机器人驱动及控制 课件 第4章 机器人交流伺服电动机驱动及控制

机器人驱动及控制第4章机器人交流伺服电动机驱动及控制●学习目标掌握两相交流感应伺服电机工作原理掌握圆/椭圆旋转磁场产生机理及运行分析掌握两相交流伺服电机控制方法静态特性掌握永磁式同步电动机工作原理掌握反应式同步电机工作原理振荡机理掌握反应/励磁减速同步电机工作原理了解交流伺服电动机在焊接机器人中应用01020304050607

传统交流伺服电动机指两相感应伺服电动机，受性能限制，主要应用于几十瓦以下的小功率场合，因没有换向器，构造简单、工作可靠、维护容易、效率较高和价格便宜以及不需整流电源设备等优点，因此，在机器人驱动系统中应用非常广泛。

与直流伺服电动机一样，交流伺服电动机在驱动系统中也常被用来作为将控制电压信号快速转换为转轴旋转驱动负载的执行元件。4.1两相交流感应伺服电动机结构

两相交流感应伺服电机结构由定子和转子组成。定子铁心中放置多相励磁绕组，转子绕组为自行闭合的多相对称绕组。

运行时定子绕组通入交流电，产生旋转磁场，在闭合的转子绕组中感应出电动势，产生转子电流，转子电流与磁场相互作用产生电磁转矩。

定子为空间互成90°电角度的两相绕组。一相为励磁绕组（l1-l2）接交流电压Uf，另一相为控制绕组（k1-k2）施加与Uf

同频、大小或相位可调的交流电压Uc，通过Uc控制电机的启、停及变速。

励磁电压Uf固定，控制电压Uc

变化，两相绕组中的电流不对称，电机中气隙磁场是椭圆形旋转磁场。4.1.1概述

2025/2/114.1两相交流感应伺服电动机结构

自动控制系统对用作执行元件的两相感应伺服电动机提出如下要求：转速能随控制电压的变化在较宽范围内连续调节。机械特性应接近线性，以保证伺服电机运行的稳定性，且便于提高控制系统的动态精度。控制信号消除伺服电动机应立即停转，无自转现象。堵转转矩大，转动惯量小。机电时间常数小，动态响应快。控制信号变化时，反应快速、灵敏。2025/2/114.1.2两相感应伺服电机转子结构4.1两相交流感应伺服电动机结构

两相感应伺服电机有笼式、非磁性空心杯式和铁磁性空心杯式(工程应用少)三种转子结构。

笼式转子

转子为减小转动惯量做成细长型结构，由转轴、转子铁心和转子绕组组成。转子铁心由硅钢片叠成，每片冲有齿和槽，叠压将轴压入轴孔内，槽中放置导条，两端连接短路环，形成笼形转子绕组。导条和端环可用铜（高电阻率的黄铜或青铜）制造，也可用铸铝转子。2025/2/114.1.2两相感应伺服电机转子结构4.1两相交流感应伺服电动机结构

非磁性空心杯式转子

定子分为外定子和内定子两部分，内外定子铁心均由硅钢片叠成。外定子铁心槽中放置空间相距90°电角度的两相交流绕组，内定子铁心一般不放绕组，仅为磁路的一部分，以减小主磁通磁路的磁阻。

内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上，空心转子做成杯子形状，即称为空心杯式转子。

空心杯由非磁性材料铝或铜制成，杯壁极薄（0.3mm左右），杯形转子套在内定子铁心外，一端相连转轴，并通过转轴在固定的内、外定子之间的气隙中自由转动。2025/2/114.2两相交流感应伺服电动机工作原理4.2.1工作原理概述

两相感应伺服电机使用时，励磁绕组施加恒定的励磁电压，控制绕组施加控制电压，伺服电机就会转动起来，将电信号转换成转轴的旋转运动。

能够自由转动的笼式转子放在可用手柄转动的两极永磁铁中间，当转动手柄使永磁铁旋转时，发现磁铁中间的笼式转子也跟着转动起来。

转子的转速比磁铁慢，当磁铁旋转方向改变时，转子的旋转方向也跟着改变。2025/2/114.2两相交流感应伺服电动机工作原理感应交流伺服电动机的工作原理：笼式转子（或非磁性空心杯式转子）之所以能旋转是因为所在空间中存在着旋转磁场。旋转磁场切割转子导条，在导条中产生感应电动势和电流，导条中的电流再与旋转磁场相互作用产生电磁力和电磁转矩，转矩的方向和旋转磁场的旋转方向相同，于是转子就跟着旋转磁场沿同一方向转动。

转子转速总是比磁铁转速低。转子与旋转磁铁之间若没有相对运动，转子导条不会切割磁感线，也不会产生感应电动势、电流及电磁转矩。因此，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。转速差与旋转磁铁转速的比值称为转差率。式中，n0为旋转磁铁的转速；n为转子的旋转速度。2025/2/114.2两相交流感应伺服电动机工作原理4.2.2两相绕组旋转磁场产生机理

当t=t1时，控制电流ik

为最大正值，励磁电流if

为零。控制电流从控制绕组始端k1

流入、从末端k2

流出。可得出一种空间位置固定而幅值在正负最大值之间变化的脉振（动）磁场。用磁通密度空间矢量Bk表示，大小与控制电流成正比。此时，Bk=Bmax。励磁绕组不产生磁场，即Bf=0。故控制绕组产生的磁场就是电动机的总磁场。若电机的合磁场用磁通密度矢量B表示，则此时合磁场的幅值为B=Bk=Bmax。

