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7.3兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)7.4圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析7.6橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其分析方法7.7幅值控制時(shí)的特性7.8移相方法和控制方式7.10交流伺服電動(dòng)機(jī)的使用7.11主要性能指標(biāo)和技術(shù)數(shù)據(jù)思考題與習(xí)題7.1概述

功率從幾瓦到幾十瓦的交流伺服電動(dòng)機(jī)在小功率隨動(dòng)系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用。交流伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也常被用來作為執(zhí)行元件。

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

由于交流伺服電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中主要作為執(zhí)行元件，自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)它提出的要求主要有下列幾點(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)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)矩應(yīng)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)應(yīng)快速靈敏。7.2交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩大部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(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，如圖7-2所示。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)。圖7-2

7.2.1交流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

轉(zhuǎn)子的常用結(jié)構(gòu)的有鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子。鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7-3所示，它的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組等組成。如果去掉鐵心，整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組形成一鼠籠狀，如圖所示，“鼠籠轉(zhuǎn)子”即由此得名。鼠籠的材料有用銅的，也有用鋁的。圖7-31—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返回圖7-3鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)返回鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組

非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。圖中外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的定子完全一樣，內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成，通常內(nèi)定子不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心，作為電機(jī)磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉(zhuǎn)子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，它的杯壁極薄，一般在0.3mm左右。杯形轉(zhuǎn)子套在內(nèi)定子鐵心外，并通過轉(zhuǎn)軸可以在內(nèi)、外定子之間的氣隙中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)、外定子是不動(dòng)的。

圖7-6

杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子從外表形狀來看是不一樣的。但實(shí)際上，杯形轉(zhuǎn)子可以看作是鼠籠條數(shù)目非常多的、條與條之間彼此緊靠在一起的鼠籠轉(zhuǎn)子，杯形轉(zhuǎn)子的兩端也可看作由短路環(huán)相連接，如圖所示。這樣，杯形轉(zhuǎn)子只是鼠籠轉(zhuǎn)子的一種特殊形式。從實(shí)質(zhì)上看，杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子二者沒有什么差別，在電機(jī)中所起的作用也完全相同。圖

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)返回杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子相似返回

與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。由于它的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，轉(zhuǎn)子一般不會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但是由于它內(nèi)、外定子間氣隙較大(杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙)，所以勵(lì)磁電流就大，降低了電機(jī)的利用率；另外，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝又比較復(fù)雜。因此，目前廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)，只有在要求運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場(chǎng)合下，才采用非磁性杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)。圖7-8電氣原理圖交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，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，如圖7-8所示。無控制信號(hào)（控制電壓）時(shí)，只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)定子控制繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)就會(huì)很快轉(zhuǎn)動(dòng)起來，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。返回

7.2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理7.3兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)假定勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)Nf與控制繞組有效匝數(shù)Nk相等。這種在空間上互差90°電角度，有效匝數(shù)又相等的兩個(gè)繞組稱為對(duì)稱兩相繞組。同時(shí)，又假定通入勵(lì)磁繞組的電流與通入控制繞組的電流相位上彼此相差90°，幅值彼此相等，這樣的兩個(gè)電流稱為兩相對(duì)稱電流，

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)小結(jié)：

(1)

單相繞組通入單相交流電后，所產(chǎn)生的是一個(gè)脈振磁場(chǎng)。

(2)

圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的特點(diǎn)是：它的磁通密度在空間按正弦規(guī)律分布，其幅值不變并以恒定的速度在空間旋轉(zhuǎn)。

(3)

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)；或者說，空間上相夾90°電角度，時(shí)間上彼此有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)。

(5)

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步速，只與電機(jī)極數(shù)和電源頻率有關(guān)，其關(guān)系為

(4)

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向是從電流超前相的繞組軸線轉(zhuǎn)到電流落后相的繞組軸線。把兩相繞組中任意一相繞組上所加的電壓反相，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向。

7.4交流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速n總是低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速ns。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步速之差，也就是轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的相對(duì)速率為

Δn=ns-n

(7-6)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率（7-7）交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速總是低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速，而且隨著負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩值的變化而變化，因此交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱為兩相異步伺服電動(dòng)機(jī)。所謂“異步”，就是指電機(jī)轉(zhuǎn)速與同步速有差異。勵(lì)磁繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子磁繞的感應(yīng)電勢(shì)：

Ef=4.44fWf

kwfΦ

(7-19)

Ek=4.44fWkkwkΦ(7-20)ER=4.44fWR

kwRΦ(7-21)

式中，Wf、Wk、WR分別是各繞組有效匝數(shù)（鼠籠轉(zhuǎn)子繞組的有效匝數(shù)WR=1/2）。

要得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，加在勵(lì)磁繞組和控制繞組上的電壓應(yīng)符合怎樣條件呢?

