第04章-伺服電動(dòng)機(jī)

-1-第四章伺服電動(dòng)機(jī)控制電機(jī)第一節(jié)直流伺服電動(dòng)機(jī)第二節(jié)交流伺服電動(dòng)機(jī)第三節(jié)特種伺服電動(dòng)機(jī)*第四節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)的選用-2-

伺服電動(dòng)機(jī)的作用是把輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出的角位移或角速度。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)是以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的身份出現(xiàn)的，所以又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。

對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求是：

(1)調(diào)速范圍寬，即伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的改變能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

(2)可控性好，無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即無(wú)電壓控制信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)，控制信號(hào)一旦出現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)馬上轉(zhuǎn)動(dòng)，而控制信號(hào)一旦消失，電動(dòng)機(jī)立刻停轉(zhuǎn)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-3-(3)響應(yīng)迅速，即伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

(4)運(yùn)行穩(wěn)定，即伺服電動(dòng)機(jī)具有線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。此外，一些特殊領(lǐng)域如航空航天，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的重量和體積等也有一定的要求。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-4-

伺服電動(dòng)機(jī)可分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行特性好，控制靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)；而交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)電刷和換向器，不需要經(jīng)常維護(hù)，而且效率高，響應(yīng)快，速比大，非常引人注目，在許多領(lǐng)域有取代直流伺服電動(dòng)機(jī)之勢(shì)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-5--6-第一節(jié)直流伺服電動(dòng)機(jī)一、基本結(jié)構(gòu)第四章伺服電動(dòng)機(jī)-7-

直流伺服電動(dòng)機(jī)主要有兩種控制方式，一種是電樞控制，即通過(guò)改變電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制；另一種是磁場(chǎng)控制，即通過(guò)改變勵(lì)磁電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制（對(duì)電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)而言）。

電樞控制的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，空載損耗小，調(diào)速范圍廣，控制回路電感小，響應(yīng)迅速；而磁場(chǎng)控制雖然能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，一般只是配合電樞控制在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行小范圍的弱磁升速。另外，磁場(chǎng)控制有可能出現(xiàn)失磁而飛車的危險(xiǎn)，因而較少采用。

第四章伺服電動(dòng)機(jī)-8-二、運(yùn)行特性1.機(jī)械特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指在一定控制電壓Uc下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Te之間的關(guān)系曲線，即如果忽略電樞反應(yīng)的影響，主磁通保持不變，直流伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為（4-1）第四章伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)-9-

電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-2）電動(dòng)勢(shì)系數(shù)

電樞回路的電壓平衡方程為（4-3）電樞電阻-10-

由上面三個(gè)式子，可以得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-4）β為機(jī)械特性的斜率

-11-

相應(yīng)的特性曲線如圖4-2所示。可見(jiàn)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一直線，隨著控制電壓Uc的增加，機(jī)械特性向上平移，而直線斜率β保持不變。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-12-2.調(diào)節(jié)特性直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與控制電壓之間的關(guān)系曲線，即根據(jù)式（4-4），并利用的關(guān)系，可以直接得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性方程第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-5）-13-

相應(yīng)的調(diào)節(jié)特性曲線如圖4-3所示。可見(jiàn)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性也為一直線，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的增加，機(jī)械特性向右平移，而直線斜率α

保持不變。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-14-

從上面的分析中可以知道，電樞控制時(shí)直流伺服電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)主要運(yùn)行特性——

機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性都是線性的，這是一個(gè)很可貴的優(yōu)點(diǎn)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-15-三、低速運(yùn)行的不穩(wěn)定性分析從直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可知，只要控制電壓足夠大，電動(dòng)機(jī)就可以在很低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。但實(shí)際上，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低（每分鐘幾十轉(zhuǎn)以下）時(shí)，轉(zhuǎn)速將很不均勻，時(shí)快時(shí)慢，甚至停轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象稱之為直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行的不穩(wěn)定性，產(chǎn)生的原因主要是：

