第7章 交流伺服電動(dòng)機(jī)

第7章交流伺服電動(dòng)機(jī)7.1概述7.2交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理7.3兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)7.4圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析7.5三相異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩7.6橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其分析方法7.7幅值控制時(shí)的特性7.8移相方法和控制方式7.9電容伺服電動(dòng)機(jī)的特性7.10交流伺服電動(dòng)機(jī)的使用7.11主要性能指標(biāo)和技術(shù)數(shù)據(jù)思考題與習(xí)題7.1概述

伺服電動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。被控對(duì)象的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速受信號(hào)電壓控制，信號(hào)電壓的大小和極性改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也跟著變化。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中主要作為執(zhí)行元件，自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)它提出的要求主要有下列幾點(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)具有線性關(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)，也就是要求伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；

(4)控制功率要小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大；

(5)機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，始動(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。1—交流伺服電動(dòng)機(jī)；2—減速齒輪；3—機(jī)械負(fù)載軸圖7-1交流伺服電動(dòng)機(jī)的功用7.2交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理7.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

7.2.2工作原理交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩大部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組，如圖7-2所示。其中l(wèi)1-l2稱為勵(lì)磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。

7.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)子的結(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(lái)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。交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，勵(lì)磁繞組兩端施加恒定的勵(lì)磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk，如圖7-8所示。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)就會(huì)很快轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。為了說(shuō)明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理，首先觀察下面的實(shí)驗(yàn)。7.2.2工作原理圖7-9是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置。一個(gè)能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鼠籠轉(zhuǎn)子放在可用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)的兩極永久磁鐵中間，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使永久磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)磁鐵中間的鼠籠轉(zhuǎn)子也會(huì)跟著磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比磁鐵慢，當(dāng)磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變?，F(xiàn)在來(lái)分析一下鼠籠轉(zhuǎn)子跟著磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的原理。當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，在空間形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。假設(shè)圖7-9中的永久磁鐵是順時(shí)針?lè)较蛞詎s的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。導(dǎo)條都是通過(guò)短路環(huán)連接起來(lái)的，因此在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會(huì)有電流流過(guò)。電流有功分量的方向和感應(yīng)電勢(shì)方向相同。轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)條與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，這個(gè)電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上，并對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩方向與磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是一致的，也是順時(shí)針?lè)较?。為了克服機(jī)械負(fù)載的阻力矩，轉(zhuǎn)子繞組中必須要有一定大小的電流以產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)子繞組中的電流是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條產(chǎn)生的，那末要產(chǎn)生一定數(shù)量的電流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須要低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。顯然，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于磁鐵的轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁鐵之間就沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條將不切割磁力線，這時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中不產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)、電流以及電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是比磁鐵轉(zhuǎn)速低。機(jī)械負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩越大，需要的轉(zhuǎn)子電流越大，需要的相對(duì)切割速度越大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)得越慢。從上面的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)清楚地說(shuō)明，鼠籠轉(zhuǎn)子所以會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)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(jiǎn)單工作原理。非磁性杯形轉(zhuǎn)子也能產(chǎn)生上述效果。杯形轉(zhuǎn)子與鼠籠轉(zhuǎn)子從外表形狀來(lái)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，如圖7-7所示。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(méi)有什么差別，在電機(jī)中所起的作用也完全相同。

非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。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(zhǎng)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(guò)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。1—杯形轉(zhuǎn)子；2—外定子；3—內(nèi)定子；4—機(jī)殼；5—端蓋與鼠籠形轉(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(méi)有齒和槽，所以定、轉(zhuǎn)子間沒(méi)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)矩和輸出功率都小；另外，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)。優(yōu)缺點(diǎn)但應(yīng)該注意的是，在實(shí)際的電機(jī)中沒(méi)有一個(gè)像圖那樣的旋轉(zhuǎn)磁鐵，電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由定子兩相繞組通入兩相交流電流所產(chǎn)生。下節(jié)就來(lái)分析兩相繞組是怎樣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的。7.3兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