分兩種情況來說：

(1)

當(dāng)勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)Nf和控制繞組有效匝數(shù)Nk相等，即Nf=Nk時(shí)，定子繞組為對(duì)稱兩相繞組，產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)的定子電流必須是兩相對(duì)稱電流，即兩相電流幅值相等，相位相差90°。7.4.3圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的定子繞組電壓

結(jié)論：當(dāng)兩相繞組匝數(shù)相等時(shí)，為得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要求兩相電壓值相等，相位差成90°，這樣的兩個(gè)電壓稱為兩相對(duì)稱電壓。

(2)

當(dāng)兩相繞組匝數(shù)不等時(shí)，設(shè)Wf

/Wk=k，此時(shí)為得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩相電流幅值不等，且應(yīng)與繞組匝數(shù)成反比，相位仍差90°。

(7-4)

結(jié)論：當(dāng)兩相繞組匝數(shù)不等時(shí)，為得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要求兩相電壓的相位差是90°，其值應(yīng)與匝數(shù)成正比，這樣的兩個(gè)電壓稱為兩相對(duì)稱電壓。

7.4.4轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性1、電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式（7-69）2、機(jī)械特性對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)來說，必須具有下垂的機(jī)械特性，才能保證伺服電動(dòng)機(jī)在整個(gè)運(yùn)行范圍工作的穩(wěn)定。分析機(jī)械特性的穩(wěn)定和不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)？現(xiàn)在來分析圖7-28所示的凸形的機(jī)械特性。機(jī)械特性以峰值為界可分成兩段，即上升段ah和下降段hf。圖7-27不同轉(zhuǎn)子電阻的機(jī)械特性(RR4

＞RR3

＞RR2

＞RR1

)返回圖7-28穩(wěn)定區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域返回

①假定電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)恒定負(fù)載，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩為TL(包括電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩)，這時(shí)電機(jī)在下降段g點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。如果由于某種原因，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩由TL突然增加到T′L，這樣電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就要減速，轉(zhuǎn)差率s就要增大，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也要隨著增大，一直增加到等于T′L，與負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩相平衡為止，這樣電機(jī)在g′點(diǎn)又穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。圖7-28

②如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在特性上升段ah。假定電動(dòng)機(jī)在b點(diǎn)運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩突然增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就要下降。從圖中可以看出，在b點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，如轉(zhuǎn)速下降，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩要減小，造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩更小于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，結(jié)果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一直下降，直到停止為止。如果電機(jī)在b點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，而負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩突然下降，那末電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就要增加，轉(zhuǎn)速增加后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增大，造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩更大于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，結(jié)果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一直上升，直到在穩(wěn)定區(qū)fh運(yùn)轉(zhuǎn)于c點(diǎn)為止。因此電動(dòng)機(jī)在上升段ah，即在從nm到1的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，對(duì)負(fù)載來說運(yùn)轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，叫作不穩(wěn)定區(qū)。

圖7-28

結(jié)論：對(duì)于一般負(fù)載(如恒定負(fù)載)只有在機(jī)械特性下降段，即導(dǎo)數(shù)dTem/dn＜0處才是穩(wěn)定區(qū)，才能穩(wěn)定運(yùn)行。所以，為了使伺服電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速從0~ns的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都保證其工作穩(wěn)定性，它的機(jī)械特性就必須在轉(zhuǎn)速從0~ns的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都是下垂的，如圖7-29所示。顯然，要具有這樣下垂的機(jī)械特性，交流伺服電動(dòng)機(jī)要有足夠大的轉(zhuǎn)子電阻，使臨界轉(zhuǎn)差率sm＞1。