(1)低速時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小，由于電樞齒槽效應(yīng)等原因造成的電動(dòng)勢(shì)脈動(dòng)的影響將增大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)比較明顯。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-16-(2)低速時(shí)控制電壓值很小，電刷和換向器之間接觸電壓不穩(wěn)定性的影響將增大，導(dǎo)致電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

(3)低速時(shí)電刷和換向器之間的摩擦轉(zhuǎn)矩也是不穩(wěn)定的，造成總的阻轉(zhuǎn)矩的變化，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定。直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行的不穩(wěn)定性將在自動(dòng)控制系統(tǒng)中造成誤差，必須采取相應(yīng)的措施加以克服，如采用定子斜極或轉(zhuǎn)子斜槽的結(jié)構(gòu)，或者采用低速運(yùn)行性能較好的特種電機(jī)，如力矩電機(jī)、無(wú)槽電機(jī)等。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-17-第二節(jié)交流伺服電動(dòng)機(jī)一、交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)第四章伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組控制繞組-18-二、兩相交流繞組的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)異步伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)兩相的異步電動(dòng)機(jī)，要分析其運(yùn)行特性，首先應(yīng)當(dāng)搞清楚兩相交流繞組所產(chǎn)生磁場(chǎng)的基本特點(diǎn)。1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小為了分析方便起見(jiàn)，先假設(shè)勵(lì)磁繞組和控制繞組為對(duì)稱的兩相交流繞組，即它們的繞組匝數(shù)和繞組系數(shù)均相等，并且通入對(duì)稱的兩相交流電流第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-6）-19-

根據(jù)交流繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基本理論，單相交流繞組通以單相交流電流后，將產(chǎn)生沿繞組軸線方向的脈振磁動(dòng)勢(shì)。因此，勵(lì)磁繞組和控制繞組的基波脈振磁動(dòng)勢(shì)向量的長(zhǎng)度分別是第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-7）-20-

由于勵(lì)磁繞組和控制繞組的軸線在空間互差90o電角度，任何時(shí)刻基波合成磁動(dòng)勢(shì)向量的長(zhǎng)度都為（4-8）

上式表明，在對(duì)稱的兩相交流繞組中通入對(duì)稱的兩相交流電流后，兩相脈振磁動(dòng)勢(shì)的合成必然是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-21-若兩相繞組的匝數(shù)不等，設(shè)有效匝比為（4-10）第四章伺服電動(dòng)機(jī)根據(jù)式（4-8），產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的條件應(yīng)是由式（4-7）可得-22-

上式說(shuō)明，當(dāng)兩相繞組的有效串聯(lián)匝數(shù)不相等時(shí)，若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩相繞組電流的相位差應(yīng)為90o電角度，并且兩相電流的大小應(yīng)與有效串聯(lián)匝數(shù)成反比。這種兩相電流稱為兩相對(duì)稱交流電流。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-23-2.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向可以用圖4-5分四個(gè)時(shí)刻來(lái)說(shuō)明：第四章伺服電動(dòng)機(jī)-24-

由此可見(jiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是由電流超前的相繞組轉(zhuǎn)向電流滯后的相繞組，并且當(dāng)某相電流達(dá)到最大時(shí)，合成磁動(dòng)勢(shì)就位于該相繞組的軸線方向上。顯然，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電角速度就是所以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（單位r/min）為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-11）-25-

綜上所述，兩相交流繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基本特點(diǎn)為：

(1)兩相對(duì)稱繞組通入兩相對(duì)稱電流所產(chǎn)生的基波合成磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)行波，合成磁動(dòng)勢(shì)的幅值等于單相繞組脈振磁動(dòng)勢(shì)的幅值。

(2)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速取決于電源頻率和電機(jī)極對(duì)數(shù)，即，稱為同步轉(zhuǎn)速。

(3)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向是從電流超前的相轉(zhuǎn)向電流滯后的相，若要改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向，只要改變定子繞組的相序即可。

(4)當(dāng)某相電流達(dá)到最大時(shí)，合成磁動(dòng)勢(shì)剛好轉(zhuǎn)到該相繞組的軸線方向上。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-26-三、異步伺服電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系1.電壓平衡方程

