控制電機(jī)第七章交流伺服電動機(jī).ppt

1、第七章 交流伺服電動機(jī),（AC servomotor）,復(fù)習(xí)直流伺服電動機(jī),用途：電壓信號 轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。 原理：通電導(dǎo)體在磁場中受到力的作用。 穩(wěn)態(tài)特性 動態(tài)過程 發(fā)電機(jī)狀態(tài)、反接制動狀態(tài)、動能制動狀態(tài) 其他伺服電動機(jī) 直流力矩、低慣量伺服,本章學(xué)習(xí)內(nèi)容,概述 交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 交流伺服電動機(jī)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場 圓形旋轉(zhuǎn)磁場作用下的運(yùn)行分析 橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場及其分析方法 幅值控制特性 移相方法和控制方式 主要性能指標(biāo)和與直流伺服電機(jī)的比較,1 概述,自動控制系統(tǒng)提出的要求：,調(diào)速范圍大,線性度好，運(yùn)行穩(wěn)定,無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,慣性小,快速靈敏,特點：具有可控性。,用途：自控系

2、統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。,電動機(jī)停止,電動機(jī)反轉(zhuǎn),電動機(jī)立刻轉(zhuǎn)動,電動機(jī)快/慢,2 結(jié)構(gòu)特點及工作原理,結(jié)構(gòu)特點,定子：兩相繞組互成900,勵磁繞組l1l2,控制繞組k1k2,實質(zhì)為兩相異步電動機(jī),轉(zhuǎn)子,鼠籠型,非磁性杯形,鼠籠型：和三相異步電動機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子一樣，鐵心槽中放入導(dǎo)條，所有導(dǎo)條兩端用兩個短路環(huán)連接。一般采用高電阻率的導(dǎo)電材料制造，如青銅、黃銅。另外，為了提高交流伺服電動機(jī)的快速響應(yīng)性能，宜把籠型轉(zhuǎn)子做成又細(xì)又長，以減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。,非磁性杯型轉(zhuǎn)子：此種轉(zhuǎn)子的交流伺服電動機(jī)有兩個定子，外定子和內(nèi)定子。外定子鐵芯槽內(nèi)安放有勵磁繞組和控制繞組，而內(nèi)定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯

3、轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，杯壁一般在0.3mm左右。,非磁性空心杯轉(zhuǎn)子可以看成鼠籠轉(zhuǎn)子的一種特殊形式。,慣量小 軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小 沒有齒槽粘合現(xiàn)象 恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子不會抖動,勵磁電流大，電機(jī)利用率低 啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率小 結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜,與鼠籠轉(zhuǎn)子相比，非磁性杯型轉(zhuǎn)子的優(yōu)缺點。,實驗表明：旋轉(zhuǎn)磁場使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。,工作原理,旋轉(zhuǎn)磁場順時針方向以轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)，磁力線以順時針方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，相對的，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條反時針方向切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于短路環(huán)的存在，感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流在磁場中產(chǎn)生電磁力（左手定則），形成電磁力矩，轉(zhuǎn)矩的

4、方向和旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同，于是轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場沿同一個方向轉(zhuǎn)動。,轉(zhuǎn)子速度要低于旋轉(zhuǎn)磁場的速度。,？怎樣才能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,3交流伺服電動機(jī)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,(1)脈振磁場的概念,脈振磁場(pulsating magnetic field):單相繞組通入單相交流電流后產(chǎn)生與繞組軸線一致、而大小和方向隨時間作正弦規(guī)律變化的交變磁場,稱為脈振磁場。,情況1：兩相對稱繞組通入兩相對稱電 流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,兩相對稱繞組：兩個繞組空間上互差900， 有效匝數(shù)相等。,兩相對稱電流：兩個繞組通入電流相位上互差900，幅值相等,(2)圓形旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,電機(jī)的總磁場由這兩個脈振磁場所合成,B=Bk=Bm,B=Bf=

5、Bm,B=Bf=Bm,B=Bk=Bm,結(jié)論： 控制電流變化一個周期，磁場方向在空間轉(zhuǎn)了一圈，電流變化多個周期，產(chǎn)生不間斷的旋轉(zhuǎn)磁場。,控制繞組電流和勵磁繞組電流分別產(chǎn)生兩個脈振磁場， 電機(jī)的總磁場由這兩個脈振磁場所合成。,兩個脈振磁場,1.分別位于勵磁繞組和控制繞組軸線上，空間相隔900,2.兩個磁場的磁通密度向量長度隨時間做正弦規(guī)律變化，相位相差900，幅值相等,瞬間合成磁場磁通密度向量的長度為,合成磁場為圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。,情況2：當(dāng)兩相繞組有效匝數(shù)不等時，通入繞組中的電流滿足下面條件，才能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。（？）,演示,(2) 圓形旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)向：從超前電流的繞組軸線轉(zhuǎn)到落后電

