第7章交流伺服電動(dòng)機(jī)

第7章交流伺服電動(dòng)機(jī)7.1概述7.2交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理7.7幅值控制時(shí)的特性7.8移相方法和控制方式7.9電容伺服電動(dòng)機(jī)的特性7.1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，功率從幾瓦到幾十瓦。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。如圖7-1所示，伺服電動(dòng)機(jī)的軸上帶有被控制的機(jī)械負(fù)載(由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，一般均通過減速齒輪再與負(fù)載相連接)，在電機(jī)繞組的兩端施加控制電信號(hào)Uk。將控制電信號(hào)快速地轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。1—交流伺服電動(dòng)機(jī)2—減速齒輪3—機(jī)械負(fù)載軸圖7-1交流伺服電動(dòng)機(jī)的功用圖5-3雷達(dá)俯仰角自動(dòng)顯示系統(tǒng)原理圖

典型用途：如圖5-3所示，雷達(dá)俯仰角自動(dòng)顯示系統(tǒng)的自整角伺服系統(tǒng)示意圖。

交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)自整角變壓器轉(zhuǎn)子和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。自整角機(jī)可分為：力矩式和控制式兩大類。

控制式自整角機(jī)的作用：作為角度和位置的檢測(cè)元件，將機(jī)械角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或?qū)⒔嵌鹊臄?shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M量，而且精度較高，誤差范圍僅有3′～14′，用于精密的閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。

力矩式自整角機(jī)的作用是直接達(dá)到轉(zhuǎn)角隨動(dòng)的目的，即將機(jī)械角度變換為力矩輸出。但無力矩放大作用，接收誤差稍大，負(fù)載能力較差，其靜態(tài)誤差范圍為0.5°～2°。因此，力矩式自整角機(jī)只適用于輕負(fù)載轉(zhuǎn)矩及精度要求不太高的開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)里。

雷達(dá)天線的俯仰角α就是自整角發(fā)送機(jī)“ZKF”軸的轉(zhuǎn)角，自整角變壓器“ZKB”軸的轉(zhuǎn)角就是刻度盤的讀數(shù)β。伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載（刻度盤）和自整角變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)是受到控制的，當(dāng)雷達(dá)轉(zhuǎn)軸位置α(稱為主令位置)改變時(shí)，由于負(fù)載位置β≠α，自整角變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出交變電勢(shì)，就有電壓輸出，通過放大器，伺服電動(dòng)機(jī)接受到控制電信號(hào)Uk，就帶動(dòng)負(fù)載和自整角變壓器轉(zhuǎn)動(dòng)，直至α=β，γ=0。

所以，伺服電動(dòng)機(jī)直接地受電信號(hào)Uk的控制，間接地受主令位置α的控制。伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)總是使β接近α，直至β=α，使負(fù)載和主令位置處于協(xié)調(diào)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的要求：

(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)具有線性關(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)，也就是要求伺服電動(dòng)機(jī)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；

(4)控制功率要小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大；

(5)機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，始動(dòng)電壓要低。當(dāng)控制信號(hào)變化時(shí)，反應(yīng)快速靈敏。

7.2交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

7.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分：定子部分和轉(zhuǎn)子部分。定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組。其中l(wèi)1-l2稱為勵(lì)磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。

1—定子繞組2—定子鐵心3—鼠籠轉(zhuǎn)子圖7–2兩相繞組分布圖

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩種：

1、非磁性空心杯形

2、鼠籠式

圖7–3鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)圖7-4轉(zhuǎn)子沖片

圖7-5鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組

1—杯形轉(zhuǎn)子2—外定子3—內(nèi)定子4—機(jī)殼5—端蓋圖7-6杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)

圖7–7杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子相似

非磁性空心杯轉(zhuǎn)子特點(diǎn):

細(xì)長的轉(zhuǎn)子，空心杯的杯壁極薄，一般在0.3mm左右。材料：高電阻率的硅錳青銅或錫鋅青銅。與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子優(yōu)點(diǎn)：

1、轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小，靈敏度高，精度較高。

2、由于它的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，沒有抖動(dòng)現(xiàn)象，力矩波動(dòng)小，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音很小。