圖7-29圖7-29伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性返回

另外，從圖7-27中幾條曲線形狀的比較還可看出，轉(zhuǎn)子電阻越大，機(jī)械特性越接近直線(如圖中特性3比特性2、1更接近直線)，使用中往往對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性非線性度有一定限制，為了改善機(jī)械特性線性度，也必須提高轉(zhuǎn)子電阻。所以，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)。圖7-27阻尼系數(shù)為了表示伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，常引入阻尼系數(shù)的概念。下垂機(jī)械特性負(fù)的斜率(即)表示了伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部具有一種粘性阻尼的特性，這種阻尼特性通常以阻尼系數(shù)D來量度，用數(shù)學(xué)式表示為阻尼系數(shù)的物理意義阻尼系數(shù)D值越大，即機(jī)械特性上值越大，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響很小，電機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn)。7.6橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其分析方法

交流伺服電動(dòng)機(jī)在圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行情況，稱為電機(jī)處于對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，加在定子兩相繞組上的電壓都是額定值。但這只是交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的一種特殊狀態(tài)，交流伺服電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)中工作時(shí)，為了對(duì)它的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，加在控制繞組上的控制電壓是在變化的，經(jīng)常不等于其額定值，電機(jī)也經(jīng)常處于不對(duì)稱狀態(tài)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中控制電壓經(jīng)常在變化，因此兩相繞組所產(chǎn)生的磁勢(shì)幅值一般是不相等的，即IkNk≠IfNf，這樣代表兩個(gè)脈振磁場(chǎng)的磁通密度向量幅值也不相等，即Bkm

≠Bfm

，而且通入兩個(gè)繞組中的電流在時(shí)間上相位差也不總是90°，這時(shí)在電機(jī)中產(chǎn)生的是橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

橢圓里，長軸為,短軸為，令為橢圓的短長軸之比，則。的值決定了磁場(chǎng)橢圓的程度。隨著值的減小，磁場(chǎng)的橢圓度增大。圖7–33橢圓磁場(chǎng)返回當(dāng)α=1，圖形是個(gè)圓，這時(shí)兩個(gè)繞組所產(chǎn)生的磁通密度向量幅值相等，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；當(dāng)α=0，圖形是條線，這時(shí)控制繞組中的電流為0，電機(jī)是單相運(yùn)行，只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是單相脈振磁場(chǎng)，是橢圓磁場(chǎng)的一種極限情況。

圖7-33

結(jié)論：一個(gè)脈振磁場(chǎng)可用兩個(gè)幅值相等、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來代替，這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通密度向量都等于脈振磁通密度向量幅值之半，轉(zhuǎn)速等于脈振磁通密度變化的頻率f。7.7幅值控制時(shí)的特性

7.7.1有效信號(hào)系數(shù)采用幅值控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)工作時(shí)，勵(lì)磁繞組通常是接在恒值的交流電源上，其值等于額定勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電壓與控制電壓之間固定的保持90o的相位差，而控制電壓的值卻經(jīng)常的變化。實(shí)際使用中，為方便起見，常將控制電壓用其相對(duì)值表示，同時(shí)考慮到控制電壓是表征對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)所施加的控制電信號(hào)，所以稱這個(gè)相對(duì)值為有效信號(hào)系數(shù)，并用表示，即（7-77）式中，為實(shí)際控制電壓；為額定控制電壓，當(dāng)控制電壓在0～

變化時(shí)，有效信號(hào)系數(shù)在0～1變化。不同有效信號(hào)系數(shù)的磁場(chǎng)：注意：采用不但可以表示控制電壓的值，而且也可以表示電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行的程度。與前面的是一樣的！①當(dāng)，氣隙合成磁場(chǎng)是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)處于對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)；②當(dāng)，氣隙合成磁場(chǎng)是一個(gè)脈振磁場(chǎng)，電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)最大；③當(dāng)，氣隙合成磁場(chǎng)是一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)；

結(jié)論：改變控制電壓，即改變的大小，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)不對(duì)稱程度來達(dá)到控制的目的。注意!②單相脈振磁場(chǎng)是橢圓形磁場(chǎng)的特殊情況，可分解為兩幅值相等，轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。①橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可分解為兩幅值不等，轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；