7.3.1圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生7.3.2旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向7.3.3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為了分析方便，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，7.3.1圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生用數(shù)學(xué)式表示為

ik=Ikmsin

ωtif=Ifmsin(ωt-90°)

Ifm=Ikm=Im

兩相對(duì)稱電流假定正值電流是從繞組始端流入，從末端流出，負(fù)值電流從繞組末端流入，從始端流出。不同瞬間電機(jī)磁場(chǎng)分布的情況從以上分析可見(jiàn)，當(dāng)兩相對(duì)稱電流通入兩相對(duì)稱繞組時(shí)，在電機(jī)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通密度Bδ在空間也可看成是按正弦規(guī)律分布的，其幅值是恒定不變的(等于Bm)，而磁通密度幅值在空間的位置卻以轉(zhuǎn)速ns在旋轉(zhuǎn)，如圖7-13所示。當(dāng)控制電流從正的最大值經(jīng)過(guò)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)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間轉(zhuǎn)了一圈。由于電機(jī)磁通密度幅值是恒定不變的，在磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，磁通密度向量B的長(zhǎng)度在任何瞬間都保持為恒值，等于一相磁通密度向量的最大值Bm，它的方位隨時(shí)間的變化在空間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，磁通密度向量B的矢端在空間描出一個(gè)以Bm為半徑的圓，這樣的磁場(chǎng)稱為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。僅控制繞組通入交流電時(shí)僅勵(lì)磁繞組通入交流電時(shí)任何瞬間電機(jī)合成磁場(chǎng)的磁通密度向量的長(zhǎng)度為：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，那末這樣兩個(gè)脈振磁場(chǎng)的合成必然是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。結(jié)論當(dāng)兩相繞組匝數(shù)不等，設(shè)匝數(shù)比為

(7-2)可以看出，只要兩個(gè)脈振磁場(chǎng)的磁勢(shì)幅值相等，即Ffm=Fkm，它們所產(chǎn)生的兩個(gè)磁通密度的脈振幅值就相等，因而這兩個(gè)脈振磁場(chǎng)合成的磁場(chǎng)也必然是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于磁勢(shì)幅值

Ffm

∝IfWfFkm∝IkWk

(式中，If、Ik分別為勵(lì)磁繞組電流及控制繞組電流的有效值)，所以當(dāng)Ffm

=Fkm

時(shí)，必有

IfWf=IkWk(7-3)

或(7-4)這就是說(shuō)，當(dāng)兩相繞組有效匝數(shù)不等時(shí)，若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這時(shí)兩個(gè)繞組中的電流值也應(yīng)不等，且應(yīng)與繞組匝數(shù)成反比。

伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)的，也就是說(shuō)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向是從流過(guò)超前電流的繞組軸線轉(zhuǎn)到流過(guò)落后電流的繞組軸線。圖7-12中控制電流ik超前勵(lì)磁電流if，所以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是從控制繞組軸線轉(zhuǎn)到勵(lì)磁繞組軸線，即按順時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)的.7.3.2旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向顯然，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)(電壓倒相或繞組兩個(gè)端頭換接)，則流過(guò)該繞組的電流也反相，即原來(lái)是超前電流的就變成落后電流，原來(lái)是落后電流的則變成超前電流(如圖7-16中，原來(lái)超前電流ik變成落后電流i′k)，因而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向改變，變成反時(shí)針?lè)较?，如圖7-17所示。這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)向也發(fā)生變化。實(shí)際上，在系統(tǒng)中使用時(shí)，就是采用這種方法使伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的。圖7-16一相電壓倒相后的繞組電流波形旋轉(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。兩極的電機(jī)，即極對(duì)數(shù)p=1。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，因而當(dāng)電源頻率f=400Hz，即每秒變化400個(gè)周期時(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=f=24000r/min