分析两相对称绕组（空间互差90°电角度、有效匝数和阻抗相同）施加两相对称电流后形成的磁场。励磁电流If控制电流Ik2025/2/114.2两相交流感应伺服电动机工作原理

当t=t2时，励磁电流if为最大正值，而控制电流ik为零，控制绕组不产生磁场，即Bk=0，励磁绕组产生的磁场就是电机的总磁场B=Bf。与t=t1相比，磁场在空间沿顺时针方向转过90°，合磁场的幅值为B=Bf=Bmax。

当t=t3时，控制电流ik为最大负值，而励磁电流if为零，形成的磁场与t1时刻相比仅是方向改变，与t2时刻相比空间沿顺时针方向又转过90°，合磁场的幅值为B=Bk=Bmax。

当t=t4时，电机磁场沿顺时针方向再转过90°，合磁场的幅值为B=Bf=Bmax。

当t=t5时，控制电流ik又为最大正值，而励磁电流if为零，合磁场幅值为B=Bk=Bmax与t1时刻合磁场幅值相同。2025/2/11

4.2两相交流感应伺服电动机工作原理

两相对称电流通入两相对称绕组时，电机内就会产生一个旋转磁场。磁通密度B在空间按正弦规律分布，其幅值恒定不变（B=Bm），而幅值在空间的位置以转速ns旋转。

当控制电流ik变化一个周期时，旋转磁场在空间转一圈。

当两相对称交流电流通入两相对称绕组时，电机内产生圆形旋转磁场。电机的合磁场分别由两个在空间彼此相隔90°电角度的磁通密度矢量Bf

和Bk的脉振磁场合成。

两相绕组磁通密度矢量随时间的变化关系为2025/2/114.2两相交流感应伺服电动机工作原理4.2.3旋转磁场的转向

交流感应伺服电机转子跟随旋转磁场转动，即旋转磁场的转向决定了电机的转向。

旋转磁场转向是从流过超前电流的绕组轴线转到流过落后电流的绕组轴线。前述分析可知控制电流ik

超前励磁电流if，所以旋转磁场是从控制绕组转到励磁绕组，即按顺时针方向转动。

当任意一个绕组所加的电压反向时，则流过该绕组的电流也反向，即原来是超前电流就变成落后电流，原来是落后电流则变成超前电流，旋转磁场转向改变，这样电机转向也就发生了改变。2025/2/114.2两相交流感应伺服电动机工作原理4.2.4旋转磁场的转速

旋转磁场转速取决于定子绕组极对数和电源频率。

四级电机定子绕组接法：圆周均布四套相同绕组，绕组k1-k2

和串联组成控制绕组；绕组l1-l2和串联组成励磁绕组。这种接法的两个绕组所流过的电流大小相等，方向相同。

四极电动机磁场分布：每个时刻的磁场位置都在上一个时刻基础上沿顺时针方向转过45°。

电流变化一个周期，磁场只转过半圈。2025/2/114.2两相交流感应伺服电动机工作原理

对于极对数为p的电动机，旋转磁场转速（同步转速）表达式为

旋转磁场的转速与电流的频率成正比，与磁极对数成反比。

分析交流感应电动机磁场得出：

单相绕组通入单相交流电后，所产生的是一个脉振磁场。

圆形旋转磁场磁通密度在空间按正弦规律分布，幅值不变以恒速在空间旋转。

两相对称绕组通入两相对称电流能产生圆形旋转磁场，或两个空间上相差90°电角度，时间上有90°相位差，幅值相等的脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。

旋转磁场转向是从超前相绕组轴线转到落后相绕组轴线。两相中任一相绕组所加电压反向就可改变旋转磁场的转向。2025/2/114.3两相交流感应伺服电动机控制

两相交流感应伺服电动机转速和转向不但与励磁电压和控制电压幅值有关，还与励磁电压和控制电压相位差大小有关，因此，在励磁电压、控制电压以及它们之间的相位差三个参量中，任意改变其中的一个或两个都可实现电机的控制。

两相交流伺服电动机控制方法有三种，分别是幅值控制、相位控制和幅值-相位控制。

幅值控制

控制电压和励磁电压保持相位差90°，只改变控制电压幅值。

使用时励磁电压Uf

保持额定值不变，控制电压Uk的幅值在零到额定值之间变化。

幅值控制交流伺服电机具有特性：

励磁电压Uf=U额定，控制电压Uk=0，n=0，电机不动。

励磁电压Uf=U额定，控制电压Uk=U额定，n=nmax，T=Tmax。

励磁电压Uf=U额定，控制电压0<Uk<U额定，0<n<nmax。2025/2/114.3两相交流感应伺服电动机控制

相位控制

控制电压和励磁电压均为额定电压，通过改变控制电压和励磁电压之间的相位差，实现对伺服电动机的控制。

控制电压Uk与励磁电压Uf的相位差为β，0<β<90°。

当β=0时，控制电压与励磁电压同相位，气隙总磁通势为脉振磁通势，n=0，电机不动。

当β=90°时，为圆形旋转磁通势，n=nmax，T=Tmax。

当0<β<90°时，磁通势从脉振磁通势变为椭圆形旋转磁通势再变为圆形旋转磁通势，0<n<nmax。2025/2/114.3两相交流感应伺服电动机控制

幅值-相位控制（电容控制）

改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压之间的相位差来控制伺服电机的转速。

控制电压Uk

幅值改变时，电机转速发生变化，此时励磁绕组中电流随之变化，引起电容端电压变化，使控制电压与励磁电压之间的相位角β

改变。

幅值-相位控制的机械特性和调节特性不如幅值控制和相位控制，但线路比较简单，不需要移相器，利用串联电容就能在单相交流电源上获得控制电压和励磁电压的分相，成本较低，是实际应用中最常见的一种控制方式。2025/2/114.4圆形旋转磁场作用下运行分析

