電機(jī)控制第八章

1、1電機(jī)控制北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院葉葉 平平 Email: Ping.YE Tel: 622825712第八章 交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其分析方法交流伺服電機(jī)的控制方式3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理 交流伺服電機(jī)定子上布置兩相繞組兩相繞組，一相稱為勵(lì)磁勵(lì)磁繞組，接到交流勵(lì)磁電源上，另一相為控控制制繞組，接入控制電壓； 兩相繞組在空間上相距90電角度電角度，勵(lì)磁電壓和控制電壓的頻率相同頻率相同 因此，也稱為兩相交流兩相交流伺服電機(jī)伺服電機(jī)。4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鼠籠式轉(zhuǎn)子非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子5非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子可以看成是

2、鼠籠條數(shù)非常多、條與條之間彼此緊靠在一起的鼠籠轉(zhuǎn)子，杯形轉(zhuǎn)子兩端也看作短接環(huán)；杯形轉(zhuǎn)子只是鼠籠式轉(zhuǎn)子的一種特殊形式特殊形式。最大特點(diǎn)是：運(yùn)行平穩(wěn)6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使永久磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)磁鐵中間的鼠籠式轉(zhuǎn)子會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)；但是，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比磁鐵要慢；當(dāng)永久磁鐵的轉(zhuǎn)向改變時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變。工作原理7分析原因鼠籠式轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)原因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向?yàn)楹坞S永久磁鐵轉(zhuǎn)向的改變而改變？轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為何慢于永久磁體轉(zhuǎn)速？轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速究竟低多少？8兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩相對(duì)稱繞組兩相對(duì)稱繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組有效匝數(shù)相等，空間相距90度電角度。兩相對(duì)稱電流兩相對(duì)稱電流：幅值相等、相位相差9

3、0度的兩相電流。9kkmffmfmkmmsinsin90iItiItIII1011kkmffmfmkmmsinsin90BBtBBtBBB2222m(sin)(sin(90 )kfkmfmBBBBtBtB合成磁通密度：結(jié)論： 在兩相交流伺服電機(jī)中，如果有兩個(gè)脈振磁通密度的軸線在空間夾角為90度電角度，時(shí)間相位差為90度，且脈振幅值又相等，則合成磁場(chǎng)必然是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。12旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（同步速）取決于電機(jī)的極對(duì)數(shù)和電流的頻率60( / )()sffnr srpmpp13極對(duì)數(shù)與電角度14 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使永久磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)磁鐵中間的鼠籠式轉(zhuǎn)子會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)；但是，轉(zhuǎn)子

4、的轉(zhuǎn)速比磁鐵要慢；當(dāng)永久磁鐵的轉(zhuǎn)向改變時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變。工作原理15轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鼠籠式轉(zhuǎn)子非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子16兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩相對(duì)稱繞組兩相對(duì)稱繞組：勵(lì)磁繞組和控制繞組有效匝數(shù)相等，空間相距90度電角度。兩相對(duì)稱電流兩相對(duì)稱電流：幅值相等、相位相差90度的兩相電流。17旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（同步速）取決于電機(jī)的極對(duì)數(shù)和電流的頻率60( / )()sffnr srpmppssnnsnsnn 異步電機(jī)18電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性 轉(zhuǎn)子中各載流導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下,受到電磁力所形成的轉(zhuǎn)矩之總和。TcosRRTKI常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)ilBF , ,c

5、osRRTI19222()RfRRsRTKURsX cosTRRTKI22()RRRRsEIRsX22cos()RRRRRRsX4.44fffUEfW20由公式可知：222()RfRRsRTKURsX電磁轉(zhuǎn)矩公式1. T 與定子勵(lì)磁繞組電壓 成正比。2fU2. 當(dāng)電源電壓 Uf 一定時(shí)，T 是 s 的函數(shù)。3. RR 的大小對(duì) T 有影響。外接電阻來(lái)改變轉(zhuǎn)子電阻RR ，可改變電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。21勵(lì)磁電壓一定時(shí)，不同轉(zhuǎn)子電阻的機(jī)械特性222()RfRRsRTKURsX 理想空載 堵轉(zhuǎn) 最大輸出轉(zhuǎn)矩RmRRsX臨界轉(zhuǎn)差率：2max12fRTKUXd0dTs22 當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小時(shí)，在0s1時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩

