第7章交流伺服电动机

第7章交流伺服电动机7.1概述7.2交流伺服电动机结构特点和工作原理7.7幅值控制时的特性7.8移相方法和控制方式7.9电容伺服电动机的特性7.1概述

交流伺服电动机在小功率随动系统中得到非常广泛的应用，功率从几瓦到几十瓦。在自动控制系统中作为执行元件。如图7-1所示，伺服电动机的轴上带有被控制的机械负载(由于电动机转速较高，一般均通过减速齿轮再与负载相连接)，在电机绕组的两端施加控制电信号Uk。将控制电信号快速地转换为转轴的转动。1—交流伺服电动机2—减速齿轮3—机械负载轴图7-1交流伺服电动机的功用图5-3雷达俯仰角自动显示系统原理图

典型用途：如图5-3所示，雷达俯仰角自动显示系统的自整角伺服系统示意图。

交流伺服电动机作为执行元件，驱动自整角变压器转子和负载转动。自整角机可分为：力矩式和控制式两大类。

控制式自整角机的作用：作为角度和位置的检测元件，将机械角度转换为电信号或将角度的数字量转变为电压模拟量，而且精度较高，误差范围仅有3′～14′，用于精密的闭环控制的伺服系统中。

力矩式自整角机的作用是直接达到转角随动的目的，即将机械角度变换为力矩输出。但无力矩放大作用，接收误差稍大，负载能力较差，其静态误差范围为0.5°～2°。因此，力矩式自整角机只适用于轻负载转矩及精度要求不太高的开环控制的伺服系统里。

雷达天线的俯仰角α就是自整角发送机“ZKF”轴的转角，自整角变压器“ZKB”轴的转角就是刻度盘的读数β。伺服电动机带动负载（刻度盘）和自整角变压器转子转动是受到控制的，当雷达转轴位置α(称为主令位置)改变时，由于负载位置β≠α，自整角变压器转子绕组输出交变电势，就有电压输出，通过放大器，伺服电动机接受到控制电信号Uk，就带动负载和自整角变压器转动，直至α=β，γ=0。

所以，伺服电动机直接地受电信号Uk的控制，间接地受主令位置α的控制。伺服电动机的转动总是使β接近α，直至β=α，使负载和主令位置处于协调。

自动控制系统对交流伺服电动机的要求：

(1)转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大；

(2)整个运行范围内的特性应具有线性关系，保证运行的稳定性；

(3)当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，也就是要求伺服电动机无“自转”现象；

(4)控制功率要小，启动转矩要大；

(5)机电时间常数要小，始动电压要低。当控制信号变化时，反应快速灵敏。

7.2交流伺服电动机结构特点和工作原理

7.2.1结构特点结构主要分为两大部分：定子部分和转子部分。定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90°电角度的两相绕组。其中l1-l2称为励磁绕组，k1-k2称为控制绕组，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。

1—定子绕组2—定子铁心3—鼠笼转子图7–2两相绕组分布图

转子结构两种：

1、非磁性空心杯形

2、鼠笼式

图7–3鼠笼形转子交流伺服电动机图7-4转子冲片

图7-5鼠笼式转子绕组

1—杯形转子2—外定子3—内定子4—机壳5—端盖图7-6杯形转子伺服电动机

图7–7杯形转子与鼠笼转子相似

非磁性空心杯转子特点:

细长的转子，空心杯的杯壁极薄，一般在0.3mm左右。材料：高电阻率的硅锰青铜或锡锌青铜。与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子优点：

1、转子惯量小，轴承摩擦阻转矩小，灵敏度高，精度较高。

2、由于它的转子没有齿和槽，没有抖动现象，力矩波动小，低速运转平稳，噪音很小。

3、损耗小，效率高。因转子中无磁滞和涡流造成的铁耗，所以效率可达80%或更高。

4、换向性能好，寿命长。由于杯形转子无铁心，换向元件电感很小，几乎不产生火花，换向性能好，因此大大提高了电机的使用寿命。缺点：由于内、外定子间气隙较大，励磁电流较大，功率因素减小了，降低了电机的利用率。

7.2.2工作原理交流伺服电动机的励磁绕组两端施加恒定的励磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机就会将电信号转换成转轴的机械转角转动起来。图7-8电气原理图

图7-9伺服电动机工作原理图7-10鼠笼转子的转向一、椭圆形旋转磁场的产生定子两相绕组，励磁绕组和控制绕组在空间上互90°电角度，励磁绕组的电流与控制绕组的电流相位上相差90°，幅值彼此相等，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组。用数学式表示为

ik=Ikmsin

ωt

if=Ifmsin(ωt-90°)Ifm=Ikm=Im

图7-11两相对称电流

图7-13旋转磁场示意图

二、旋转磁场的转向伺服电动机的转子是随着旋转磁场转动的，即旋转磁场的转向决定了电机的转向。旋转磁场的转向是从流过超前电流的绕组轴线转向流过滞后电流的绕组轴线。若控制电流ik超前励磁电流if，旋转磁场从控制绕组轴线转到励磁绕组轴线，即按顺时针的方向转动的，如图7-15所示。