τ为极距，τ=πDs/(2p)4.4.1电压平衡方程的建立

转子不动时

旋转磁场切割定、转子导体的速度为同步转速ns，所以定、转子绕组中感应电动势的频率与电源的频率相同。

旋转磁场极对数为p，旋转磁场转速为ns时，定、转子绕组中感应电势频率

导体中最大感应电动势为

Ds为定子铁心内径。

线速度与感应电势频率的关系式为

气隙磁通密度的平均值

每极磁通为

气隙磁通密度的最大幅值2025/2/114.4圆形旋转磁场作用下运行分析

定、转子绕组中除旋转磁场产生感应电势外，还有漏磁通感应出的漏磁电势。

由上述各式，得出每根导体感应电势的有效值为

励磁绕组、控制绕组和转子绕组的感应电势分别为式中，Wf、Wk、WR分别为励磁、控制、转子绕组的有效匝数。

转子不动时的电压平衡方程式为

励磁绕组、控制绕组和转子绕组的漏磁电势分别为为励磁、控制、转子电流。为励磁、控制、转子绕组的漏电抗。2025/2/114.4圆形旋转磁场作用下运行分析

电机运行时

定子绕组感应电势及电抗、电阻压降表达式与转子不动时相同。转子导体中感应电势和电流频率为

旋转磁场切割转子导体的线速度为

转子转动时转子绕组感应电势变为

与转子不动时，转子绕组感应电势表达式相比可得

转子转动时，转子漏磁电势及漏电抗可表示为

转子旋转时的电压平衡方程式为式中

为转子不动时的转子漏磁电势和转子漏电抗。2025/2/114.4圆形旋转磁场作用下运行分析4.4.2获得圆形旋转磁场的条件

有效匝数（励磁绕组=控制绕组）即Wf=Wk。定子绕组为对称两相绕组，产生圆形磁场的定子电流必须为两相对称电流，即两相电流幅值相等，相位差为90°，用复数表示为

控制绕组感应电势在相位上超前励磁绕组感应电势90°，幅值相等，用复数表示为

因匝数相等，励磁绕组和控制绕组参数相等，即

上述各式代入转子旋转时的电压平衡方程式得

两相绕组匝数相等时，为得到圆形旋转磁场，要求两相电压值相等，相位差90°，这样的两个电压称为两相对称电压。圆形旋转磁场时的两相电压相量图2025/2/11

4.4圆形旋转磁场作用下运行分析

有效匝数（励磁绕组≠控制绕组）即Wf/Wk=k。为得到圆形旋转磁场，两相电流幅值不等，相位差仍为90°。两相电流用复数形式表示可得

控制绕组感应电势相位上超前励磁绕组感应电势相位90°，用公式表示为

两相绕组对应电阻的关系为

定子漏电抗为

两相绕组对应漏电抗的关系为

上述各式代入转子旋转时的电压平衡方程式得式中，G为定子漏磁导，为常数。

两相绕组匝数不相等时，要得到圆形旋转磁场，两相电压相位差仍为90°，其值与匝数成正比。2025/2/11

4.4圆形旋转磁场作用下运行分析4.4.3电磁转矩及机械特性

电磁转矩

转子受到的电磁转矩为

电流用有效值IR表示，转子受到的电磁转矩式中，Bδm为最大磁通密度；IRm为转子最大电流；l为转子导条长度；φR电流滞后电动势的阻抗角；ZR转子导条根数；DR转子铁心外径。