6、的峰值已移到第二象限；在0s1后，若繼續(xù)增大轉(zhuǎn)子的電阻，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩將隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大而減小，將影響電機(jī)的快速性；同時(shí)，轉(zhuǎn)矩變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響增大，電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性變差平穩(wěn)性變差。222()RdfRRRTKURX堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩25橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其分析交流伺服電機(jī)工作在對(duì)稱狀態(tài)對(duì)稱狀態(tài)下，勵(lì)磁繞組和控制繞組合成磁場(chǎng)為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；在系統(tǒng)工作系統(tǒng)工作時(shí)，為了進(jìn)行速度控制速度控制，施加在控制繞組上的電壓是變化的，往往不等于額定值，因此伺服電機(jī)也經(jīng)常處于不對(duì)稱狀態(tài)不對(duì)稱狀態(tài)；兩相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁通密度向量幅值不相向量幅值不相等等，且兩相繞組中通入的電流的相位差也不總相位差也不總是是90度度。26

7、前提條件：兩相電流相位差為前提條件：兩相電流相位差為90度，兩相繞組所度，兩相繞組所產(chǎn)生的磁通密度幅值不相等。產(chǎn)生的磁通密度幅值不相等。kmfmBB27 橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁通密度向量長(zhǎng)度是變化的 旋轉(zhuǎn)速度也是個(gè)變值2829橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分析方法分解法脈振磁場(chǎng)3031一個(gè)脈振磁場(chǎng)可以采用兩個(gè)幅值相等、旋轉(zhuǎn)方向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)代替；這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通密度向量幅值等于脈振磁通密度向量幅值的一半；旋轉(zhuǎn)速度等于脈振磁通密度變化的頻率。32橢圓磁場(chǎng)兩相電流相位差為90度，兩相繞組所產(chǎn)生的磁通密度幅值不相等。kmfmBB333435結(jié)論 交流伺服電機(jī)在一般運(yùn)行狀態(tài)下，定子繞組產(chǎn)生的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，

8、可以采用兩個(gè)轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)代替。 其中一個(gè)與橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相同，稱為正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；另一個(gè)相反，稱為反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 橢圓度越大，反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越大，正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越小；橢圓度越小，正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越大，反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越小。 反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值總是小于正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值。36交流伺服電機(jī)控制方式幅值控制相位控制幅值相位控制37幅值控制控制電壓與勵(lì)磁電壓之間保持90度相位差不變，通過(guò)改變控制信號(hào)（電壓）的幅值來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。kefUU3839正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由交流伺服電機(jī)的原理可知：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其方向

9、總是與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相同，即電磁轉(zhuǎn)矩總是力圖使轉(zhuǎn)子順著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。因此，電機(jī)總電磁轉(zhuǎn)矩為正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的合成電磁轉(zhuǎn)矩的合成。由于反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，因此反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是阻止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的。交流伺服電機(jī)總轉(zhuǎn)矩：40222()RfRRsRTKURsX伺服電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩：222()()RfRRsRTKUf sRsX正正()(2)Tf sfs正反反在對(duì)稱狀態(tài)對(duì)稱狀態(tài)下，若正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的機(jī)械特性為T(mén)10，則在對(duì)稱狀態(tài)對(duì)稱狀態(tài)下，反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的機(jī)械特性為T(mén)20；T10和-T20的關(guān)系如圖所示。不對(duì)稱狀態(tài)不對(duì)稱狀態(tài)TTT正反

10、T正與T10存在怎樣的聯(lián)系？T反與T20存在怎樣的聯(lián)系？1,kmfmBB1,kmfmBB41kmfmBBkefUUe有效信號(hào)系數(shù)也可以表征電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行的程度；e1e圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)0e脈振磁場(chǎng) 因此，改變控制電壓的大小，可以改變電機(jī)運(yùn)行的不對(duì)稱度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。22ffmTUB222()RfRRsRTKURsX22101012efmBTTTB正正22202012efmBTTTB反反2210201122eeTTTTT正反12fmBB正12fmBB反42T正與T10存在怎樣的聯(lián)系？T反與T20存在怎樣的聯(lián)系？22101012efmBTTTB正正22202012efmBTTTB反反TTT正反222()RdfRRRTKURX堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩理想空載轉(zhuǎn)速43零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性與無(wú)“自