安排：3學(xué)時(shí)三、主要內(nèi)容：第一節(jié)

兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)第二節(jié)

微型同步電動(dòng)機(jī)本章重點(diǎn)：兩相伺服電動(dòng)機(jī)工作原理和靜態(tài)特性本章難點(diǎn)：兩相伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性本章教學(xué):4四、教學(xué)過(guò)程：本章教學(xué):第一節(jié)兩相異步交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)異步同步異步交流伺服電動(dòng)機(jī)兩相三相5

交流伺服電動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有換向器和電刷，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)容易、效率較高和價(jià)格便宜、以及不需整流電源設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，因此交流伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。傳統(tǒng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)通常是采用鼠籠轉(zhuǎn)子兩相伺服電動(dòng)機(jī)及空心杯轉(zhuǎn)子兩相伺服電動(dòng)機(jī)，所以常把交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為兩相異步伺服電動(dòng)機(jī)。6兩相伺服電動(dòng)機(jī)就是兩相異步電動(dòng)機(jī)，定子兩相繞組空間相差90度，轉(zhuǎn)子是鼠籠式轉(zhuǎn)子。圖3－1兩相伺服電動(dòng)機(jī)原理圖第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)7第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)1基本結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子定子鐵心兩相繞組鼠籠轉(zhuǎn)子（杯形轉(zhuǎn)子）繞線轉(zhuǎn)子8第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)1基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)類似，但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，做得細(xì)而長(zhǎng)。轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率的導(dǎo)電材料（如黃銅、青銅等）制造，也可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。其結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。9第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)1基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子（非磁性）這種電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式如右圖所示。定子分外定子鐵心和內(nèi)定子鐵心兩部分，由硅鋼片沖制后疊壓而成。外定子鐵芯槽中放置空間相距90°電角度的兩相分布繞組。內(nèi)定子鐵芯中不放繞組，僅作為磁路的一部分，以減小主磁通磁路的磁阻?？招谋无D(zhuǎn)子用非磁性鋁或鋁合金制成，放在內(nèi)、外定子鐵心之間，并固定在轉(zhuǎn)軸上。10第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)1基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子（鐵磁性）這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子采用鐵磁材料制成，轉(zhuǎn)子本身既是主磁通的磁路，又作為轉(zhuǎn)子繞組，因此不需要內(nèi)定子鐵芯。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種型式，如圖所示11第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)2

工作原理：12第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)2

工作原理：前提條件：有勵(lì)磁電壓。（1）無(wú)控制電壓→單相脈振磁場(chǎng)→電機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)（無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）（2）有控制電壓→建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)→電動(dòng)機(jī)有了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩→轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)→若轉(zhuǎn)子電阻滿足條件Sm+≥1,則控制信號(hào)消失后出現(xiàn)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩→轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)13單相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)2

工作原理：14第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)如果電機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動(dòng)機(jī)一樣，那么當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖會(huì)下降些，但仍會(huì)繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)在控制信號(hào)消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”。當(dāng)控制信號(hào)為零時(shí),轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也為零。只要轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向和電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反,從我們以前所學(xué)的知識(shí)可得:2

工作原理：(3)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：(4)如何克服?15增加轉(zhuǎn)子電阻，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。使Sm+≥1，使正向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)在控制電壓消失后的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)制動(dòng)到停止；若電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，則在控制電壓消失后的電磁轉(zhuǎn)矩為正值，也為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)2

工作原理：(4)如何克服?采用方法：電機(jī)制動(dòng)到停止，從而消除“自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”。處理思路：16第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)2

工作原理：173控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)改變控制電壓Uc的大小和相位就可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,控制方法有以下三種:

幅值控制

相位控制

幅－相控制183控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（1）幅值控制幅值控制通過(guò)改變控制電壓的大小來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)控制電壓與勵(lì)19勵(lì)磁電壓之間的相位差始終保持90°電角度。若控制繞組的額定電壓,那么控制信號(hào)的大小可表示Ｕc＝ＵcN,稱為有效信號(hào)系數(shù)，那么以Ｕcn為基值，控制電壓的標(biāo)么值為：3控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（1）幅值控制20