相应的转子电流、每极磁通和功率因数分别为2025/2/11

4.4圆形旋转磁场作用下运行分析

机械特性分析4.4.3电磁转矩及机械特性

电磁转矩

将转子电流、每极磁通和功率因数代入电磁转矩公式，可得

当电动机转速一定，即转差率s不变时，电磁转矩与电压二次方成正比。

当励磁电压Uf保持不变，电磁转矩随转差率

s的变化而变化。

机械特性曲线：交流感应伺服电动机的电磁转矩T与转差率s（或转速n）的关系曲线，即T=f（s）或T=f（n）曲线。

电压一定时，可以得出不同转子电阻RR的机械特性曲线簇。2025/2/114.4圆形旋转磁场作用下运行分析

机械特性分析

以曲线1为例，当理想空载即n=ns，s=0时，电磁转矩T=0。

随着转差率

s增加即转速减小，电磁转矩增加；当转差率s=sm

时，转矩达到最大值Tmax，之后转矩逐渐减小。

当转差率s=1、n=0

即电动机不转时，转矩为Td，该值称为交流感应伺服电动机的堵转转矩。

堵转转矩与电压二次方成正比，堵转转矩大，电动机起动时带负载能力大，电动机加速也较快。

临界转差率

最大转矩

临界转差率sm

与转子电阻RR成正比，最大转矩

Tmax与转子电阻无关。

转子电阻RR增大时，最大转矩Tmax保持不变，临界转差率sm增大。2025/2/114.4圆形旋转磁场作用下运行分析

凸形机械特性以峰值为界分为上升段ah和下降段hf。假定电动机带动恒定负载，阻转矩为TL，电动机在下降段g点稳定工作。

若阻转矩TL增加到,此时，电机减速，转差率s增大，驱动转矩TQ随着增大，一直增加到

，电机在g’点又稳定地工作。此时转速n降低，但转矩增大。

若阻转矩恢复到TL，此时，电机加速，转差率s减小，驱动转矩也随着减小，直到，又恢复到g点稳定工作。

在特性下降段hf即从ns

到nm的转速范围内，负载阻转矩TL改变时，电机具有自动调节转速而达到稳定工作的性能，因此从ns

到nm的转速范围被称为稳定区。

特性曲线稳定区分析2025/2/114.4圆形旋转磁场作用下运行分析

若电机运行在特性上升段ah时，假定在b点工作，当负载阻转矩TL增加，电机转速下降，驱动转矩减小，，导致电机转速一直下降，直至停止。

如果在b点工作，负载阻转矩TL下降，电机转速增加，驱动转矩也随之增大，，导致电机转速一直上升，直到在稳定区hf运转于c点为止。

故电动机在上升段

ah，即从nm

到0的转速范围工作不稳定，被称为非稳定区。

特性曲线稳定区分析

对于一般负载（如恒定负载）只有在机械特性下降段，才能稳定运行。

要具有向下倾斜的机械特性，交流感应伺服电机要有足够大的转子电阻，使临界转差率sm>1。

具有大的转子电阻和向下倾斜的机械特性是交流感应伺服电动机的主要特点。2025/2/114.5椭圆形旋转磁场及其分析方法

4.5.1椭圆形旋转磁场的形成

当通入绕组中的两相电流相位差为90°，两绕组所产生的磁通势幅值不相等时，即磁通密度矢量幅值不相等，可得出椭圆形磁场磁通密度矢量随时间变化的关系。

交流伺服电机运行过程中控制电压经常变化，两相绕组产生不相等的磁通势，即IfWf

≠IkWk。表示两个脉振磁场的磁通密度矢量幅值也不相等，即Bfm≠Bkm，而且通入两个绕组中的电流相位差也不总是90°。2025/2/114.5椭圆形旋转磁场及其分析方法

形成如右图所示的椭圆形旋转磁场

把对应于各时刻的合成磁通密度空间矢量画在一个图形中，磁通密度的矢端轨迹是一个椭圆，此磁场称为椭圆形磁场。

α值决定了磁场椭圆的程度。

α=1时，两个绕组产生的磁通密度矢量幅值相等，产生圆形磁场；

α=0时，只有励磁绕组产生磁场，是单相脉振磁场，是椭圆磁场的极限情况。

该椭圆中长轴为Bfm，短轴为Bkm，令α为椭圆的长、短轴之比。2025/2/114.5椭圆形旋转磁场及其分析方法

两个同相位电流即β=0°时，对应的两个脉振磁通密度矢量随时间变化的相位也相同。（右图中磁通密度矢量幅值相等，即α=1。）

当β=0°时，两绕组产生的磁通密度矢量同时换向和成比例地变大或变小。

不论α取何值，合成磁通密度矢量B总是一个脉振磁通密度矢量，产生一个空间位置保持不变，幅值随时间变化的脉振磁场。

两个电流相位差为90°即β=90°时，α=1产生圆形磁场，α≠1产生椭圆磁场。

两个电流相位差不为90°即β≠90°时，产生椭圆磁场。

电流Ik分解为Ikcosβ与If同相，一起作用产生脉振磁场。

电流Iksinβ与If成90°相位差，一起作用产生旋转磁场。2025/2/114.5椭圆形旋转磁场及其分析方法

4.5.2椭圆形旋转磁场分析

脉振磁场

脉振磁场可分解成两个幅值相等、转速相同、转向相反的圆形磁场来等效。

五个不同时刻励磁绕组产生的单相脉振磁场，磁通密度矢量用Bf表示，这些矢量均位于绕组l1-l2的轴线上。2025/2/114.5椭圆形旋转磁场及其分析方法

脉振磁场

用两个旋转磁通密度矢量B正和B反来代替脉振磁通密度矢量Bf，矢量B正和B反转向相反。

t1

时刻，两旋转磁通密度矢量互相重合，脉振磁通密度矢量最大。

t2

时刻，两旋转磁通密度矢量互相离开，脉振磁通密度矢量减小。

t3

时刻，两个旋转磁通密度矢量正好转到方向相反的位置，旋转磁通密度矢量互相抵消。

t4

、t5时刻，脉振磁通密度矢量为负值时，两个旋转磁通密度矢量的夹角大于180°。

脉振磁场可用两个幅值相等、转向相反的圆形旋转磁场来等效，这两个圆形旋转磁场的磁通密度矢量等于脉振磁通密度矢量幅值的一半，转速等于f/p。2025/2/114.5椭圆形旋转磁场及其分析方法