(1)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，定子勵(lì)磁繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組都將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每極主磁通為Φ，根據(jù)交流電機(jī)的基本原理，相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-12）-27-

在定、轉(zhuǎn)子繞組中，除旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)外，還有漏磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的漏磁電動(dòng)勢(shì)。這些漏磁電動(dòng)勢(shì)可以用漏電抗壓降的形式來(lái)表征，即第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-13）漏電抗-28-考慮相應(yīng)繞組的電阻壓降，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)異步伺服電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-14）-29-

(2)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的基本原理，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流的頻率為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-15）轉(zhuǎn)差率此時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)主磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為（4-16）-30-根據(jù)式（4-12），得第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-17）同理，漏磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)產(chǎn)生的漏磁電動(dòng)勢(shì)為（4-18）轉(zhuǎn)子漏電抗-31-這樣，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)異步伺服電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-19）-32-2.產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的定子電壓根據(jù)電壓平衡方程，可以進(jìn)一步分析產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，定子兩相繞組的電壓應(yīng)滿足的關(guān)系。為使分析具有一般性，設(shè)兩相繞組的匝數(shù)不等，其有效匝比仍為。根據(jù)式（4-10），并考慮勵(lì)磁繞組電流超前控制繞組電流90o電角度，可得第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-20）-33-

由于定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)成正比，并且勵(lì)磁繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)超前控制繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)90o電角度，所以第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-21）另外，兩相繞組的電阻和漏電抗應(yīng)滿足如下關(guān)系

（4-22）-34-將上面三個(gè)式子代入式（4-19）的第一式，得第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-24）

上式說(shuō)明，若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，異步伺服電動(dòng)機(jī)定子兩相繞組電壓的相位差應(yīng)為90o電角度，并且其有效值應(yīng)與有效串聯(lián)匝數(shù)成正比。這種兩相電壓稱為兩相對(duì)稱交流電壓。-35-四、異步伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1.電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)能量傳遞的基本關(guān)系，從定子傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-25）轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)-36-由式（4-12），得第四章伺服電動(dòng)機(jī)當(dāng)不計(jì)控制繞組的漏阻抗壓降時(shí)，，所以

這樣，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為（4-27）（4-26）（4-28）-37-

根據(jù)式（4-19）的第三式，轉(zhuǎn)子繞組的電流和功率因數(shù)分別為第四章伺服電動(dòng)機(jī)把上面三個(gè)式子代入式（4-25），可以得到電磁功率（4-31）-38-

電磁功率除以轉(zhuǎn)子方的同步機(jī)械角頻率可以得到電磁轉(zhuǎn)矩第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-32）-39-對(duì)于籠型轉(zhuǎn)子，m2=Z2（Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)，即轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)），N2=1/2，kw2=1，所以上式可進(jìn)一步化為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-33）

上式表明了異步伺服電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與控制電壓、轉(zhuǎn)差率（即轉(zhuǎn)速）和電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)于已制成的電機(jī)，電機(jī)參數(shù)是一定的，電源頻率一般不變，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與控制電壓的平方成正比。-40-2.圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的機(jī)械特性根據(jù)式（4-33）可以繪出圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)不同控制電壓下異步伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，第四章伺服電動(dòng)機(jī)-41-

將式（4-33）對(duì)s求導(dǎo)，并令，可求出最大電磁轉(zhuǎn)矩及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率（稱為臨界轉(zhuǎn)差率）第四章伺服電動(dòng)機(jī)

上面兩式表明，臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比，但最大轉(zhuǎn)矩卻與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)。轉(zhuǎn)子電阻越大，機(jī)械特性線性段的范圍就越大，這對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和擴(kuò)大調(diào)速范圍是非常有利的，所以具有較大的轉(zhuǎn)子電阻是異步伺服電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)。-42-3.橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的機(jī)械特性在圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，電動(dòng)機(jī)處于對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，這只是異步伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的一種特殊情況，此時(shí)加在定子勵(lì)磁繞組和控制繞組上的電壓是兩相對(duì)稱的交流電壓，所產(chǎn)生的電流也是兩相對(duì)稱的交流電流。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制，加在控制繞組上的控制電壓是變化的，其幅值或相位應(yīng)是可調(diào)的。這樣，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的條件不再滿足，電動(dòng)機(jī)實(shí)際處于一種不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-43-