3控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（1）幅值控制當(dāng)＝1時(shí)，控制電壓與的幅值相等，相位相差90電角度，且兩繞組空間相差90電角度。此時(shí)所產(chǎn)生的氣隙磁通勢(shì)為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大；當(dāng)<１時(shí)，控制電壓小于勵(lì)磁電壓的幅值，所建立的氣隙磁場(chǎng)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減小。越小，氣隙磁場(chǎng)的橢圓度越大，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢；在＝０時(shí)，控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)為脈振磁場(chǎng)，電機(jī)不轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。213控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（1）幅值控制機(jī)械特性調(diào)節(jié)特性223控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（2）相位控制:

通過(guò)改變控制電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。控制繞組經(jīng)移相器后接到同一交流電壓上，與的頻率相同。而相位通過(guò)移相器可以改變，從而改變兩者之間的相位差

,Sin稱為相位控制的信號(hào)系數(shù)。233控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（2）相位控制:24當(dāng)有效信號(hào)系數(shù)＝１時(shí)，控制電壓與的幅值相等，相位相差90°電角度，且兩繞組空間相差90°電角度。此時(shí)所產(chǎn)生的氣隙磁勢(shì)為圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大；當(dāng)<１時(shí)，sinβ<１，所建立的氣隙磁場(chǎng)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減小。越小，氣隙磁場(chǎng)的橢圓度越大,，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢；在＝０時(shí)，控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)為脈振磁場(chǎng)，電機(jī)不轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。3控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（2）相位控制:253控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（3）幅－相控制26電容C的作用是將勵(lì)磁電壓和控制電壓分相，電壓分壓器的作用是改變控制電壓的幅值。當(dāng)控制電壓不同時(shí)，轉(zhuǎn)速不同，I’2也不同，定子電流,If隨轉(zhuǎn)速變化而變化，由：勵(lì)磁電壓幅值和相位也隨之變化。3控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（3）幅—相控制27當(dāng)＝１時(shí)，控制電壓與的幅值相等，相位相差90電角度，且兩繞組空間相差90電角度。此時(shí)所產(chǎn)生的氣隙磁通勢(shì)為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大；當(dāng)<１時(shí)，所建立的氣隙磁場(chǎng)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減小。越小，氣隙磁場(chǎng)的橢圓度越大，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢；在＝０時(shí)，控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)為脈振磁場(chǎng)，電機(jī)不轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。3控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（3）幅—相控制28幅－相控制線路簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的移相裝置，只需電容進(jìn)行分相，具有線路簡(jiǎn)單、成本低廉、輸出功率較大的優(yōu)點(diǎn)，因而成為使用最多的控制方式。3控制方法第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性（調(diào)節(jié)特性）線性度比較：相位控制最好，幅－相控制最差。（4）三種控制方式比較29第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)4動(dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù)為:為機(jī)電時(shí)間常數(shù)，機(jī)械特性曲線的斜率×轉(zhuǎn)動(dòng)慣量K－調(diào)節(jié)特性曲線的斜率盡管機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性具有明顯的非線性，但是根據(jù)小偏差線性化的概念在工作點(diǎn)附近按線性函數(shù)處理，得到的傳遞函數(shù)的形式是一樣的，只是K和τm隨工作點(diǎn)的不同而有一定的變化。30第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)4動(dòng)態(tài)特性機(jī)械特性31第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)4動(dòng)態(tài)特性控制特性325應(yīng)用實(shí)例第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)（1）位置控制系統(tǒng)33(2)檢測(cè)裝置5應(yīng)用實(shí)例第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)鋼板厚度測(cè)量裝置示意圖34(3)計(jì)算裝置倒數(shù)計(jì)算裝置5應(yīng)用實(shí)例第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)35(4)增量運(yùn)動(dòng)控制5應(yīng)用實(shí)例第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)床的數(shù)字控制系統(tǒng)36（1）矢量控制等現(xiàn)代控制方法解決了三相異步交流電動(dòng)機(jī)不易控制的問(wèn)題,交流伺服電動(dòng)機(jī)常采用三相異步交流伺服電動(dòng)機(jī)。第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)6總結(jié)、分析、展望（2）交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：良好的速度控制特性，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)。平滑控制，幾乎無(wú)振蕩。高效率，90%以上，不發(fā)熱。37（2）交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：高速控制。高精確位置控制（取決于何種編碼器）。第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)6總結(jié)、分析、展望額定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒力矩。低噪音。沒(méi)有電刷的磨損，免維護(hù)。不產(chǎn)生磨損顆粒、沒(méi)有火花，適用于無(wú)塵間、易暴環(huán)境。38控制較復(fù)雜。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。PID參數(shù)整定。需要更多的連線。慣量低。價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)性。（2）交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)6總結(jié)、分析、展望39（3）交流與直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較：第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)6總結(jié)、分析、展望一、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性