***如何改变交流伺服电动机的转向？当任意一个绕组上所加的电压反相时(不能两相同时反相)，则流过该绕组的电流也反相，即原来是超前电流的就变成滞后电流，因而旋转磁场转向改变，变成反时针方向，电机的转向也改变了，如图7-17所示。

图7-15旋转磁场转向图7-16一相电压倒相后的绕组电流波形图7-17旋转磁场转向的改变

三、小结

(1)单相绕组通入单相交流电后，产生脉振磁场。

(2)两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆形旋转磁场；即空间上相差90°电角度，时间上90°相位差，幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。

(3)旋转磁场的转向是从超前相的绕组轴线转到滞后相的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组上所加的电压反相(即相位改变180°)，就可以改变旋转磁场的转向。(4)旋转磁场的转速称为同步速n1，只与电机极数和电源频率（交流伺服电动机使用的电源频率通常是标准频率f=400Hz或50Hz）有关，其关系为7.7幅值控制时的特性

7.7.1有效信号系数αe

采用幅值控制的交流伺服电动机励磁绕组通常是接在恒值的交流电源上，等于额定励磁电压，励磁电压与控制电压之间保持90°的相位差，而控制电压的值是变化的。有效信号系数αe式中，Uk为实际控制电压；Ukn为额定控制电压，当控制电压Uk在0~Ukn变化时，有效信号系数αe在0~1变化。

7.7.2不同有效信号系数时的机械特性

根据对椭圆形旋转磁场的分析，可作出交流伺服电动机不同有效信号系数时的机械特性。当αe=1时，气隙磁场是圆形旋转磁场；当αe≠1时，气隙磁场是椭圆形旋转磁场。改变控制电压，即改变αe的大小，也就改变了电机不对称程度，所以两相交流伺服电动机是靠改变电机运行的不对称程度来达到控制的目的。图7-42机械特性曲线族

7.7.3零信号时的机械特性和无“自转”现象

零信号时的机械特性就是控制电压Uk=0或αe=0时的机械特性。当αe=0时，磁场是脉振磁场，可以分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场，如图7-43所示。如果伺服电动机在控制电压Uk作用下运行时，突然除去控制电信号，即Uk=0时，只要阻转矩小于单相运行时的最大转矩，电动机仍将在转矩T作用下继续旋转。这样就产生了自转现象，造成失控。图7-43脉振磁场的作用图7-44零信号时的机械特性图7-45自转现象与转子电阻值的关系(1)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

图7-45自转现象与转子电阻值的关系(2)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

图7-45自转现象与转子电阻值的关系(3)(a)RR=RR1

；(b)RR=RR2

＞RR1

；

(c)RR=RR3

＞RR2

图7-45(c)对应于转子电阻已增大到使临界转差率sm正

＞1的程度。这时合成转矩曲线与横轴相交仅有一点(s=1处)，而且在电机运行范围内，合成转矩均为负值，即为制动转矩。因而当控制电压Uk取消变为单相运行时，电机就立刻产生制动转矩，与负载阻转矩一起促使电机迅速停转，这样就不会产生自转现象。在这种情况下，停转时间甚至比两相绕组的电压Uk和Uf同时取消时还快些。

无自转现象是自动控制系统对交流伺服电动机的基本要求之一。即当控制电压一旦取消时(即Uk=0时)，伺服电动机应立即停转。为了消除自转现象，交流伺服电动机零信号时的机械特性必须处于第二和第四象限，如图7-44所示，这就要求有相当大的转子电阻，使临界转差率sm正

＞1。图7-46转速的控制图7-47调节特性7.8移相方法和控制方式

1.利用三相电源的相电压和线电压构成90°的移相

2.利用三相电源的任意两相线电压三相电源三个线电压的相位互差120°，直接取任意两相线电压使用，若加上系统中其它元件(如自整角机，伺服放大器等)的相位移，加到伺服电动机定子绕组上的两个电压能接近90°的相位差。

3.采用移相网络图7–50相电压和线电压的相移

图7-51三相电源变换成两相电源(a)利用三相变压器；(b)利用带中间抽头的电抗线圈图7-52采用电子移相网络的伺服系统

以上三种移相方法是直接将电源移相或通过移相网络使励磁电压和控制电压之间有一固定的90°相移，这些移相方法通称为电源移相。只是通过改变控制电压的值来控制转速的，而定子绕组上两电压的相位差恒保持为90°。这种控制方式常称为幅值控制。

图7-53电容伺服电动机控制线路图

4.在励磁相中串联电容器在交流伺服电动机的励磁相电路中串联(或串、并联)上一定的电容C（移相电容），在放大器之前就不需要再引入电子移相网络了，其控制线路如图7-53所示。图7-56用示波器选择电容

图7-57串并联电容移相

7.9电容伺服电动机的特性

7.9.2机械特性和调节特性电容伺服电动机的励磁绕组是通过串联电容接在恒定的交流电源上。当电机转动时，磁场从圆形磁场改变为椭圆磁场；转速不同，磁场椭圆度就不同；转速变化时励磁电压的值和相位都要随着变化。

明显看出，电容伺服电动机的特性比幅值控制时的特性非线性更为严重，由于励磁绕组端电压随转速增加而升高，磁场的椭圆度也随着增大。由于反向旋转磁场的阻转矩作用在高速段要比低速段更为显著，机械特性在低速段随着转速的增加转矩下降得很慢；而在高速段，转矩下降得很快，从而使机械特性在低速段出现鼓包现象(即机械特性负的斜率值降低)。就会使电机在低速段的阻尼系数下降，因而影响电机运行的稳定性。