根據(jù)交流繞組磁動(dòng)勢(shì)的基本理論，兩相不對(duì)稱繞組所產(chǎn)生的應(yīng)是橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，下面就兩相繞組中電流相位差仍為90o電角度，但磁動(dòng)勢(shì)幅值不相等時(shí)的情況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。設(shè)兩相繞組磁動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-36）橢圓度系數(shù)α-44-將勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢(shì)Ff進(jìn)行如下分解第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-37）

可見(jiàn)，勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢(shì)分量Ff1與控制繞組磁動(dòng)勢(shì)Fc的幅值相等，相位互差90o電角度，兩者合成正好形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其幅值就是（4-38）-45-

另外，勵(lì)磁繞組磁動(dòng)勢(shì)分量Ff2是一個(gè)沿勵(lì)磁繞組軸線方向的脈振磁場(chǎng)，這個(gè)脈振磁場(chǎng)可以分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反、幅值等于脈振磁動(dòng)勢(shì)幅值一半的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-39）

這樣，原來(lái)的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以用兩個(gè)正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和一個(gè)反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)等效。-46-

兩個(gè)正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相等，轉(zhuǎn)向相同，軸線一致，可以合成為一個(gè)正向圓形磁場(chǎng)，其幅值為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-40）而反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值即為（4-41）-47-

通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論：異步伺服電動(dòng)機(jī)在一般運(yùn)行情況時(shí)，定子兩相繞組產(chǎn)生的是一個(gè)橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以用兩個(gè)轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)代替，其中一個(gè)的轉(zhuǎn)向與原來(lái)的橢圓形磁場(chǎng)相同，稱為正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；另一個(gè)的轉(zhuǎn)向則相反，稱為反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。圖4-7形象地說(shuō)明了正、反向轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用。正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩起驅(qū)動(dòng)作用；而反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)總是與轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用。合成電磁轉(zhuǎn)矩總是正的，即第四章伺服電動(dòng)機(jī)-48-第四章伺服電動(dòng)機(jī)-49-

若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，則轉(zhuǎn)子相對(duì)于正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)差率為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-43）（4-44）而轉(zhuǎn)子相對(duì)于反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)差率為-50-

根據(jù)前面圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的機(jī)械特性，由式（4-33）可以分別繪出正、反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的機(jī)械特性曲線，以及它們的合成曲線，即橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的機(jī)械特性，如圖4-8所示。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-51-

與圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的機(jī)械特性相比較，橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的機(jī)械特性具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)由于反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的存在，產(chǎn)生了附加的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Te-，使電機(jī)總的輸出轉(zhuǎn)矩都減小了；

(2)在理想空載情況下（即電磁轉(zhuǎn)矩Te=0時(shí)），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已不能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n1，而是低于n1。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-52-4.自轉(zhuǎn)現(xiàn)象及消除方法異步伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻往往較大，除了前述是為了改善機(jī)械特性的線性度和穩(wěn)定運(yùn)行外，更重要的是為了保證當(dāng)控制繞組電壓為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)能立刻停轉(zhuǎn)。因?yàn)楫?dāng)控制繞組沒(méi)有外施電壓時(shí)，異步伺服電動(dòng)機(jī)就相當(dāng)于一臺(tái)正常運(yùn)行的單相異步電動(dòng)機(jī)，這時(shí)只有勵(lì)磁繞組在起作用，相應(yīng)的機(jī)械特性如圖4-9(a)所示。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-53-第四章伺服電動(dòng)機(jī)-54-