椭圆磁场

伺服电机两个绕组中的电流相位差β=90°，磁通势幅值不相等时产生的椭圆磁场。

若两个磁通势幅值之比，即磁通密度幅值之比为α，则磁通密度可表示为

将磁通密度Bf分解：

磁通密度Bf

看作由Bf1

和Bf2

两个磁通密度矢量的合成。

Bf1与Bk两个磁通密度矢量脉振幅值相等，相位上Bf1与Bk落后90°，形成一个与原来椭圆磁场同方向的圆形旋转磁场，而Bf2是沿着绕组l1-l2

的轴线进行交变的脉振磁场。

椭圆形旋转磁场的磁通密度可看成是一个圆形磁场磁通密度和一个脉振磁场磁通密度的合成。2025/2/114.5椭圆形旋转磁场及其分析方法

圆形旋转磁场磁通密度的幅值为B圆=αBfm；

脉振磁场磁通密度的幅值为B脉=（1-α）Bfm。

脉振磁场磁通密度Bf2可分解为两个转向相反、幅值为最大脉振磁通密度一半的圆形磁场。

原椭圆磁场可用两个同向圆形磁场和一个反向圆形磁场来等效。

两个同向圆形磁场合成的合圆形磁场幅值为：

反向的圆形旋转磁场的幅值为2025/2/114.5椭圆形旋转磁场及其分析方法

一般情况下，两相交流感应伺服电机定子绕组产生的是一个椭圆形旋转磁场，可用两个转速相同、转向相反的圆形旋转磁场来等效。一个转向与原来的椭圆磁场转向相同，称为正向圆形旋转磁场，另一个相反，称为反向圆形旋转磁场。

磁场椭圆度越小（α1）反向旋转磁场就越小，而正向旋转磁场就越大。

磁场椭圆度越大（α0）反向旋转磁场就越大，而正向旋转磁场就越小。

无论α为何值，旋转磁场幅值：反向<正向。

当控制电流Ik

=0，即α=0为脉振磁场时，旋转磁场幅值：正向=反向。2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性4.6.1有效信号系数

幅值控制时励磁电压为Uf

，控制电压Uk大小可调，相位上滞后励磁电压90°。常将控制电压用其相对值表示，该相对值称为有效信号系数。即式中，Uk为实际控制电压；Ukn为额定控制电压。

电压0<Uk<Ukn，0<αe<1

幅值控制时的电压平衡方程式为

定子绕组的电阻和电抗压降相对电势来说很小，所以

磁通和相应磁通密度的关系为

改变控制电压即改变α

大小，也就改变了电机不对称程度。

两相交流感应伺服电机是靠改变电机运行的不对称程度来达到控制的目的。

定子绕组中感应电势之比

可整理得2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性4.6.2不同有效信号系数时的机械特性

有效信号系数αe=1时，气隙磁场是圆形旋转磁场。

αe≠1时，气隙磁场是椭圆形旋转磁场，可用正转和反转两个圆形磁场来等效。大磁铁N-S（与转子同向）等效为正向圆形旋转磁场；小磁铁N’-S’（与转子反向）等效为反向圆形旋转磁场。

对于一定的转速，转矩与气隙磁通密度幅值的二次方成正比。

αe=1时，磁通密度幅值Bδm=Bkm=Bfm

αe≠1时，磁通密度幅值为式中，α=Bkm/Bfm为磁通密度矢量幅值之比。

圆形磁场作用下，对于一定转差率s和电动机参数，转矩2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性

对称状态时（αe=1,Bδm=Bfm），正向及反向旋转磁场产生的机械特性如右图T10和T20曲线。（对称于纵坐标，图中是-T20曲线）

当αe≠1时，正转圆形磁场产生的转矩为

反转圆形磁场产生的转矩为

不对称状态的转矩为

αe变小时，圆形磁场产生的转矩：正转T正减小，反转T反增大，合成转矩T曲线下移。

椭圆形磁场存在反向旋转磁场，理想空载转速n0<ns

αe越小，磁场椭圆度越大，理想空载转速就越低。

在圆形磁场情况下，即αe=1时，理想空载转速n0=ns2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性4.6.3零信号时的机械特性和自转

零信号：控制电压Uk=0或αe=

0。

αe=

0时，磁场是脉振磁场，分解为幅值相等、转向相反的两个圆形旋转磁场。磁铁N-S（与转子同向）等效为正向圆形旋转磁场；磁铁N’-S’（与转子反向）等效为反向圆形旋转磁场。

正向和反向圆形旋转磁场产生的机械特性与转子电阻有关，故零信号合成时的机械特性也必然与转子电阻有关。

磁通密度幅值2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性

对应不同电阻时控制电压Uk=0时的机械特性

电阻增大，T正=f(s正)和T反=f(s反)上的最大转矩保持不变，临界转差率sm正和sm反成比例增加。

a)合成转矩T绝大部分为正，当控制电压Uk=0，若阻转矩<单相运行时最大转矩，电机仍继续旋转，产生自转现象，造成失控。

b)转子电阻增加，临界转差率增加到sm正=0.8，合成转矩T减小，与a)相似，仍将产生自转现象。

c)转子电阻再增加，临界转差率sm正>1，运行范围内，合成转矩T均为负，即为制动转矩，不会产生自转现象。2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性4.6.3零信号时的机械特性和自转

