自控相關(guān)-元件第六章

第六章交流伺服電動(dòng)§6-1交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原一、交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)90°電角度的兩相分布繞組。6-1兩相繞組分布圖（p二、交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原

6-2§6-2相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁一、圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)ikIkmsin6-3

ijIjmsin(t)IkmIjm)p=1結(jié)合多講述圖6- 兩相繞組產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（p6-5某瞬間圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)沿定子內(nèi)圓周的分布（p1）p對(duì)極兩相伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁（6-

n60

一般稱nt電機(jī)圓周實(shí)際的空間角度為360°p對(duì)極的p2p個(gè)磁極占有的空間角度為360/2p360/2p，兩個(gè)要鄰的異性磁極占有的角度為360/p。從電磁觀點(diǎn)看，若磁場(chǎng)N、S一對(duì)磁極恰好相當(dāng)于正弦曲線的一個(gè)周期。N、S一對(duì)磁極，導(dǎo)體中感生的電勢(shì)的變化亦為360°pp360°

電角度=p×360°90°電角度。二、建立圓形磁場(chǎng)的條90°相位差，則它們必然合成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。IIkjIzWjkz

（6-90°的二相交流電流的幅值應(yīng)滿足什么條FkmFjm，F(xiàn)kmFjmIIkm、IjmFkmFjm有IkmWkI

（6-zIkmWjz或

I IIkkzI

（6-（6-三、圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的特 則從圖6-2可以看出，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向是從控制繞組軸線轉(zhuǎn)向勵(lì)磁繞組軸線，也轉(zhuǎn) p對(duì)極伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的一般表達(dá)式如式（6-1幅值圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值是恒定不變的，其值與每相脈振磁場(chǎng)的幅值相等，即BBkmBjmBm§6-3圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的電動(dòng)機(jī)特一、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差定義：轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之差nntn稱為轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差率snnt

（6-6nnt(1二、定轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電勢(shì)的頻

（6-fz0

（6-fz0——fd——如前所述，若交流伺服電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p1，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，p2，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一p時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1

fz

fd

fz0fd

（6-當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，f轉(zhuǎn)子導(dǎo)體：由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的速度為nntn轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的速度nfzn為將nntn及式（6-1）代入上式，fzn

fzn

（6-三、電壓平衡方程別

E2I2r2（6-E1E2（6-11，得E1E2E14.44E4.44fW

（6-

（6-式中m——r2x2——UUjEjEjIUkEkEkIkz z0 zIrEjEkEz0分別用漏抗壓降表示，即

jIjxjI

kjIz

z0z

（6-UjUjEjIj(rjjxjUkEkIk(rkjxkz z0 zI(rjxjI2

（6-EjEk——Ej4.44fWjEk4.44fWkE 4.44fW

z

（6-式中m——rjxj——rkxk——rzxz0——

22 xx z

2

（6-Lj、Lk、Lz分別為勵(lì)磁繞組、控制繞組及轉(zhuǎn)子繞組的漏電感，都UUjEjIj(rjjxjEI(rkx k EznEznIzn(rzjxzn

（6-（6-Eznxzn分別為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢(shì)和漏電抗。Ezn4.44fznWzm 2f zn z

（6-sEz0sEz0Iz0(rzjsxz0UUjEjIj(rjjxjUkEkIk(rkjxk I(rjsxz z0z

（6-23四、對(duì)稱狀態(tài)時(shí)定子兩相繞組電壓之間的關(guān)

（6-當(dāng)定子兩相繞組為兩相對(duì)稱繞組，即WjWk電流應(yīng)為兩相對(duì)稱電流，即電流應(yīng)滿足幅值相等，相位差為90的條件，用復(fù)數(shù)IkjIj。若控制電流Ik的相位超前勵(lì)磁電流Ij的相位90°，則圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向應(yīng)Ek在時(shí)間相Ej90，而它們的大小相等。用復(fù)數(shù)表示為Ek