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

對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)，還有一條很重要的機(jī)械特性，即零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性。所謂“零信號(hào)”，就是控制電壓為0，磁場(chǎng)為脈振磁場(chǎng)。圖7-44零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻的關(guān)系：①轉(zhuǎn)子電阻RR=RR1較小時(shí)，在電機(jī)工作的轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，即時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩T絕大部分是正的。如果伺服電動(dòng)機(jī)在控制電壓作用下工作，突然切去控制電信號(hào)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)，這就產(chǎn)生了自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成失控。(a)②轉(zhuǎn)子電阻RR=RR2>RR1時(shí)。此時(shí)轉(zhuǎn)子電阻有所增加，臨界轉(zhuǎn)差率增加到，合成轉(zhuǎn)矩減小的多，但仍產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。(b)③轉(zhuǎn)子電阻增大到的程度。這時(shí)合成轉(zhuǎn)矩在電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)為負(fù)值，即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因而當(dāng)控制電壓取消變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行時(shí)，電機(jī)立刻產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩一起促使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn)，不會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。(c)

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。所謂無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，就是當(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)。所以為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，交流伺服電動(dòng)機(jī)零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性必須如圖4-44所示，顯然這也就要求有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)子電阻。圖7-44圖7-44sm>1自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻關(guān)系返回工藝性自轉(zhuǎn)：除了由于轉(zhuǎn)子不夠大而引起的自轉(zhuǎn)外，還存在一種工藝性自轉(zhuǎn)。這種自轉(zhuǎn)是由于定子繞組有匝間短路，鐵心有片間短路，或者各向磁導(dǎo)不均等工藝上的原因所引起的當(dāng)取消電信號(hào)時(shí)，本應(yīng)是脈振磁場(chǎng)，但這時(shí)卻成了微弱的橢圓磁場(chǎng)，在橢圓磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子也會(huì)自轉(zhuǎn)起來。工藝性自轉(zhuǎn)多半發(fā)生在功率極小（十分之幾瓦至數(shù)瓦）的伺服電動(dòng)機(jī)中，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性極小，在很小的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下就能轉(zhuǎn)動(dòng)。

7.7.4轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性對(duì)伺服電機(jī)關(guān)心的是轉(zhuǎn)速與控制電信號(hào)的關(guān)系，往往采用所謂“調(diào)節(jié)特性”表示。調(diào)節(jié)特性就是表示當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定的情況下，轉(zhuǎn)速與有效信號(hào)系數(shù)的變化關(guān)系。7.8移相方法和控制方式

為了在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)沒要求勵(lì)磁電壓和控制電壓之間應(yīng)有900的相位差。但是實(shí)際工作中經(jīng)常是單相或三相電源。需要設(shè)法使現(xiàn)有電源改變成具有900相移的兩相電源，滿足交流伺服電動(dòng)機(jī)的需要。問題提出

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。采用電源移相時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)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定地保持為90°。這種控制方式常稱為幅值控制。

1、利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90°的移相①三相電源如有中點(diǎn)，取一相電壓如加到控制繞組上，另外兩相的線電壓如供給勵(lì)磁繞組；②三相電源如無中點(diǎn)，這時(shí)可接一個(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900相移的兩相電壓；③也可采用一個(gè)具有中間抽頭的帶鐵心的電抗線圈(或變壓器繞組)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，如果它的中間抽頭為D點(diǎn)，那么與兩個(gè)電壓的相位差正好是900。(1)(2)(3)

三相電源三個(gè)線電壓的相位互差120°，有時(shí)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(如自整角機(jī)，伺服放大器等)的相位移，這時(shí)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。2、利用三相電源的任意兩相線電壓

在系統(tǒng)的控制線路中，為了使伺服電動(dòng)機(jī)的控制電壓與勵(lì)磁電壓成90°的相移，往往采用移相網(wǎng)絡(luò)，如圖7-52所示。這時(shí)把線路上恒定的單相交流電源作為基準(zhǔn)電壓供給系統(tǒng)中的各個(gè)元件(如圖中的自整角機(jī)及交流伺服電動(dòng)機(jī))，由敏感元件(如自整角變壓器)輸出的偏差信號(hào)經(jīng)過電子移相網(wǎng)絡(luò)再輸入到交流放大器中去，這樣通過移相網(wǎng)絡(luò)移相，再加上敏感元件和放大器的相移，在交流放大器輸出端就能得到與系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓成90°相移的控制電壓。

3、采用移相網(wǎng)絡(luò)圖7-52采用電子移相網(wǎng)絡(luò)的伺服系統(tǒng)

這種移相方法只要在交流伺服電動(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，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。4、在勵(lì)磁相中串聯(lián)電容器圖7-53電容伺服電動(dòng)機(jī)控制線路圖