顯然，正向旋轉(zhuǎn)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te是正值；反向旋轉(zhuǎn)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te是負(fù)值，說(shuō)明Te總是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的，電動(dòng)機(jī)在兩個(gè)方向都可以旋轉(zhuǎn)。這種情況對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)而言是不利的，相當(dāng)于控制信號(hào)消失而仍有角速度或角位移輸出，稱為“自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-55-

如果增大轉(zhuǎn)子電阻，使正向電磁轉(zhuǎn)矩Te+和反向電磁轉(zhuǎn)矩Te-的臨界轉(zhuǎn)差率sm>1，將得到圖4-9(b)所示的機(jī)械特性。這樣，正向旋轉(zhuǎn)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te是負(fù)值；反向旋轉(zhuǎn)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te是正值，即Te總是制動(dòng)性質(zhì)的。因此，在控制電壓為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)在兩個(gè)方向上都不可能自轉(zhuǎn)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-56-

當(dāng)然，增大轉(zhuǎn)子電阻也有不利的一面。首先電動(dòng)機(jī)效率會(huì)降低，同樣功率的電機(jī)體積也要大一些；其次臨界轉(zhuǎn)差率sm>1，使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小。由于伺服電動(dòng)機(jī)的工作性質(zhì)不同于普通電動(dòng)機(jī)，主要要求運(yùn)行穩(wěn)定、線性度好、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而效率和體積相對(duì)次要些，所以轉(zhuǎn)子電阻往往設(shè)計(jì)得相當(dāng)大，以滿足自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本需要。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-57-5.控制方式簡(jiǎn)介一般情況下，異步伺服電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組電壓保持不變，通過(guò)改變控制繞組電壓的幅值或相位，就可以改變正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的大小關(guān)系，以及正向電磁轉(zhuǎn)矩和反向電磁轉(zhuǎn)矩之間的比值，從而達(dá)到改變合成電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的目的。這樣，異步伺服電動(dòng)機(jī)就有三種具體的控制方式：

(1)幅值控制，即僅改變控制電壓的幅值；

(2)相位控制，即僅改變控制電壓的相位；

(3)幅-相控制，同時(shí)改變控制電壓的幅值和相位。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-58-

幅值控制方式簡(jiǎn)單易行，且控制效果較好。所以，下面就以幅值控制方式為例，簡(jiǎn)要介紹相應(yīng)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。采用幅值控制時(shí)，控制繞組電壓在時(shí)間上滯后勵(lì)磁繞組電壓90o電角度，且保持不變，僅其幅值可以調(diào)節(jié)。的有效值可以表示為第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-45）有效信號(hào)系數(shù)-59-

當(dāng)αe=0時(shí)，控制繞組沒(méi)有外施電壓，僅勵(lì)磁繞組一相供電，產(chǎn)生單相脈振磁動(dòng)勢(shì)。如果轉(zhuǎn)子電阻足夠大，轉(zhuǎn)子將靜止不動(dòng)。

當(dāng)0<αe<1時(shí)，勵(lì)磁繞組和控制繞組的磁動(dòng)勢(shì)幅值不等，相應(yīng)的氣隙合成磁場(chǎng)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。根據(jù)分解的正、反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及相應(yīng)的正、反向電磁轉(zhuǎn)矩、，可以獲得不同值時(shí)的機(jī)械特性，如圖4-10所示。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-60-第四章伺服電動(dòng)機(jī)-61-

