交流伺服電動(dòng)機(jī)

第5章

交流伺服電動(dòng)機(jī)華北電力大學(xué)5.1交流伺服電動(dòng)機(jī)的概述5.2交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理第5章交流伺服電動(dòng)機(jī)5.3兩項(xiàng)交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)5.4交流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行5.5交流伺服電動(dòng)機(jī)在橢圓形磁場(chǎng)下的運(yùn)行5.6幅值控制的特性5.7交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)本章主要內(nèi)容及要求：主要內(nèi)容：兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性。脈振磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基本概念及產(chǎn)生原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理轉(zhuǎn)差于電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系及產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的原因和消除自傳的條件交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理※※※要求：掌握單向繞組的脈振磁場(chǎng)的性質(zhì)和兩相交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的性質(zhì)。掌握交流伺服電動(dòng)機(jī)在圓形和橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下運(yùn)行情況的機(jī)械特性和控制特性。5.1概述交流伺服電動(dòng)機(jī)通常是指兩相異步電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，把輸入的電壓信號(hào)變換成轉(zhuǎn)軸的角速度輸出。輸入的電壓信號(hào)又稱為控制信號(hào)或者控制電壓，當(dāng)控制電壓的相位改變180°時(shí)，交流伺服機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)反轉(zhuǎn)，當(dāng)改變控制電壓的大小時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)隨著改變轉(zhuǎn)速。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)的要求主要有以下幾點(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)接近線性關(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)，即電動(dòng)機(jī)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；4、控制功率要小，啟動(dòng)力矩應(yīng)大；5、機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，啟動(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。交流伺服發(fā)電機(jī)的應(yīng)用：1、物料計(jì)量,一般為粉狀物料的計(jì)量2、橫封裝置在制袋式自動(dòng)包裝機(jī)械中，橫封裝置是一個(gè)重要的機(jī)構(gòu)，它不僅要求定位準(zhǔn)確，還要求橫向封臺(tái)時(shí)橫封輪的線速度與薄膜供送的速度相等，而且在橫封輪對(duì)滾后，橫封輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)增大，即以較快的速度相分離。3供送物料位置指令

閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)器速度檢測(cè)+—實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋功率驅(qū)動(dòng)位置檢測(cè)—+伺服電機(jī)5.2交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子鐵心上裝有兩個(gè)繞組，一個(gè)作勵(lì)磁用，稱為勵(lì)磁繞組j1~j2；另一個(gè)稱為控制繞組k1~k2；兩個(gè)繞組的軸線互相垂直，在空間上相隔90°。因此，交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。Uk~Uj~j1j2k1k2一、結(jié)構(gòu)兩相集中繞組分布示意圖

交流伺服電動(dòng)機(jī)定子鐵心和下好線的定子

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)常用的有鼠籠形轉(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)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來將軸壓入軸孔內(nèi)。鐵心的每一槽中放有一根導(dǎo)條，所有導(dǎo)條兩端用兩個(gè)短路環(huán)連接，這就構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組。如果去掉鐵心，整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組形成一鼠籠狀，“鼠籠轉(zhuǎn)子”即由此得名。鼠籠的材料有用銅的，也有用鋁的，為了制造方便，一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把鐵心疊壓后放在模子內(nèi)用鋁澆鑄，把鼠籠導(dǎo)條與短路環(huán)鑄成一體。鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。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。杯形轉(zhuǎn)子圖

1—杯形轉(zhuǎn)子；2—外定子；

3—內(nèi)定子；4—機(jī)殼；5—端蓋杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)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，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，二者沒有什么差別，在電機(jī)中所起的作用也完全相同。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，所以定、轉(zhuǎn)子間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩不會(huì)隨轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內(nèi)，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和輸出功率都?。涣硗?，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(如積分電路等)，才采用非磁性杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)。各種交流伺服電動(dòng)機(jī)圖片