當(dāng)電源頻率f=50Hz時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為

ns=f=3000r/min7.3.3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ufuk四極電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速?gòu)纳蠄D的分析可知，當(dāng)控制電流從正的最大值經(jīng)過(guò)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(guò)半圈。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(guò)25圈，也就是說(shuō)，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

當(dāng)知道兩極電機(jī)p=1，ns=f；四極電機(jī)p=2,ns=f/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)式為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速常稱為同步速，以ns表示。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)，由式(7-5)可以看出，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)系如表7-1所示。

(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)。(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(shuō)，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(即相位改變180°)，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向。(5)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步速，只與電機(jī)極數(shù)和電源頻率有關(guān)，其關(guān)系為

7.3.4小結(jié)7.4圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)行分析7.4.1轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率

7.4.2電壓平衡

7.4.1轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率相對(duì)速率Δn=ns-n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=ns(1-s)轉(zhuǎn)差率伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流IR、轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)差率s隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL變化的情況：TL↑—→IR↑—→n↓—→s↑TL↓—→IR↓—→n↑—→s↓s=0，n=ns，此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步速相同，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不感應(yīng)電勢(shì)，也不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這相當(dāng)于轉(zhuǎn)子軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于0的理想空載情況s=1,n=0，此時(shí)轉(zhuǎn)子不動(dòng)，相當(dāng)于電機(jī)合上電源轉(zhuǎn)子將要啟動(dòng)的瞬間，或者負(fù)載轉(zhuǎn)矩將電機(jī)軸卡住不動(dòng)的情況7.4.2電壓平衡轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的電壓平衡方程式感應(yīng)電勢(shì)：e=Bδlv定、轉(zhuǎn)子繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e隨時(shí)間也是按正弦規(guī)律變化頻率與切割速度和極數(shù)有關(guān)P=1,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)就要交變1次P=2,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)就要交變?次P對(duì)極：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)就要交變p次：定、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)與頻率頻率fs：感應(yīng)電勢(shì)幅值：每極平均磁通=60f

（次/min）=f

（次/s）=f（Hz）鏈接由于定、轉(zhuǎn)子繞組都是由很多導(dǎo)體串聯(lián)而成的，定、轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)就等于串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)(通常用匝數(shù)表示，串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)等于串聯(lián)匝數(shù)的兩倍)乘上每根導(dǎo)體的感應(yīng)電勢(shì)。定、轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢(shì)有效值漏磁電勢(shì)繞組壓降勵(lì)磁繞組漏磁電勢(shì)：控制繞組漏磁電勢(shì)：轉(zhuǎn)子繞組漏磁電勢(shì)：

勵(lì)磁繞組電阻壓降：控制繞組電阻壓降：轉(zhuǎn)子繞組電阻壓降：電壓平衡方程式

2.電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓平衡方程式定子繞組中的電勢(shì)和電流頻率仍為f，因此定子繞組感應(yīng)電勢(shì)及電抗、電阻壓降表達(dá)式與前面轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)完全相同。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速ns旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子朝著同一方向以轉(zhuǎn)速n在轉(zhuǎn)動(dòng)：定子轉(zhuǎn)子鏈接：n=0公式P對(duì)極：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)繞著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)就要交變p次：n=0時(shí)轉(zhuǎn)子頻率：n≠0時(shí)轉(zhuǎn)子頻率：n=0時(shí)感應(yīng)電勢(shì)幅值：每極平均磁通鏈接：n=0公式n≠0時(shí)感應(yīng)電勢(shì)幅值：n≠0時(shí)感應(yīng)電勢(shì):鏈接：n=0時(shí)感應(yīng)電勢(shì)n=0時(shí)感應(yīng)電勢(shì):轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢(shì)：即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子電勢(shì)ERs

等于轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的電勢(shì)ER與轉(zhuǎn)差率s的乘積?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)為最大，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以后，由于轉(zhuǎn)差率s減小，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)也就減小，當(dāng)理想空載n=ns,s=0時(shí)，則轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)ERs=0。轉(zhuǎn)子漏磁電勢(shì)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)XRs