（6-rkUkUkjEjjIj(rjjxjjEjIj(rjjxjU

和

（6-90°，稱這樣的電壓為兩相對(duì)稱電壓。當(dāng)兩相繞組匝數(shù)不相等，即

90°IkjkzIjIk相位超前勵(lì)磁電流Ij相位90°，因此，Ek相位也超前Ej相位90°，再由（6-19EkEj可表示為Ek

jEjkzr為電 由于總長度l正比于繞組匝數(shù)WS反比于繞組匝數(shù)W，所以繞組電阻r正比于繞組匝數(shù)的平方（rW2，由此可得zrj(Wj)2kz krk k x2fL2fW 因 x2fW2所 R——?dú)庀洞抛?，為常?shù)。xW2xj(Wj)2k

k IkjkzIjUj

EjjkzIj(k

rjk

jxj11 11kj1EjIj(rjjxjkzjj1Uj

（6-90°，其大小應(yīng)與匝數(shù)成正比，一般規(guī)定，勵(lì)磁繞組上加上額定勵(lì)磁電壓UjeUke當(dāng)WkWj

Uke

（6-而

時(shí)

1UUke或U 五、電磁轉(zhuǎn)

（6-

TemC1mIzs(s(rz)2szU

（6-(rz(rz)2szj

rU

rz s

xz0

（6-式中CmC1C2C3——六、機(jī)械特轉(zhuǎn)矩Tems（或轉(zhuǎn)速n）TemfTemf(n曲線

曲線（6-8理想空載時(shí)，即s0(nnt時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Temrz的增大，機(jī)械特性曲線的最大轉(zhuǎn)矩Tmax值不變，但取得最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率sm在增大。Tmaxsm可利用求最大值的方法得出，由式（6-44）對(duì)s求一次導(dǎo) r dTem

CrU2 zmz

x2zz r s2z

x2zzdTem令 ，

sm

xz

（6-將ssm代入式（6-31）

Uj2xzUj

（6-smrz，而Tmax與rzs1(n0)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩叫做堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（Td。把s1代入式（6-得CrUTd

m rr z

（6-當(dāng)ssm1rzxz0accg，即0ssm6-9作為自動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行元件的交流伺服電動(dòng)機(jī)，要求在0s1整個(gè)運(yùn)行范sm1，這一特點(diǎn)是交流伺服電動(dòng)機(jī)與其6-4橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其分析方法一、橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成（結(jié)合多）190°IkIj90°BkBj相位差

BkBkmsin BjBjmsin(t90

（6-式中，——1的常數(shù)。磁密波把對(duì)應(yīng)于各瞬間的磁密空間向量B畫在一個(gè)圖形中，磁密空間向量B的軌跡（6-

的大小決定了磁場(chǎng)橢圓的程度。當(dāng)1時(shí)，兩相繞組脈動(dòng)振磁0IkIjBkBj相位差0為BkBkmsintBjBjmsint

（6-11（b）由圖可見，當(dāng)0，合成磁場(chǎng)磁密空間向量B是一個(gè)脈 個(gè)脈振磁場(chǎng)，的大小只影響脈振磁場(chǎng)B的軸線位置。0°90°90IkIj0°～90°Bk90BkBkmsin BjBjmsin(t

（6-（a）磁密波形（b）

圖6-11幅值不等的兩相脈振磁場(chǎng)（0）

90三、橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分析方法——當(dāng)控制電壓Uk0，僅勵(lì)磁繞組加有電壓UjBj位于勵(lì)磁繞組軸線上，其瞬時(shí)值隨時(shí)間作BjBjmsint。6-13)(1)B)(1)Bjmsin(t90)Bj1BjBjBjnmsin(t)Bj1Bjmsin()

Bj2(1)BjmsintBkBkmsin

（6-

sin(t

（6-該式為一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其幅值為Bjm，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向均與橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Bj2則是一個(gè)沿著勵(lì)磁繞組軸線的脈振磁場(chǎng)，其幅值為1)Bjm。可見，一個(gè)橢圓旋轉(zhuǎn)6-14脈振磁場(chǎng)Bj2又可用轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向彼此相反、且幅值等于1(1 B表示，則B

1

1 B1 1

jmB

jm （6-結(jié)論：1，正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值越大，反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值越小，磁場(chǎng)的橢圓度越小，當(dāng)1B0，即反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值為零，Bjm的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)0時(shí)，正、反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的B