伺服電動(dòng)機(jī)工作原理二、工作原理鼠籠轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向鼠籠轉(zhuǎn)子(或者是非磁性杯形轉(zhuǎn)子)之所以會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，是由于在空間中有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流再與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相同，于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是交流伺服電動(dòng)機(jī)的簡單工作原理。5.3兩相交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一、單相繞組的脈振磁場(chǎng)所謂單相繞組的脈振磁場(chǎng)，就是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)繞組通入交流電流i時(shí)，在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。余弦電流通過線圈時(shí)的定子磁通勢(shì)在氣隙中，空間按余弦分布曲線。幅值在線圈的軸線上，其大小隨時(shí)間按余弦規(guī)律脈振，其軸線在空間保持固定位置。這種磁通勢(shì)稱為脈振磁通勢(shì)（物理學(xué)上稱為駐波）。脈振磁通勢(shì)的頻率與交流電流的頻率相同。它所建立的磁場(chǎng)，稱為脈振磁場(chǎng)。故脈振磁場(chǎng)的表達(dá)式為F1=Fmcosαcosωt兩相對(duì)稱電流

二、兩相繞組的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為了分析方便，先假定勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)Wf與控制繞組有效匝數(shù)Wk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，用數(shù)學(xué)式表示為ik=Ikmcosωtif=Ifmcos(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

兩相繞組產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

(a)wt1=0;(b)wt2=90;(c)wt3=180;(d)wt4=270圖解法求兩相繞組合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

ik=Ikmcosωtif=Ifmcos(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

兩相繞組產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(a)wt1=0;(b)wt2=90;(c)wt3=180;(d)wt4=270對(duì)控制繞組：Fk=Fkmcos(wt

)*cos(a)對(duì)勵(lì)磁繞組：Ff=Ffmcos(wt-90)*cos(a-90)可得：F=Fk+Ff

當(dāng)Fkm=Ffm=Fm時(shí)F=Fmcos(a-wt)

綜上所述，可以這樣認(rèn)為：在兩相系統(tǒng)里，如果有兩個(gè)脈振磁通密度，它們的軸線在空間相夾90°電角度，脈振的時(shí)間相位差為90°，其脈振的幅值又相等，那么這樣兩個(gè)脈振磁場(chǎng)的合成必然是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。三、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于定子繞組極對(duì)數(shù)和電源的頻率。下圖所表示的是一臺(tái)兩極的電機(jī)，即極對(duì)數(shù)p=1(見下圖)。對(duì)兩極電機(jī)而言，電流每變化一個(gè)周期，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一圈(見下圖)，因而當(dāng)電源頻率f=400Hz，即每秒變化400個(gè)周時(shí)，磁場(chǎng)每秒應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)400圈，故對(duì)兩極電機(jī)，即p=1而言，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為ns=60f=400*60=24000r/min當(dāng)電源頻率f=50Hz時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為ns=60f=50*60=3000r/min

四極電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(a)t=t1;(b)t=t2;(c)t=t3;(d)t=t4P=2即2P=4時(shí)首端尾端圖解法求合成磁場(chǎng)（四極電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）控制繞組勵(lì)磁繞組首端尾端繞組軸線（右手）從以上分析可知，當(dāng)控制電流從正的最大值經(jīng)過一個(gè)周期又回到正的最大值，即電流變化一個(gè)周期時(shí)，磁場(chǎng)只轉(zhuǎn)過半圈4*45°=180°。因此，如果電源頻率f=50Hz，即電流每秒變化50周時(shí)，磁場(chǎng)每秒只轉(zhuǎn)過25圈，也就是說，對(duì)四極電機(jī)，即極對(duì)數(shù)p=2而言，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為ns=60f/2=1500(r/min)當(dāng)知道兩極電機(jī)p=1，ns=60f；四極電機(jī)p=2,ns=60f/2以后，就可推論出對(duì)于極對(duì)數(shù)為p的電機(jī)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的一般表達(dá)式為

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.當(dāng)頻率固定不變時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ns反比于極對(duì)數(shù)p，極數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越低，

p與ns之間的數(shù)值關(guān)系如下表所示。下面把這一節(jié)中關(guān)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的主要內(nèi)容作簡單小結(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)。

p與ns的數(shù)值關(guān)系(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)。(4)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向是從超前相的繞組軸線(此繞組中流有相位上超前的電流)轉(zhuǎn)到落后相的繞組軸線。把兩相繞組中任意一相繞組上所加的電壓反相(即