7.10交流伺服電動(dòng)機(jī)的使用

7.10.1控制繞組與放大器的連接控制繞組與放大器的輸出端直接相連，因此控制相電路就成為放大器的直接負(fù)擔(dān)，伺服電動(dòng)機(jī)所需的控制電流和控制功率都是放大器供給的。為減少放大器的負(fù)擔(dān)，以便縮小放大器的體積和重量，簡化放大器的結(jié)構(gòu)，就必須盡可能減少要求它提供的控制電流和功率。問題提出實(shí)驗(yàn)方法確定補(bǔ)償電容值在控制繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)可變電容，讓電容由小到大逐漸增加，觀察總電流，當(dāng)電流表指示最小時(shí)，此時(shí)的電容值即為所需的電容值。措施為了減少放大器的負(fù)擔(dān)，可以在控制繞組兩端并聯(lián)電容Ck來補(bǔ)償無功電流，提高控制相的功率因數(shù)。補(bǔ)償電容在控制電壓最大時(shí)取，這時(shí)放大器負(fù)擔(dān)最重。電容值如果選擇得當(dāng)，可使控制相電路發(fā)生并聯(lián)諧振，功率因數(shù)接近1，放大器只需輸出有功電流。

7.10.2電機(jī)的輸入阻抗問題提出控制相電路是放大器的直接負(fù)載，存在阻抗匹配的問題。交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸入阻抗為Z=Uk/Ik，隨轉(zhuǎn)速n的升高而變大。從最大功率傳遞角度考慮，應(yīng)使放大器阻抗與控制繞組的輸入阻抗匹配，由于Z不是固定值，想任何時(shí)候獲得阻抗匹配是不可能的。伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在小控制電壓和低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下工作，在零轉(zhuǎn)速(即電動(dòng)機(jī)啟動(dòng))時(shí)，輸入阻抗是與控制電壓無關(guān)的一個(gè)確定值。因此，強(qiáng)調(diào)功率匹配，一般也只是考慮在轉(zhuǎn)速為0時(shí)實(shí)現(xiàn)。

7.10.3放大器內(nèi)阻抗對(duì)機(jī)械特性的影響問題提出交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制功率由放大器供給時(shí)，放大器可以看成具有一定內(nèi)阻抗的交流電源。放大器與控制相電路的等值電路如圖7-69。圖7-69等值電路圖結(jié)論：放大器內(nèi)阻對(duì)加在控制繞組上的電壓有影響，進(jìn)而影響電機(jī)機(jī)械特性?？刂评@組上電壓措施減少放大器內(nèi)阻抗有效方法是在放大器末級(jí)（功率級(jí)）加電壓負(fù)反饋。

7.10.4單相自轉(zhuǎn)

無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象是控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求之一，一臺(tái)正常合格的交流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有無自轉(zhuǎn)性能。

自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與控制電信號(hào)取消時(shí)控制相電路的情況及放大器內(nèi)阻抗的值有關(guān)。試驗(yàn)與理論分析的一些經(jīng)驗(yàn)：①控制繞組兩端直接短接，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)來說是最容易實(shí)現(xiàn)無自轉(zhuǎn)的，這是最起碼的無自轉(zhuǎn)條件；②若伺服電機(jī)能在控制繞組斷開的情況下實(shí)現(xiàn)不自轉(zhuǎn)，則一定能實(shí)現(xiàn)當(dāng)控制繞組兩端直接或通過純電阻或通過電感性阻抗短接時(shí)不自轉(zhuǎn)，但不一定能實(shí)現(xiàn)通過電容性阻抗短接情況下不自轉(zhuǎn)；③控制繞組兩端通過電容器短接不自轉(zhuǎn)的要求，是最苛刻的條件。注意：選用產(chǎn)品時(shí)應(yīng)明確單相無自轉(zhuǎn)要求的實(shí)現(xiàn)條件。實(shí)際使用中，對(duì)于已選定的某一伺服電動(dòng)機(jī)，自轉(zhuǎn)現(xiàn)象還與放大器的內(nèi)阻抗大小有關(guān)。當(dāng)控制電信號(hào)取消后，放大器內(nèi)阻抗越大控制相電路越接近開路（或通過電容器短接），電機(jī)就容易自轉(zhuǎn)。理論分析表明：為消除自轉(zhuǎn)，必須使放大器輸出阻抗小于從控制繞組端看入的轉(zhuǎn)子等效電阻。放大器內(nèi)阻抗對(duì)自轉(zhuǎn)的影響：