无自转现象是自动控制系统对交流伺服电机的基本要求。

无自转现象：当控制电压一旦取消后（即Uk=0），伺服电机应立即停转。

为消除自转现象，交流伺服电机零信号时的机械特性必须工作在右图所示的状态，要求要有相当大的转子电阻。

交流伺服电机除了由转子电阻导致的自转外，还存在一种工艺性的自转。

工艺性自转是由定子绕组有匝间短路、铁心有片间短路或者各向磁导不均等因素所引起。2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性4.6.4转速的控制与调节特性

假设电机带负载时的总阻转矩为TL，有效信号系数αe

=0.25时电机在特性点a运行，转速na，此处驱动转矩=负载转矩。

控制电压升高，有效信号系数αe

=0.5时，驱动转矩随之增加，由于惯性，转速不能突变，因此电机就要瞬时地在特性点c工作，驱动转矩>负载转矩，电机加速，沿着相应特性曲线增加到nb

，就在特性点b工作，此处驱动转矩=负载转矩，转速不再改变。

当αe

=0.25增大到αe

=0.5时，电机转速从na升高到nb，实现了转速的控制。2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性4.6.4转速的控制与调节特性

调节特性是表示当输出转矩一定时，转速与有效信号系数αe

的变化关系。

在左图作平行于横轴的转矩线，每一转矩线与机械特性相交很多点，将这些交点所对应的转速及有效信号系数画成关系曲线，就可得到该输出转矩下的调节特性。

不同的转矩线，就可得到不同输出转矩下的调节特性。（左图中输出转矩T3>T2>T1）2025/2/114.6两相感应伺服电动机静态特性4.6.5堵转特性

堵转特性：伺服电动机堵转转矩与控制电压的关系曲线，即Td=f（αe）曲线。

不对称状态时的堵转转矩为Td0为正向和反向圆形磁场产生的堵转转矩

由于Td0恒定不变，所以堵转转矩

交流伺服电机堵转转矩Td与有效信号系数αe近似成正比，堵转特性Td=f（αe）近似是一条直线。2025/2/114.9同步电动机

直流和交流伺服电机的转速随电机轴上所带的负载转矩或加在控制绕组上信号电压的变化而变化。

但有些机器人控制系统中，要求电机具有恒定不变的转速，即电机转速不随负载和电压的变化而变化。同步电机就是具有这种特性的电动机。

当三相电流通入三相绕组或两相电流通入两相绕组时，定子中会产生旋转磁场。旋转磁场的转速即为同步转速。

同步电机属于交流电机，主要由定子和转子组成。定子绕组与异步电机相同，铁心通常由带有齿和槽的冲片叠成，槽中嵌入三相或两相绕组。2025/2/114.9同步电动机

微小容量的交流电机中，定子结构采用罩极式。定子铁心采用凸极型式，由硅钢片叠压而成，可以做成两极或多极。

每个极上绕有励磁绕组A并接到单相交流电源上，同时每个极的一部分套有一个短路环B，称为罩极绕组。依靠这些罩极绕组可以使单相绕组通入单相交流电后产生旋转磁场。

假设励磁绕组A通入交流电后产生的脉振磁通，一部分磁通通过没有罩极绕组包围的极面，另一部分磁通通过被罩极绕组包围的极面，磁通

与磁通同相位。

两相绕组通入两相电流之所以会产生旋转磁场，是因为气隙中存在着空间上相差90°电角度，时间上有一定相角差的两个脉振磁通。这两个脉振磁通的合成，就产生了旋转磁场。2025/2/114.9同步电动机

当脉振磁通

穿过罩极线圈时，会产生感应电势Ek，也产生了电流Ik，Ek在相位上落后于磁通90°。因罩极线圈是一个短路的电感线圈，故电流Ik落后于电势Ek

φ角。当电流Ik通过罩极线圈时，它所包围的极面内又产生了磁通。那么通过罩极线圈所包围的极面下的总磁通。

因为的作用，极面内的两部分磁通与在时间上有了β角的相位移。

空间上，磁通的轴线在气隙中沿OX方向，磁通的轴线沿OY方向，夹角为θ。

将磁通分解成两个分量，一个分量与垂直，另一个分量与同向。2025/2/114.9同步电动机

因磁通与时间上同向，那么磁通

与在时间上移相β角，空间上又是互相垂直的一对脉振磁通。在这两个脉振磁通作用下，罩极式定子的电机中就会产生旋转磁场。又因为脉振磁通幅值不相等，时间上相移差β（β<90°）角，所以产生了椭圆形旋转磁场。

罩极式电动机中，当罩极的位置固定时，旋转磁场的转向即电机的转向总是固定不变从未罩部分的轴线转到罩极的轴线（右图中由OX轴转到OY轴），所以这种电机的转向是不可逆的。只有当罩极的位置改变时，电机才得以改变转向。

小功率同步电动机根据转子型式的不同可分为永磁式电动机、反应式电动机和电磁减速式电动机等类型。2025/2/11

4.9同步电动机4.9.1永磁式同步电动机

当电机定子对称绕组通入对称的多相交流电后，电机气隙中会产生一个由定子电流和转子永磁体合成的旋转磁场，用N、S来等效。转速取决于电源频率。

当定子磁场以同步转速ns逆时针旋转时，由电磁极性异性相吸原理，定子旋转磁极吸引转子磁极，带动转子一起旋转。旋转速度：转子=定子。

负载转矩增大时，定子、转子磁极轴线间的夹角θ增大；反之，θ减小。定、转子磁极间的磁感线如同具有弹性的橡皮筋随负载的增大或减小被拉长或缩短。虽然定、转子磁极轴线间的夹角会随负载的变化而变化，但只要负载不超过某一极限，转子就始终跟随定子旋转磁场以同步转速

ns

转动。

转子转速为转子转速只取决于电源频率和电动机的极对数。2025/2/11

4.9同步电动机

永磁同步电机定子、转子磁极间的相互作用倾向于使转子逆时针旋转（图a)），但由于惯性，转子不能马上转动；当转子还来不及转动时，定子旋转磁场已转过180°，到达了图b)位置，这时定子、转子磁极的相互作用又趋向于使转子顺时针旋转。所以转子所受到的转矩方向时正时反，其平均转矩为零。故永磁式同步电机往往不能自行起动。