直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性關(guān)系，且在不同的控制電壓下，機(jī)械特性曲線相互平行，斜率不變。異步伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為非線性關(guān)系，且在不同的控制電壓下，理想線性機(jī)械特性也不是相互平行的。機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性都將直接影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，一般來(lái)說(shuō)特性的非線性度越大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度越低。此外，當(dāng)控制電壓不同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想線性機(jī)械特性的斜率變化也會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定和校正帶來(lái)麻煩。40（3）交流與直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較：第一節(jié)兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)6總結(jié)、分析、展望二、體積、重量和效率為了滿足控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的要求，轉(zhuǎn)子電阻就得相當(dāng)大，又電動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下，由于負(fù)序磁場(chǎng)的存在要產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電磁轉(zhuǎn)矩減小，并使電動(dòng)機(jī)的損耗增大。當(dāng)輸出功率相同時(shí)，異步伺服電動(dòng)機(jī)要比直流伺服電動(dòng)機(jī)的體積大、重量大、效率低。所以異步伺服電動(dòng)機(jī)只適用于小功率系統(tǒng)，對(duì)于功率較大的控制系統(tǒng)，則普遍采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。41第二節(jié)微型同步電動(dòng)機(jī)微型同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)：

與一般的同步電動(dòng)機(jī)相同，可以是三相的也可是單相。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同可分為：永磁式

反應(yīng)式

磁滯式經(jīng)常采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。42一永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)第二節(jié)微型同步電動(dòng)機(jī)43永磁式轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制作，與一般勵(lì)磁式同步電動(dòng)機(jī)原理相同；當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。一永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)第二節(jié)微型同步電動(dòng)機(jī)44轉(zhuǎn)矩的基波分量：式中，K—比例系數(shù)－功率角（失調(diào)角）

一永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)第二節(jié)微型同步電動(dòng)機(jī)45永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)采用異步起動(dòng)法：在起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子上的鼠籠起動(dòng)繞組在定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)起動(dòng)。一永磁式微型同步電動(dòng)機(jī)第二節(jié)微型同步電動(dòng)機(jī)46二反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)第二節(jié)微型同步電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用磁極材料和非磁極材料拼鑲而成，其直軸方向的磁阻小而交軸方向的磁阻大。當(dāng)反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)定子繞組接交流電源，由于直軸和交軸的磁阻不同，從而形成磁阻轉(zhuǎn)矩（也叫反應(yīng)轉(zhuǎn)矩），拖動(dòng)負(fù)載同步運(yùn)行。47反應(yīng)式轉(zhuǎn)子是利用直、交軸磁阻的不同形成磁阻轉(zhuǎn)矩，即附加電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)。反應(yīng)式轉(zhuǎn)矩是在同步轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)，需要起動(dòng)繞組，或者用鼠籠繞組、或者采用實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)矩的基波分量：二反應(yīng)式微型同步電動(dòng)機(jī)第二節(jié)微型同步電動(dòng)機(jī)48磁滯式轉(zhuǎn)子由硬磁材特性材料制作，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中被磁化，到達(dá)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子被磁化為永久磁鋼。異步運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，因此磁滯式電動(dòng)機(jī)無(wú)需起動(dòng)繞組；轉(zhuǎn)子磁滯材料層用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滯現(xiàn)象十分突出，具有較寬的磁滯回線，其剩磁和矯頑力都很大，第二節(jié)微型同步電動(dòng)機(jī)三磁滯式微型同步電動(dòng)機(jī)49既是當(dāng)外加的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁滯現(xiàn)象明顯的材料，會(huì)有一個(gè)時(shí)間上的