=XR，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)隨轉(zhuǎn)差率s的減小而減小。電壓平衡是電機(jī)中的一個(gè)很重要的規(guī)律，利用它可以分析電機(jī)運(yùn)行中發(fā)生的許多物理現(xiàn)象。對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)也是如此。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電壓平衡方程式7.4.3圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)的定子繞組電壓兩種情況產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（一）(1)當(dāng)勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)Wf和控制繞組有效匝數(shù)Wk相等，即Wf=Wk時(shí)，定子繞組為對(duì)稱兩相繞組，產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)的定子電流必須是兩相對(duì)稱電流，即兩相電流幅值相等，相位相差90°。勵(lì)磁繞組和控制繞組參數(shù)相等：控制繞組比勵(lì)磁繞組超前90°：Rk=Rf

，Xk=Xf兩定子繞組電壓關(guān)系：兩相定子繞組匝數(shù)相等時(shí)，為得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩個(gè)繞組電壓必須是兩相對(duì)稱電壓。(2)當(dāng)兩相繞組匝數(shù)不等時(shí)，設(shè)Wf/Wk=k，此時(shí)為得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩相電流幅值不等、相位仍差90°。兩種情況產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（二）兩繞組感應(yīng)電勢(shì)當(dāng)兩相繞組在定子鐵心中對(duì)稱分布時(shí)，每相繞組占有相同的槽數(shù)其中每相繞組導(dǎo)線的長(zhǎng)度正比于匝數(shù)，即l∝W，導(dǎo)線截面積反比于匝數(shù)，S∝1/W，所以電阻R∝W2。知識(shí)點(diǎn)鏈接定子漏電抗定子電壓關(guān)系：當(dāng)兩相繞組匝數(shù)不等時(shí)，要得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩相電壓的相位差應(yīng)是90°，其值應(yīng)與匝數(shù)成正比。當(dāng)兩相繞組產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，這時(shí)加在定子繞組上的電壓分別定義為額定勵(lì)磁電壓

和額定控制電壓，并稱兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)處于對(duì)稱狀態(tài)。由以上分析可知，當(dāng)Wk=Wf，則

Ufn

=Ukn

若Wf/Wk=k,則一般情況下7.4.4轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性

1.電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的氣隙磁通密度波Bδ以同步速ns，而轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n從右向左旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上有ZR(=10)根鼠籠條分布在它的圓周上，每?jī)筛蠡\條之間相夾的角度為α。某一瞬間t導(dǎo)條1e1=ERmsin0°

導(dǎo)條2e2=ERmsin

α

導(dǎo)條3e3=ERmsin2α……

導(dǎo)條10e10

=ERmsin9α

上述各式中的ERm

為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電勢(shì)最大值，就是當(dāng)導(dǎo)條切割磁通密度最大值Bδm

時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以相對(duì)速度Δn=ns-n切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條轉(zhuǎn)子導(dǎo)條感應(yīng)電勢(shì)由于轉(zhuǎn)子繞組存在漏電抗，轉(zhuǎn)子阻抗是電感性的，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流要落后于電勢(shì)一個(gè)阻抗角φR，這時(shí)導(dǎo)條的電流為：導(dǎo)條1i1=IRmsin(-φR)

導(dǎo)條2i2=IRmsin(α-φR)

導(dǎo)條3i3=IRmsin(2α-φR)……

導(dǎo)條10i10

=IRmsin(9α-φR)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流根據(jù)f=Bδil的原理求力，可得這時(shí)各導(dǎo)條所受到的電磁力為：導(dǎo)條1F1=Bδ1i1l=0×i1×l=0