为了使永磁式同步电机能自行起动，在转子上一般都装有起动绕组。

影响永磁式同步电机不能自行起动的主要因素：转子及所带负载存在惯性和定/转子间转速差过大。2025/2/114.9同步电动机4.9.2反应式同步电动机

工作原理

外边磁极表示定子绕组所产生的旋转磁场，中间是一个凸极式转子，凸极转子可看成具有两个方向，一是顺着凸极方向，称为纵轴方向；另一是垂直凸极轴线方向，称为横轴方向。

旋转磁场轴线与转子纵轴方向一致时，磁通所通过的路径的磁阻最小；与转子横轴方向一致时，磁阻最大；其他位置的磁阻处于两者之间。

反应式同步电动机又称为磁阻电动机。这种电动机的转子本身没有磁性，只是依靠转子上两个正交方向磁阻的不同而产生转矩，这种转矩称为反应转矩。2025/2/114.9同步电动机

如果某瞬间，旋转磁场的轴线与转子纵轴方向夹角为θ，磁通发生了弯曲。由于磁通具有类似于橡皮筋的弹性物质，有收缩到最短，使磁通所经过的路径的磁阻为最小的性质，故磁通收缩力图使转子纵轴方向与定子磁极的轴线一致，到达磁阻最小的位置。

因磁通的收缩，转子受到了驱动转矩，迫使转子跟随旋转磁场以同步转速转动，所以反应式同步电动机的转速=同步转速。

转子轴上的负载转矩越大，定子旋转磁场的轴线与转子纵轴方向的夹角θ也就越大。磁通的弯曲越大，磁通的收缩力也越大，因而产生更大转矩，平衡加在转子轴上的负载转矩。

只要负载转矩不超过一定限度，反应式电机转子始终跟随旋转磁场以同步转速转动。但是如果负载转矩超出了这个限度，电机就会失步，甚至停转，这个最大限度的转矩称为最大同步转矩。2025/2/114.9同步电动机

转子上纵轴和横轴相垂直的两个方向上具有不同的磁阻是产生反应转矩必备的条件。

若是圆柱形转子，各个方向的磁阻都相同，那么当旋转磁场转动时，磁通不发生弯曲，也不产生收缩，所以也不会产生反应转矩，因此转子不能转动。

转子轴上的负载转矩越大，定子旋转磁场的轴线与转子纵轴方向的夹角θ也就越大。磁通的弯曲越大，磁通的收缩力也越大，因而产生更大转矩，平衡加在转子轴上的负载转矩。

反应式同步电机往往不能自行起动，需要在转子上另外装设起动绕组（通常采用笼式绕组）才能起动。2025/2/114.9同步电动机

同步电动机的振荡

虽然同步电机通常以恒定的同步转速转动，但有时会发生所谓“振荡”现象。这种现象一般出现在电动机的驱动转矩或者轴上的负载转矩突然产生变化的时刻。

假设电机在定子磁场轴线与转子纵轴方向夹角为θ1下正常运转。若轴上负载转矩突然减小，驱动转矩>负载转矩，转子加速，定子磁场轴线与转子纵轴方向之间的夹角就会减小到θ2，此时，驱动转矩=负载转矩。

此时，n>ns，由于惯性，转子不能停留在这个新的平衡点运转而要越过该点，这样夹角θ<θ2，驱动转矩<负载转矩，转子减速，夹角θθ2。当θ=θ2时，n<ns，因惯性矩作用，转子越过θ2使夹角θ>θ2。然后重复上述过程。2025/2/114.9同步电动机

同步电动机的振荡

转子要在θ2处来回振荡一段时间，由于空气和轴上摩擦或其他阻尼影响，振荡会逐渐衰减，最后在新的平衡点下运转。

振荡现象在各类同步电动机中都会发生，只是程度上有所不同。

减弱同步电机振荡的方法其中之一是在转子上装设笼式短路绕组。

当转子振荡时，转子相对于旋转磁场发生相对运动，在笼式导条中产生了切割电流。由楞次定律可知，这个电流与磁场相互作用产生的转矩阻碍了转子相对于旋转磁场的运动，因而使振荡得到减弱，起到了阻尼作用。2025/2/114.9同步电动机

结构型式

反应式电机的定子与常见同步电机或异步电机相同，在定子槽中嵌入三相或两相绕组，也可以是罩极式的单相绕组。

转子结构型式多种多样的，但不管型式如何，为了产生反应转矩，转子纵轴和横轴的磁阻不同。a)、b)转子中的笼式导条用铜或铝制成，转子振荡时作为阻尼绕组削弱电机的振荡，起动时作为起动绕组产生转矩，使反应式同步电机异步起动，等转速上升到接近同步转速时，依靠反应转矩将转子拉入同步运行。

c)转子结构除有凸极外，转子铁心中还设置隔离槽，增大转子纵轴与横轴之间的磁阻差，提高电机的输出力矩。2025/2/114.9同步电动机4.9.3电磁减速式同步电动机