3、損耗小，效率高。因轉(zhuǎn)子中無磁滯和渦流造成的鐵耗，所以效率可達(dá)80%或更高。

4、換向性能好，壽命長。由于杯形轉(zhuǎn)子無鐵心，換向元件電感很小，幾乎不產(chǎn)生火花，換向性能好，因此大大提高了電機(jī)的使用壽命。缺點(diǎn)：由于內(nèi)、外定子間氣隙較大，勵(lì)磁電流較大，功率因素減小了，降低了電機(jī)的利用率。

7.2.2工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組兩端施加恒定的勵(lì)磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)就會(huì)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)起來。圖7-8電氣原理圖

圖7-9伺服電動(dòng)機(jī)工作原理圖7-10鼠籠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向一、橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生定子兩相繞組，勵(lì)磁繞組和控制繞組在空間上互90°電角度，勵(lì)磁繞組的電流與控制繞組的電流相位上相差90°，幅值彼此相等，有效匝數(shù)又相等的兩個(gè)繞組稱為對(duì)稱兩相繞組。用數(shù)學(xué)式表示為

ik=Ikmsin

ωt

if=Ifmsin(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

圖7-11兩相對(duì)稱電流

圖7-13旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)示意圖

二、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向是從流過超前電流的繞組軸線轉(zhuǎn)向流過滯后電流的繞組軸線。若控制電流ik超前勵(lì)磁電流if，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)從控制繞組軸線轉(zhuǎn)到勵(lì)磁繞組軸線，即按順時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)的，如圖7-15所示。

***如何改變交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向？當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)(不能兩相同時(shí)反相)，則流過該繞組的電流也反相，即原來是超前電流的就變成滯后電流，因而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向改變，變成反時(shí)針方向，電機(jī)的轉(zhuǎn)向也改變了，如圖7-17所示。

圖7-15旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向圖7-16一相電壓倒相后的繞組電流波形圖7-17旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向的改變

三、小結(jié)

(1)單相繞組通入單相交流電后，產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)。

(2)兩相對(duì)稱繞組通入兩相對(duì)稱電流就能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；即空間上相差90°電角度，時(shí)間上90°相位差，幅值又相等的兩個(gè)脈振磁場(chǎng)必然形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

(3)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向是從超前相的繞組軸線轉(zhuǎn)到滯后相的繞組軸線。把兩相繞組中任意一相繞組上所加的電壓反相(即相位改變180°)，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向。(4)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步速n1，只與電機(jī)極數(shù)和電源頻率（交流伺服電動(dòng)機(jī)使用的電源頻率通常是標(biāo)準(zhǔn)頻率f=400Hz或50Hz）有關(guān)，其關(guān)系為7.7幅值控制時(shí)的特性

7.7.1有效信號(hào)系數(shù)αe

采用幅值控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組通常是接在恒值的交流電源上，等于額定勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電壓與控制電壓之間保持90°的相位差，而控制電壓的值是變化的。有效信號(hào)系數(shù)αe式中，Uk為實(shí)際控制電壓；Ukn為額定控制電壓，當(dāng)控制電壓Uk在0~Ukn變化時(shí)，有效信號(hào)系數(shù)αe在0~1變化。

7.7.2不同有效信號(hào)系數(shù)時(shí)的機(jī)械特性

根據(jù)對(duì)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分析，可作出交流伺服電動(dòng)機(jī)不同有效信號(hào)系數(shù)時(shí)的機(jī)械特性。當(dāng)αe=1時(shí)，氣隙磁場(chǎng)是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；當(dāng)αe≠1時(shí)，氣隙磁場(chǎng)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。改變控制電壓，即改變?chǔ)羍的大小，也就改變了電機(jī)不對(duì)稱程度，所以兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)是靠改變電機(jī)運(yùn)行的不對(duì)稱程度來達(dá)到控制的目的。圖7-42機(jī)械特性曲線族

7.7.3零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性和無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象