6、流的繞組軸線。,任意繞組所加電壓反向，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。,轉(zhuǎn)速：稱為同步速，與電機(jī)極數(shù)和電源頻率有關(guān)。,(3) 磁極對數(shù)對轉(zhuǎn)速的影響,tx,tx,P=2,極對數(shù),每個電流周期 磁場轉(zhuǎn)過的空間角度,同步轉(zhuǎn)速,上節(jié)小結(jié),單相繞組通入單相交流電產(chǎn)生脈振磁場。 圓形磁場的特點是：幅值不變以恒定的速度在空間旋轉(zhuǎn)。 兩相對稱繞組通入兩相對稱電流就能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向。 轉(zhuǎn)速為同步速，,4 圓形旋轉(zhuǎn)磁場作用下的運(yùn)行分析,（1）轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率,電動機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系,電動機(jī)轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速）:,提示：如果,轉(zhuǎn)差率 的概念：,轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機(jī)轉(zhuǎn)速之差，與同步速之比。即：,轉(zhuǎn)子

7、轉(zhuǎn)速：,（2）電壓平衡,轉(zhuǎn)子不動時,旋轉(zhuǎn)磁場同時切割定子和轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子和定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,轉(zhuǎn)子不動時，磁場切割定子和轉(zhuǎn)子的速度是一致的，都為同步速，所以感應(yīng)電動勢的頻率是相同的。,圖 7 - 21 旋轉(zhuǎn)磁場切割定轉(zhuǎn)子導(dǎo)體,每根導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的最大值：,磁通密度的平均值：,每根導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的有效值：,定子、轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢有效值：,定、轉(zhuǎn)子繞組漏磁通產(chǎn)生漏磁電勢：,勵磁繞組,控制繞組,轉(zhuǎn)子繞組,勵磁繞組,控制繞組,轉(zhuǎn)子繞組,圖 7 - 24 主磁通和漏磁通,定、轉(zhuǎn)子繞組電阻消耗壓降：,勵磁繞組,控制繞組,轉(zhuǎn)子繞組,電壓平衡方程：,電機(jī)運(yùn)行時,相同之處：定子繞組感應(yīng)電勢及電抗、電阻壓

8、降與轉(zhuǎn)子不動時相同。,不同之處：旋轉(zhuǎn)磁場以轉(zhuǎn)差（ ）的相對速度切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體。,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電勢和電流的頻率為：,定、轉(zhuǎn)子繞組漏磁通產(chǎn)生漏磁電勢：,電壓平衡方程：,（3）圓形旋轉(zhuǎn)磁場的定子繞組電壓,匝數(shù)相等,匝數(shù)不相等,定子漏電抗：,當(dāng)產(chǎn)生圓形磁場時,對稱狀態(tài),兩相繞組額定電壓值與繞組匝數(shù)成正比關(guān)系。,（4）轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性,電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,思路：由每根所受電磁力之和求電機(jī)總的力及力矩，且電機(jī)總轉(zhuǎn)矩與磁場位置無關(guān)。,說明：電磁轉(zhuǎn)矩與電源參數(shù)（、f）、結(jié)構(gòu)參數(shù)（W、Z、R）和運(yùn)行參數(shù)（s）有關(guān)。,重要參數(shù),當(dāng)其它參數(shù)一定時：,1、最大電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓平方成正比； 臨界轉(zhuǎn)差率與電源電壓無關(guān)。,3、頻

9、率越高，最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率越??； 漏抗越大，最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率越??；,2、轉(zhuǎn)子回路電阻越大，臨界轉(zhuǎn)差率越大； 最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)。,4、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與電源電壓平方成正比；頻率越高，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩越??；漏抗越大，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩越小。,自控系統(tǒng)對伺服電機(jī)的要求,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機(jī)的主要特點。,阻尼系數(shù),將對稱狀態(tài)下的機(jī)械特性用直線代替，則D還可以表示為,阻尼系數(shù)越大，表示電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定；反之，運(yùn)行不穩(wěn)定。,5 橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場及其分析方法,交流伺服電動機(jī)在系統(tǒng)工作中，為了對它的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，加在控制繞組上的控制電壓是在變化的，電機(jī)常處于不對稱狀態(tài)。 電機(jī)在不對稱情況下