7.10.5發(fā)熱和溫升問題提出交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻做的相當(dāng)大，而且它經(jīng)常運(yùn)行在低速段（轉(zhuǎn)差率為0.4~1之間）和不對(duì)稱狀態(tài)下，這樣就使這種電機(jī)比一般電機(jī)損耗大，發(fā)熱多，效率低。改善散熱的方法：①電機(jī)最好裝面積足夠大金屬支架上，電機(jī)與支架應(yīng)緊密接觸，更不要墊傳熱不良的物質(zhì)；電機(jī)連同支架要通風(fēng)良好，必要時(shí)可用風(fēng)扇，甚至用水冷卻；②幾臺(tái)電機(jī)之間，以及電機(jī)與其他發(fā)熱件如變壓器、功率管等之間要盡量隔開。

7.10.6控制電壓中正交分量和高次諧波分量的影響實(shí)際使用時(shí)，控制繞組輸入端，除了控制電壓外，還常夾雜一些對(duì)控制無用的信號(hào)，即干擾信號(hào)。1、正交分量：①如果控制電壓與勵(lì)磁電壓相位差為90o，當(dāng)控制電壓取消時(shí)，與相移為180o或0o。電機(jī)中磁場(chǎng)為脈振磁場(chǎng)，電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是產(chǎn)生附加鐵耗和銅耗；正交分量是與控制電壓成90o相移的電壓分量。

②如果與相移不成90o，正交分量對(duì)電機(jī)的影響更大，與產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使伺服電動(dòng)機(jī)誤動(dòng)作，產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。1、高次諧波分量：由于敏感元件和伺服放大器等非線性，會(huì)帶來高于電源頻率的高頻電壓，即高次諧波分量。為削弱高次諧波分量的影響，可在控制繞組兩端并聯(lián)電容，此電容既可提高控制相功率因數(shù)，又可起濾波作用。

7.11主要性能指標(biāo)和技術(shù)數(shù)據(jù)

7.11.1主要性能指標(biāo)

1.空載始動(dòng)電壓Us0

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

，通過以額定控制電壓的百分比來表示。Us0越小，表示伺服電動(dòng)機(jī)的靈敏度越高。一般Us0

要求不大于額定控制電壓的3%~4%；使用于精密儀器儀表中的兩相伺服電動(dòng)機(jī)，有時(shí)要求不大于額定控制電壓的1%。

2.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)械特性與線性機(jī)械特性在轉(zhuǎn)矩T=Td/2時(shí)的轉(zhuǎn)速偏差Δn與空載轉(zhuǎn)速n0(對(duì)稱狀態(tài)時(shí))之比的百分?jǐn)?shù)，定義為機(jī)械特性非線性度，即如圖7-74所示。

3.調(diào)節(jié)特性非線性度kv

在額定勵(lì)磁電壓和空載情況下，當(dāng)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Δn與αe=1時(shí)的空載轉(zhuǎn)速n0之比的百分?jǐn)?shù)定義為調(diào)節(jié)特性非線性度，即如圖7-75所示。圖7-74機(jī)械特性的非線性度圖7-75調(diào)節(jié)特性的非線性度

4.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)特性的最大轉(zhuǎn)矩偏差(ΔTdn

)max

與αe=1時(shí)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Td0

之比值的百分?jǐn)?shù)，定義為堵轉(zhuǎn)特性非線性度，即如圖7-76所示。以上這幾種特性的非線性度越小，特性曲線越接近直線，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差就越小，工作就越準(zhǔn)確，一般要求km≤10%~20%，

kv≤20%~25%，kd≤±5%。圖7-76堵轉(zhuǎn)特性的非線性度圖7-77不同信號(hào)系數(shù)αe時(shí)的機(jī)械特性

5.機(jī)電時(shí)間常數(shù)τj

當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻相當(dāng)大時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性接近于直線。如果把αe=1時(shí)的機(jī)械特性近似地用一條直線來代替，如圖7-77中虛線所示，那末與這條線性機(jī)械特性相對(duì)應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)就與直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)表達(dá)式相同，即(7-107)因而隨著αe的減少，相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)也隨著增大，即

τj＜τ′j＜τ″j

還可以很方便地得出機(jī)電時(shí)間常數(shù)與有效信號(hào)系數(shù)αe的關(guān)系式。若機(jī)械特性近似地可看作為直線(即令圖7-49中的H=0)，由式(7-91)可得有效信號(hào)系數(shù)為αe時(shí)的理論空載轉(zhuǎn)速(7-108)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