零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性就是控制電壓Uk=0或αe=0時(shí)的機(jī)械特性。當(dāng)αe=0時(shí)，磁場(chǎng)是脈振磁場(chǎng)，可以分解為幅值相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖7-43所示。如果伺服電動(dòng)機(jī)在控制電壓Uk作用下運(yùn)行時(shí)，突然除去控制電信號(hào)，即Uk=0時(shí)，只要阻轉(zhuǎn)矩小于單相運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)仍將在轉(zhuǎn)矩T作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成失控。圖7-43脈振磁場(chǎng)的作用圖7-44零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性圖7-45自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻值的關(guān)系(1)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

圖7-45自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻值的關(guān)系(2)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

圖7-45自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻值的關(guān)系(3)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

圖7-45(c)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子電阻已增大到使臨界轉(zhuǎn)差率sm正

＞1的程度。這時(shí)合成轉(zhuǎn)矩曲線與橫軸相交僅有一點(diǎn)(s=1處)，而且在電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)，合成轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值，即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因而當(dāng)控制電壓Uk取消變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行時(shí)，電機(jī)就立刻產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩一起促使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在這種情況下，停轉(zhuǎn)時(shí)間甚至比兩相繞組的電壓Uk和Uf同時(shí)取消時(shí)還快些。

無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象是自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求之一。即當(dāng)控制電壓一旦取消時(shí)(即Uk=0時(shí))，伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，交流伺服電動(dòng)機(jī)零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性必須處于第二和第四象限，如圖7-44所示，這就要求有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)子電阻，使臨界轉(zhuǎn)差率sm正

＞1。圖7-46轉(zhuǎn)速的控制圖7-47調(diào)節(jié)特性7.8移相方法和控制方式

1.利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90°的移相

2.利用三相電源的任意兩相線電壓三相電源三個(gè)線電壓的相位互差120°，直接取任意兩相線電壓使用，若加上系統(tǒng)中其它元件(如自整角機(jī)，伺服放大器等)的相位移，加到伺服電動(dòng)機(jī)定子繞組上的兩個(gè)電壓能接近90°的相位差。

3.采用移相網(wǎng)絡(luò)圖7–50相電壓和線電壓的相移

圖7-51三相電源變換成兩相電源(a)利用三相變壓器；(b)利用帶中間抽頭的電抗線圈圖7-52采用電子移相網(wǎng)絡(luò)的伺服系統(tǒng)

以上三種移相方法是直接將電源移相或通過移相網(wǎng)絡(luò)使勵(lì)磁電壓和控制電壓之間有一固定的90°相移，這些移相方法通稱為電源移相。只是通過改變控制電壓的值來控制轉(zhuǎn)速的，而定子繞組上兩電壓的相位差恒保持為90°。這種控制方式常稱為幅值控制。

圖7-53電容伺服電動(dòng)機(jī)控制線路圖

4.在勵(lì)磁相中串聯(lián)電容器在交流伺服電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁相電路中串聯(lián)(或串、并聯(lián))上一定的電容C（移相電容），在放大器之前就不需要再引入電子移相網(wǎng)絡(luò)了，其控制線路如圖7-53所示。圖7-56用示波器選擇電容

圖7-57串并聯(lián)電容移相

7.9電容伺服電動(dòng)機(jī)的特性

7.9.2機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性電容伺服電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組是通過串聯(lián)電容接在恒定的交流電源上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)從圓形磁場(chǎng)改變?yōu)闄E圓磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)速不同，磁場(chǎng)橢圓度就不同；轉(zhuǎn)速變化時(shí)勵(lì)磁電壓的值和相位都要隨著變化。

明顯看出，電容伺服電動(dòng)機(jī)的特性比幅值控制時(shí)的特性非線性更為嚴(yán)重，由于勵(lì)磁繞組端電壓隨轉(zhuǎn)速增加而升高，磁場(chǎng)的橢圓度也隨著增大。由于反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的阻轉(zhuǎn)矩作用在高速段要比低速段更為顯著，機(jī)械特性在低速段隨著轉(zhuǎn)速的增加轉(zhuǎn)矩下降得很慢；而在高速段，轉(zhuǎn)矩下降得很快，從而使機(jī)械特性在低速段出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象(即機(jī)械特性負(fù)的斜率值降低)。就會(huì)使電機(jī)在低速段的阻尼系數(shù)下降，因而影響電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。