10、的磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。,不對稱情況,1.兩相電流相差90度，幅值不等。,2.兩相電流相差不是90度。,圓形磁場分析思路：,合成的思想,由特殊點分析一般點,情況一：幅值不等,它決定了磁場的橢圓程度。,圖 7 - 34 不同值時的橢圓,情況二：兩相繞組電流相位相差不為90度,圖 7 - 35 同相電流產(chǎn)生的脈振磁場,圖 7 - 35 同相電流產(chǎn)生的脈振磁場,橢圓形磁場的分析方法分解法,脈振磁場,一個脈振磁場可以分解為兩個圓形磁場。兩個圓形磁場幅值相等（磁通密度向量幅值都為脈振磁通密度向量幅值的一半），轉(zhuǎn)向相反（正反方向），其轉(zhuǎn)速都為脈振磁通密度變化頻率。,橢圓形磁場,交流伺服電機(jī)一般運(yùn)行下，定子

11、產(chǎn)生橢圓形磁場?？梢苑纸鉃閮蓚€圓形磁場。轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反。其中一個與橢圓形磁場轉(zhuǎn)向相同為正向圓形磁場，另一個為反向圓形磁場。,6 幅值控制時特性,幅值控制：勵磁繞組為額定電壓， 與 之間相差900， 根據(jù)需要進(jìn)行改變。,有效信號系數(shù) ：,為額定控制電壓,為實際控制電壓,合成磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)對稱運(yùn)行狀態(tài)。,合成磁場為脈振磁場，電機(jī)不對稱程度最大。,表征電機(jī)不對稱運(yùn)行的程度。,合成磁場為橢圓形磁場，電機(jī)處于不對稱運(yùn)行狀態(tài)。,有效信號系數(shù) 與 的關(guān)系,交流伺服電機(jī)是靠改變電機(jī)運(yùn)行的不對稱程度達(dá)到控制的目的。,根據(jù)變壓器原理,不同有效信號系數(shù)的機(jī)械特性,橢圓形磁場可以由兩個正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的圓形磁

12、場替代。,如果轉(zhuǎn)子的速度為n，轉(zhuǎn)子相對于正轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)差率：,轉(zhuǎn)子相對于反轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)差率：,轉(zhuǎn)矩為正,轉(zhuǎn)矩為阻轉(zhuǎn)矩,式中， 為磁通密度向量幅值之比， 即=Bkm /Bfm 。,(7 - 81),(7 - 82),TB2m,即對于一定的轉(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通密度幅值的平方成正比。 設(shè)已知對稱狀態(tài)時(e=1, Bm =Bfm )， 正向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的機(jī)械特性如圖7 - 41中的T10 曲線， 則可作出對稱狀態(tài)時反向旋轉(zhuǎn)磁場(實際上不存在， 是假設(shè)的)產(chǎn)生的機(jī)械特性T20 曲線(該兩曲線是對稱于縱坐標(biāo)， 圖中作出的是-T20 曲線)。,反轉(zhuǎn)圓磁場所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為,(7 - 84),這樣， 不對稱狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩為

13、,(7 - 85),(7 - 83),當(dāng)e1時， 正轉(zhuǎn)圓磁場所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為,總轉(zhuǎn)矩為兩個轉(zhuǎn)矩之差：,不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線 n=f(T), U1=常數(shù),在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。,由于反向旋轉(zhuǎn)磁場的存在，產(chǎn)生了附加的制動轉(zhuǎn)矩，因而使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小，同時在理想空載下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已不能達(dá)到同步速。,有效信號系數(shù)越小，磁場橢圓度越大，反向轉(zhuǎn)矩越大，理想空載轉(zhuǎn)速越低。,交流伺服電動機(jī)的特點：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下，能服從控制信號的命令而轉(zhuǎn)動，而且要求在電動機(jī)運(yùn)行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機(jī)立即停轉(zhuǎn)。,但