在许多工业机器人各关节驱动中，需要低转速大转矩的驱动电机。但是同步电机的转速等于同步转速，转速较高。为获得低转速大转矩的工作性能，通过齿轮机构进行减速。由于增加了齿轮机构，不但使传动系统变得复杂，工作效率降低，增大了传动装置的体积和重量，而且齿轮间不可避免地存在着间隙和磨损，会产生振动、噪声，甚至使运转不稳定。

为克服齿轮减速机构的缺陷，目前国内外广泛应用各种类型的低速电机。这类电机不需用齿轮减速，电机工频下输出轴可以得到每分钟几十转的低速，特别适用于机器人关节低速驱动。2025/2/114.9同步电动机

反应式电磁减速同步电动机

反应式电磁减速同步电机定、转子铁心都做成开口槽，定子槽中放置两相或三相绕组，转子不放置绕组。

两极电机某时刻定子绕组产生的两极旋转磁场轴线（矢量A表示）正好和定子齿1和齿9的中心线重合，由于磁感线总是力图使其经过的磁路的磁阻最小，所以这时转子齿1和齿10处于定子齿1和齿9相对齐的位置。

当旋转磁场转过一个定子齿距到矢量B所示位置时，磁感线继续保持磁路的磁阻最小，力图使转子齿2和齿11转到与定子齿2和齿10相对齐的位置，即当旋转磁场转过2π/Zs角度时，转子只转过α=2π（1/Zs-1/ZR）角度。2025/2/114.9同步电动机

定子旋转磁场转速与转子转速的比（电机电磁减速系数）为

同步电动机的转速为

为了使电动机产生较大的反应转矩，每极旋转磁场轴线下的定、转子齿应对齐，这样可使磁通经过气隙的磁阻最小。这时定、转子齿数应满足

电源频率一定时，电动机的转速随着转子齿数增加而降低。为了得到低速，这种电动机的齿数应该很多。

反应式电磁减速同步电动机与其他低速电动机相比，结构简单、制造方便、成本较低。它的转速一般在几十转到上百转每分的范围内。

根据以上两式，转子的转速为式中，f为电源频率。2025/2/114.9同步电动机

励磁式电磁减速同步电动机

励磁式电磁减速同步电机分为永磁钢励磁和直流电励磁两种。小容量电机大多采用永磁钢励磁方式。

定子结构与反应式同步电机定子结构相同，转子中间为轴向磁化的环形永磁钢，两端各套一段有开口槽的转子铁心，转子铁心用整块钢铣槽或用硅钢片叠成，两段转子铁心径向相互错开半个转子齿距。

定子绕组N、S四个磁极产生旋转磁场，某时刻，定子旋转磁场轴线处在和定子齿1、5、9、13相重合的位置，定、转子之间同极性磁场相斥，异极性磁场相吸，转子力图使A-A截面的转子齿1和10与定子齿1和9（定子S极轴线）相对齐。因此，定子N极轴线正好处于转子槽的中心。2025/2/114.9同步电动机

定子旋转磁场顺时针转过一个定子齿距时，因定、转子磁场的相互作用，转子力图转到使转子齿2和11的中心线与定子齿2和10的中心线相重叠的位置，即定子旋转磁场转过2π/Zs时，转子转过α=2π（1/Zs-1/ZR）。所以定子旋转磁场转速与转子旋转磁场转速之比，即电磁减速系数表达式为

上图左右两段转子铁心在径向相互错开了半个转子齿距，它们产生的转矩及转速的方向是一致的。2025/2/114.9同步电动机

当定子S极的轴线与转子齿中心线对齐时，定子N极轴线应对准转子槽中心，所以定、转子齿数应满足

转子转速为

在同样转子齿数时，励磁式转速为反应式转速的1/2。

上述永磁钢所产生的磁通可改为由放在定子上的轴向励磁绕组通上直流电励磁来产生，这就成为直流电励磁的电磁减速同步电动机。

励磁式电磁减速同步电机有永磁钢或励磁绕组，结构较复杂，在同样体积下，可得到比反应式电磁减速同步电机大的同步转矩和较低的转速。2025/2/11

4.10交流伺服电动机在焊接机器人中的应用4.10.1应用概述

机器人拥有多个自由度，其性能取决于伺服驱动控制系统。机器人多采用总线型伺服控制，由于机器人控制结构的特殊性，驱动及控制需要控制器的计算能力高、控制器与伺服之间的总线通信速度快、伺服精度高，所用的交流伺服电动机属于高精度交流伺服电动机。

机器人采用的伺服系统为专用系统，在通用伺服电机和驱动器基础上，根据高速、重载和高精度等应用环境，增加瞬时过载能力、动态响应能力，自定义算法接口单元，采用通用的高速通信总线作为通信接口，取代原有模拟量和脉冲方式，删除冗余通信接口和功能模块，提高控制性能和可靠性，降低制造成本。4.10交流伺服电动机在焊接机器人中的应用4.10.2焊接机器人控制系统

开放式控制的系统结构

开放式控制系统的硬件由工控机（工业PC）