當(dāng)αe=1，即當(dāng)勵(lì)磁繞組與控制繞組的外施電壓均為到各自的額定值時(shí)，它們的磁動(dòng)勢(shì)幅值應(yīng)相等，相應(yīng)的氣隙合成磁場(chǎng)為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這時(shí)僅存在正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及正向電磁轉(zhuǎn)矩，將產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)圖4-10所示的機(jī)械特性，采用作圖法可以獲得相應(yīng)的調(diào)節(jié)特性，如圖4-11所示。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-62-第三節(jié)特種伺服電動(dòng)機(jī)*一、力矩伺服電動(dòng)機(jī)在某些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較低。若用齒輪減速器，齒輪之間的間隙常常引起系統(tǒng)一定范圍內(nèi)的振蕩和系統(tǒng)剛度的降低，因此希望有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的伺服電動(dòng)機(jī)。力矩電動(dòng)機(jī)就是為這種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的需要而設(shè)計(jì)制造的電機(jī)，它能在低速運(yùn)行甚至長(zhǎng)期堵轉(zhuǎn)情況下產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，而且不需要經(jīng)過(guò)齒輪減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，具有響應(yīng)迅速、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-63-1.直流力矩電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)第四章伺服電動(dòng)機(jī)-64-2.直流力矩電動(dòng)機(jī)的基本原理直流力矩電動(dòng)機(jī)為了能在相同的體積和控制電壓下產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和較低的轉(zhuǎn)速，一般做成扁平形。下面以兩極電機(jī)為例分析其基本原理。如圖4-13所示的兩臺(tái)直流電機(jī)模型，設(shè)它們的電樞體積、電樞電流、電流密度和氣隙磁密均相等，電機(jī)b的電樞直徑Db是電機(jī)a電樞直徑Da的兩倍，即第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-46）-65-第四章伺服電動(dòng)機(jī)-66-

(1)電磁轉(zhuǎn)矩的分析因?yàn)殡姌畜w積相等，所以電樞鐵心軸線長(zhǎng)度之間的關(guān)系是第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-47）

槽面積與電樞總導(dǎo)體數(shù)的關(guān)系式分別為（4-48）電樞截面利用系數(shù)槽填充系數(shù)-67-

兩臺(tái)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式分別為（4-49）第四章伺服電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體截面積（4-50）氣隙磁密的平均值電樞導(dǎo)體電流-68-

利用式（4-46）、式（4-47）和式（4-49）的關(guān)系，由式（4-50）可以得到電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系（4-51）第四章伺服電動(dòng)機(jī)

上式說(shuō)明，在電樞體積、電樞電流、電流密度和氣隙磁密相等的條件下，如果電樞直徑增大一倍，電磁轉(zhuǎn)矩也增大一倍，即電磁轉(zhuǎn)矩與電樞直徑成正比。-69-

(2)空載轉(zhuǎn)速的分析若電樞直徑為D，則一個(gè)極下一根導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)為（4-52）第四章伺服電動(dòng)機(jī)

一對(duì)電刷所串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)為N/2，則刷間電動(dòng)勢(shì)為（4-53）-70-

理想空載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n0，并且控制電壓（電樞電壓）Uc=Ea，所以（4-54）第四章伺服電動(dòng)機(jī)

根據(jù)前面的分析，當(dāng)電樞體積、電樞電流和電流密度相等時(shí)，Nl乘積保持不變。這樣，在控制電壓和氣隙磁密相同的情況下，理想空載轉(zhuǎn)速與電樞直徑成反比。-71-第四章伺服電動(dòng)機(jī)

綜合以上分析，在其它條件相同的情況下，增大直流電動(dòng)機(jī)的直徑，減小軸向長(zhǎng)度，可以增大電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，并降低空載轉(zhuǎn)速。這就是直流力矩電動(dòng)機(jī)做成扁平形的根本原因。-72-第四章伺服電動(dòng)機(jī)3.直流力矩電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)

(1)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，低速運(yùn)行穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小是評(píng)價(jià)直流電動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。直流力矩電動(dòng)機(jī)采用扁平形電樞，可以增加電樞槽數(shù)、導(dǎo)體元件數(shù)和換向片數(shù)，還可以適當(dāng)增大氣隙，采用斜槽或斜磁極結(jié)構(gòu)，這些措施均可以有效削弱直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。-73-第四章伺服電動(dòng)機(jī)

(2)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好直流電動(dòng)機(jī)在勵(lì)磁磁通保持不變的情況下，可以得到線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。但是由于電樞反應(yīng)的去磁作用，造成勵(lì)磁磁場(chǎng)的畸變。在設(shè)計(jì)直流力矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，可以把磁路設(shè)計(jì)成高度飽和，并采取增大氣隙等方法，削弱電樞反應(yīng)的影響。-74-第四章伺服電動(dòng)機(jī)