14、如果交流伺服電動機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機(jī)相似，電動機(jī)一經(jīng)轉(zhuǎn)動，即使控制等于零，電動機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，電動機(jī)失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。,如何克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象呢？,零信號的機(jī)械特性和無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,零信號時的機(jī)械特性 所謂零信號， 就是控制電壓Uk=0， 或e=0。 當(dāng)e=0時， 磁場是脈振磁場，它可以分解為幅值相等、 轉(zhuǎn)向相反的兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場， 其作用可以想象為有兩對相同大小的磁鐵N - S和N - S在空間以相反方向旋轉(zhuǎn)， 如圖7 - 43所示。,圖 7 - 43 脈振磁場的作用,圖 7 - 44 零信號時的機(jī)械特性,此時轉(zhuǎn)子電阻較小， 臨界轉(zhuǎn)差率sm正 =0.4。 從圖中可以看出

15、， 在電機(jī)工作的轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)， 即0s正1時， 合成轉(zhuǎn)矩T絕大部分都是正的， 因此， 如果伺服電動機(jī)在控制電壓Uk作用下工作， 當(dāng)突然切去控制電信號， 即Uk=0時， 只要阻轉(zhuǎn)矩小于單相運(yùn)行時的最大轉(zhuǎn)矩， 電動機(jī)仍將在轉(zhuǎn)矩T作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。 這樣就產(chǎn)生了自轉(zhuǎn)現(xiàn)象， 造成失控。,圖 7 - 45 自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻值的關(guān)系(1) (a)RR=RR1 ； (b) RR=RR2 RR1 ； (c) RR=RR3 RR2,圖 7 - 45 自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與轉(zhuǎn)子電阻值的關(guān)系(2) (b) RR=RR2 RR1 ；,此時轉(zhuǎn)子電阻有所增加， 臨界轉(zhuǎn)差率已增加到sm正 =0.8， 合成轉(zhuǎn)矩減小得多， 但是與上面一樣

16、， 仍將產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。,(c) RR=RR3 RR2,轉(zhuǎn)子電阻已增大到使臨界轉(zhuǎn)差率sm正 1的程度。 這時合成轉(zhuǎn)矩曲線與橫軸相交僅有一點(s=1處)， 而且在電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)， 合成轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值， 即為制動轉(zhuǎn)矩。 因而當(dāng)控制電壓Uk取消變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行時， 電機(jī)就立刻產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩一起促使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn)， 這樣就不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 在這種情況下， 停轉(zhuǎn)時間甚至較兩相繞組的電壓Uk和Uf同時取消時還快些。,“自轉(zhuǎn)”原因：,（1）轉(zhuǎn)子電阻不夠大。（增大轉(zhuǎn)子電阻的好處？）,（2）工藝原因，多發(fā)生在功率極小情況下。,定子繞組匝間短路 轉(zhuǎn)子鐵心片間短路 各向磁導(dǎo)不均,7 轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)特性,負(fù)載一

17、定時,改變控制電壓的有效信號系數(shù)可以改變轉(zhuǎn)速,堵轉(zhuǎn)特性,8移相方法和控制方式,為了在電機(jī)內(nèi)形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，要求勵磁電壓和控制電壓有900相位差。但實際只有單相電源或三相電源，如何產(chǎn)生相位相差900的兩相電源？,（1）利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成900 相移,如果三相電源沒有中點，就采用三相變壓器，或帶中間抽頭的電抗線圈,系統(tǒng)中其它元件(如自整角機(jī)， 伺服放大器等)產(chǎn)生相位移。,（2）利用三相電源的任意兩相線電壓,（3）利用移相網(wǎng)絡(luò),圖 7 - 52 采用電子移相網(wǎng)絡(luò)的伺服系統(tǒng),（4）在勵磁繞組中串聯(lián)電容器,主要應(yīng)用于小功率控制系統(tǒng)。,電容值大小隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化?？蛇x擇C值使電機(jī)在轉(zhuǎn)速為零的情況下電壓移相90度，可根據(jù)公式推導(dǎo)或?qū)嶒灧椒ㄇ蟪觥?圖 7 - 56 用示波器選擇電容,移相,控制方法,電源移相,電容移相,幅值控制,幅相控制,9 主要性能指標(biāo),空載始動電壓 在額定勵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)動所需的最小控制電壓稱為空載始動電壓Us0，通常用額定控制電壓的百分?jǐn)?shù)表示。Us0越小，表示伺服電動機(jī)的靈敏度越高，一般不大于34%。,機(jī)械特性的非線性度 在額定勵磁電壓下，任意控制電壓時的實際機(jī)械特性與線性機(jī)械特性在T=Tst/2時的速度差與空載轉(zhuǎn)速之比百分?jǐn)?shù)。,調(diào)節(jié)特性的非線性度Kv 在額定勵磁電壓和空載情況下， 當(dāng)信號系