1

jm四、橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特當(dāng)Uk0，僅加勵(lì)磁電壓Uj時(shí)，將形BjmB

1

jm若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，則轉(zhuǎn)子相對(duì)正向圓形旋snt6-15

sntn2nt(ntn)2 當(dāng)0s1時(shí)，則1s2TemT單相脈振磁場(chǎng)作用下電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)，如圖6-16，為達(dá)到無自轉(zhuǎn)的要求，轉(zhuǎn)子6-16(a)rzrz1

在理想空載時(shí)，橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速nt(s0，而是小于nt的n0(ss0)n0就是電動(dòng)機(jī)在橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下在橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，由于反向旋轉(zhuǎn)磁密B存在，產(chǎn)生了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T， 交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法及靜態(tài)特一、交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方勵(lì)磁繞組加上額定勵(lì)磁電壓Uie，保持勵(lì)磁電壓和控制電壓相位差906-20UA與UBC（常在勵(lì)相）電路中串聯(lián)或并聯(lián)上一定的電容（該電容叫移相電容Uj和Uk90°，當(dāng)改變Uk的大小進(jìn)行控制時(shí)，Uj和Uk相位差也隨轉(zhuǎn)速的改變由于電動(dòng)機(jī)繞組都有電感，因此Ij和Ik分 Uj和Uk一個(gè)相位角j電流相位超前電壓相位，于是Ij超前U一個(gè)角度，而 UUjUcC的數(shù)值適當(dāng)，就可以使Uj和U90°。下面推導(dǎo)Uj和Uk90°時(shí)，移相電容的計(jì)算公式。Uj由電壓相量圖可知，當(dāng)U和Uj90°時(shí)，有Uc把UjIjzj,UcIjxc代入上式得

Ujzjz

2

sin Csinj(F)sinj106(F所 2fz 2fz

（6-必 zj及其幅角j也都隨轉(zhuǎn)速而改變，這樣，在某一轉(zhuǎn)速下所確定的移相電容值，只能在該轉(zhuǎn)速下保證Uj和Uk90°，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變之后，Uj和Uk90°了。通常要求電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)建立圓形旋轉(zhuǎn)磁Csinj0106(F 2jzj0j0

（6-由式（6-43）可知，我們只要知道了j0zj0，就可以計(jì)算出Uj與Uk相位90°所需要的電容值C0。實(shí)驗(yàn)的方法確定j0zj0二、交流伺服電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特有效信號(hào)系數(shù)幅值控制是指UjUje,Uj與Uk的相位差

Uk制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。為了方便，Uk的大小常用其相對(duì)值eeUke式中UkUke

（6-eUk在0～Uee在0～1Uk0e0UkUee1稱狀態(tài)，是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，又當(dāng)0UkUe時(shí)，即0e1時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于不e的大小不但表示控制電壓的大小，而 Bkm

說e與表示磁場(chǎng)橢圓度的 jm是一樣的，下面證明 UjUjeBjmBjme

Bjme衡方程式各得UkEk，當(dāng)UkUke,UkeEke。Ek4.44fWkEke4.44fWk

所以 當(dāng)UkUkeBjmeBkmee

BkmB6-22不同e6-236-66-7交流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇6-26動(dòng)態(tài)響應(yīng)m 2m

體積、重量及效率為了滿足控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的要求，交流伺服（100W以上）自轉(zhuǎn)現(xiàn)象對(duì)于交流伺服電動(dòng)機(jī)，若參數(shù)選擇不當(dāng)，或制造工藝良，都電刷和換向器的滑動(dòng)接觸由于直流伺服電動(dòng)機(jī)有電刷和換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造，電刷和換向器之間的滑動(dòng)接觸使電刷接觸電阻不穩(wěn)定，因而，可燃?xì)怏w燃燒或，摩擦阻力矩的增大會(huì)使死增大，而交流伺服電動(dòng)機(jī)沒有電IkZl6-276-28三、單相自轉(zhuǎn)與控制信號(hào)時(shí)控制相