(3)響應(yīng)迅速，動(dòng)態(tài)特性好對(duì)于電機(jī)而言，決定過(guò)渡過(guò)程快慢的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)分別是機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速。雖然直流力矩電動(dòng)機(jī)電樞直徑大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，但由于它的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩很大，空載轉(zhuǎn)速又很低，所以機(jī)電時(shí)間常數(shù)較?。恢绷髁仉妱?dòng)機(jī)采用多極結(jié)構(gòu)，有利于減小電樞反應(yīng)磁鏈及電樞繞組電感，所以電氣時(shí)間常數(shù)也較小。另外，直流力矩電動(dòng)機(jī)的扁平結(jié)構(gòu)，有利于將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸直接套在短而粗的負(fù)載軸上，從而大大提高系統(tǒng)的耦合剛度，改善動(dòng)態(tài)性能。-75-第四章伺服電動(dòng)機(jī)二、小慣量伺服電動(dòng)機(jī)1.盤式伺服電動(dòng)機(jī)-76-第四章伺服電動(dòng)機(jī)

盤式電機(jī)大都是永磁式，其工作原理與柱式電機(jī)相同，所以它與柱式電機(jī)一樣，既可以制成電動(dòng)機(jī)，也可以制成發(fā)電機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，每種柱式電機(jī)都有相對(duì)應(yīng)的盤式電機(jī)。

盤式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)部分只有電樞繞組，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，具有快速的響應(yīng)能力，可以用于頻繁起、制動(dòng)和正、反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。

(2)軸向尺寸短，可適用于安裝空間較小的場(chǎng)合。-77-第四章伺服電動(dòng)機(jī)

(3)采用無(wú)鐵心電樞結(jié)構(gòu)，不存在普通柱式電機(jī)由于齒槽效應(yīng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)。

(4)不存在磁滯和渦流損耗，電機(jī)效率較高。

(5)電樞采用非磁性材料制成，電樞繞組電感小，換向火花小。

(6)電樞繞組兩端面直接與氣隙接觸，有利于電樞繞組的散熱，并有利于取較大的電負(fù)荷，減小電機(jī)的體積。-78-第四章伺服電動(dòng)機(jī)2.無(wú)槽伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)槽電機(jī)的特點(diǎn)是電樞表面光滑，不開(kāi)槽，電樞繞組元件直接放置在鐵心的外表面，用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成型，與鐵心固化成一個(gè)整體，如圖4-15所示的無(wú)槽直流伺服電動(dòng)機(jī)。

這種無(wú)槽電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電樞繞組的電感比盤式電機(jī)和空心杯電機(jī)要稍大些，因而動(dòng)態(tài)性能稍顯遜色。-79-第四節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)的選用一、伺服電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)

(1)空載始動(dòng)電壓U0。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(kāi)始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小控制電壓稱為空載始動(dòng)電壓?？蛰d始動(dòng)電壓小，則靈敏度高?？蛰d始動(dòng)電壓以額定控制電壓的百分比表示，一般為額定電壓的2%-12%，小功率電動(dòng)機(jī)U0較大。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-80-

(2)機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm。在額定勵(lì)磁電壓和空載情況下，加以階躍的額定控制電壓，電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)加速到空載轉(zhuǎn)速63.2%所需要的時(shí)間稱為機(jī)電時(shí)間常數(shù)。這個(gè)性能指標(biāo)是衡量電動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度的，該值越小，說(shuō)明響應(yīng)越快速、靈敏。通常，伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于0.03s。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-81-2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)除空載始動(dòng)電壓U0和機(jī)電時(shí)間常數(shù)τm兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)外，交流伺服電動(dòng)機(jī)還有另外兩項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)：

(1)機(jī)械特性的非線性度Km。在額定勵(lì)磁電壓下，任意控制電壓時(shí)的實(shí)際機(jī)械特性與線性機(jī)械特性在Te=Td/2（Td為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）時(shí)的轉(zhuǎn)速偏差與空載轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)稱為機(jī)械特性的非線性度，即第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-55）-82-第四章伺服電動(dòng)機(jī)-83-