Td=αeTd0(7-109)

將式(7-108)和(7-109)代入式(7-107)，即可得出時(shí)間常數(shù)與有效信號(hào)系數(shù)的關(guān)系式為(7-110)7.11.2主要技術(shù)數(shù)據(jù)

1.型號(hào)說明例如：

2.電壓技術(shù)數(shù)據(jù)表中勵(lì)磁電壓和控制電壓指的都是額定值。勵(lì)磁繞組的額定電壓一般允許變動(dòng)范圍為±5%左右。電壓太高，電機(jī)會(huì)發(fā)熱；電壓太低，電機(jī)的性能將變壞，如堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和輸出功率會(huì)明顯下降，加速時(shí)間增長等。當(dāng)電機(jī)作為電容伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，應(yīng)注意到勵(lì)磁繞組兩端電壓會(huì)高于電源電壓，而且隨轉(zhuǎn)速升高而增大，其值如果超過額定值太多，會(huì)使電機(jī)過熱?？刂评@組的額定電壓有時(shí)也稱最大控制電壓，在幅值控制條件下加上這個(gè)電壓就能得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

3.頻率目前控制電機(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)。因?yàn)轭l率越高，渦流損耗越大，所以中頻電機(jī)的鐵心用較薄的(0.2mm以下)硅鋼片疊成，以減少渦流損耗；低頻電機(jī)則用0.35~0.5mm的硅鋼片。低頻電機(jī)不應(yīng)該用中頻電源，中頻電機(jī)也不應(yīng)該用低頻電源，否則電機(jī)性能會(huì)變差。在不得已時(shí)，低頻電源之間或者中頻電源之間可以互相代替使用，但要隨頻率正比地改變電壓，而保持電流仍為額定值，這樣，電機(jī)發(fā)熱可以基本上不變。例如一臺(tái)500Hz、110V的電機(jī)，如果用在400Hz時(shí)，那末加到電機(jī)上的電壓就應(yīng)改成110×400/500=88V。不過一般來說，改成代用頻率之后，電機(jī)特性總要略差一些。

4.堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)電流定子兩相繞組加上額定電壓，轉(zhuǎn)速等于0時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。這時(shí)流經(jīng)勵(lì)磁繞組和控制繞組的電流分別稱堵轉(zhuǎn)勵(lì)磁電流和堵轉(zhuǎn)控制電流。堵轉(zhuǎn)電流通常是電流的最大值，可作為設(shè)計(jì)電源和放大器的依據(jù)。圖7–78伺服電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài)

5.空載轉(zhuǎn)速定子兩相繞組加上額定電壓，電機(jī)不帶任何負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為空載轉(zhuǎn)速n0?？蛰d轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極數(shù)有關(guān)。由于電機(jī)本身阻轉(zhuǎn)矩的影響，空載轉(zhuǎn)速略低于同步速。

6.額定輸出功率當(dāng)電機(jī)處于對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，輸出功率P2隨轉(zhuǎn)速n變化的情況如圖7-78所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近空載轉(zhuǎn)速n0的一半時(shí)，輸出功率最大。通常就把這點(diǎn)規(guī)定為交流伺服電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài)。電機(jī)可以在這個(gè)狀態(tài)下長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不過熱。這個(gè)最大的輸出功率就是電機(jī)的額定功率P2n

，對(duì)應(yīng)這個(gè)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)矩Tn和額定轉(zhuǎn)速nn。

思考題與習(xí)題

1.單相繞組通入直流電、交流電及兩相繞組通入兩相交流電各形成什么磁場(chǎng)?它們的氣隙磁通密度在空間怎樣分布，在時(shí)間上又怎樣變化?2.何為對(duì)稱狀態(tài)?何為非對(duì)稱狀態(tài)?交流伺服電動(dòng)機(jī)在通常運(yùn)行時(shí)是怎樣的磁場(chǎng)?兩相繞組通上相位相同的交流電流能否形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?

3.當(dāng)兩相繞組匝數(shù)相等和不相等時(shí)，加在兩相繞組上的電壓及電流應(yīng)符合怎樣條件才能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?4.改變交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法有哪些?為什么能改變?5.什么叫作同步速”如何決定?假如電源頻率為60H