(2)調(diào)節(jié)特性的非線性度。在額定勵(lì)磁電壓和空載情況下，當(dāng)有效信號(hào)系數(shù)αe=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)速偏差與有效信號(hào)系數(shù)αe=1時(shí)的空載轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)稱為調(diào)節(jié)特性的非線性度，即第四章伺服電動(dòng)機(jī)（4-56）-84-第四章伺服電動(dòng)機(jī)-85-二、伺服電動(dòng)機(jī)的使用原則1.直流伺服電動(dòng)機(jī)使用原則

(1)電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)首先要接通勵(lì)磁電源，然后再加電樞電壓，以避免電樞繞組因長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)大電流而燒壞電機(jī)。這是因?yàn)槿绻燃与姌须妷?，電樞電流Ia=Uc/Ra，電壓Uc全部加在電樞電阻Ra上，而Ra很小，造成電樞電流Ia過(guò)大，極易燒壞電機(jī)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-86-(2)在電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，絕對(duì)要避免勵(lì)磁繞組斷線，以免造成電樞電流過(guò)大和“飛車”事故。

(3)永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)的性能很大程度上取決于永磁材料的優(yōu)劣。大多數(shù)永磁材料的機(jī)械強(qiáng)度不高，易于破碎。在安裝和使用這類電機(jī)時(shí)，要注意防止劇烈的振動(dòng)和沖擊，否則容易引起永磁體內(nèi)部磁疇排列的混亂，使永磁體退磁。另外，盡量遠(yuǎn)離熱源，因?yàn)橛行┯来挪牧系臏囟认禂?shù)較高，磁性能易受溫度變化的影響。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-87-2.交流伺服電動(dòng)機(jī)使用原則

(1)交流伺服電動(dòng)機(jī)的電源是兩相的，但通常的電源是三相的或是單相的，這樣就要將電源移相之后才能使用。對(duì)于三相有中線的電源，可取一相電壓及其它兩相之間的線電壓分別作為勵(lì)磁電壓和控制電壓；對(duì)于三相無(wú)中線的電源，可利用三相變壓器副邊的相電壓和線電壓形成90o相位移的電源系統(tǒng)。如果只有單相電源時(shí)，則需要通過(guò)移相電容產(chǎn)生兩相電源，通過(guò)對(duì)電容值的合理選擇，可以使勵(lì)磁電壓和控制電壓正好相差90o電角度。通常，移相電容為零點(diǎn)幾微法到幾十微法。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-88-(2)在控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)通常是通過(guò)放大器加到交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制繞組上。這樣，大的控制電流和控制功率就會(huì)增大放大器的負(fù)擔(dān)，使放大器的體積和重量增大。可以通過(guò)在控制繞組兩端并聯(lián)電容的方法，提高控制相的功率因數(shù)，從而減小放大器輸出的無(wú)功電流，減小放大器的負(fù)擔(dān)。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-89-(3)交流伺服電動(dòng)機(jī)為了滿足控制性能的要求，轉(zhuǎn)子電阻通常都設(shè)計(jì)得比較大，而且經(jīng)常工作在低速段和不對(duì)稱狀態(tài)，因此它的損耗比一般電機(jī)大，發(fā)熱多，效率低。為了保證其溫升不超過(guò)允許值，在安裝時(shí)應(yīng)改善散熱條件，如將電機(jī)安裝在面積足夠大的金屬支架上，保證通風(fēng)良好，遠(yuǎn)離其它熱源。第四章伺服電動(dòng)機(jī)-90-三、直流伺服電動(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的比較直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)都可作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，但應(yīng)根據(jù)各自的特點(diǎn)和使用的具體情況，合理選用。

(1)機(jī)械特性。直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是線性的，在不同控制電壓下，機(jī)械特性相互平行，而且特性很硬；但交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是非線性的，特性的斜率隨著控制信號(hào)的不同而變化，機(jī)械特性較軟，特別在低速段更加嚴(yán)重。第四