導(dǎo)條2F2=Bδ2i2l=BδmsinαIRmsin(α-φR)l

導(dǎo)條3F3=Bδ3i3l=Bδmsin2αIRmsin(2α-φR)l……

導(dǎo)條10F10

=Bδ10i10l

=Bδmsin9αIRmsin(9α-φR)l轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到的電磁力則各導(dǎo)條所受到的電磁力為：

導(dǎo)條2F2=

1/2BδmIRml［cos

φR-cos(2α-φR)］導(dǎo)條3F3=

1/2BδmIRml［cos

φR-cos(4α-φR)］……導(dǎo)條10F10

=

1/2BδmIRml［cos

φR-cos(18α-φR)］運(yùn)算整理整個(gè)轉(zhuǎn)子所受到的電磁力作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩等于電磁力乘上轉(zhuǎn)子的半徑，即轉(zhuǎn)矩式中，DR為轉(zhuǎn)子鐵心外徑。轉(zhuǎn)子總的電磁轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)位置無(wú)關(guān)，是一個(gè)不隨時(shí)間而變的常數(shù)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通Φ及轉(zhuǎn)子電流的有功分量IR

cosφR成正比。具體求解T中的IR又所以Uf≈Ef=4.44WffΦ勵(lì)磁繞組的電阻壓降IfRf和電抗壓降IfXf相對(duì)于電勢(shì)Ef相當(dāng)小，可以近似的忽略每極磁通可近似地表示為

Φ≈

Uf

/4.44Wffcos

φR是轉(zhuǎn)子電路中的功率因數(shù)：具體求解T中的Φ及cosφR整理后的近似電磁轉(zhuǎn)矩該式表示伺服電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電壓、電機(jī)參數(shù)及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系。對(duì)已制成的電機(jī)，電機(jī)參數(shù)是一定的，f又為常數(shù)，因此當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，也就是轉(zhuǎn)差率s不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，即T∝U2f

當(dāng)勵(lì)磁繞組兩端接在恒定的交流電源上時(shí)，勵(lì)磁電壓Uf的值將保持不變，所以對(duì)于一定的電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率s(也就是轉(zhuǎn)速)的變化而變化。

2.轉(zhuǎn)矩公式和機(jī)械特性的討論機(jī)械特性曲線分析（以曲線1為例）當(dāng)理想空載即n=ns、s=0時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T=0，隨著轉(zhuǎn)差率增加(即轉(zhuǎn)速的減少)，電磁轉(zhuǎn)矩增加；當(dāng)轉(zhuǎn)差率s=sm時(shí)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值Tmax

，以后轉(zhuǎn)矩逐漸減??；當(dāng)轉(zhuǎn)差率s=1、n=0即電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩為Td，此稱為伺服電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Td分析（一）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)帶負(fù)載能力大，電機(jī)加速也比較快。最大轉(zhuǎn)矩Tmax

值此時(shí)S值為：推導(dǎo)方法：1、導(dǎo)數(shù)求極值法2、a2+b2>=2ab當(dāng)且僅當(dāng)a=bsm稱為臨界轉(zhuǎn)差率堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Td分析（二）臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子電阻RR成正比，但最大轉(zhuǎn)矩的值卻與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩值保持不變，而臨界轉(zhuǎn)差率隨著增大。隨著轉(zhuǎn)子電阻增大，特性曲線的最大點(diǎn)沿著平行于橫軸的直線mn向左移動(dòng)，這樣可保持最大轉(zhuǎn)矩不變，而臨界轉(zhuǎn)差率成比例地增大?？偨Y(jié)：Tmax和Uj2成正比，和轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)Sm和轉(zhuǎn)子電阻正比，和Uj無(wú)關(guān)機(jī)械特性穩(wěn)定性分析（一）自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)有一個(gè)重要要求，就是在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)應(yīng)保證其工作的穩(wěn)定性，而這個(gè)要求只有下垂的機(jī)械特性才能達(dá)到。電機(jī)在下降段g點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。1、負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩由TL突然增加到T′L，g→g′2、負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩又突然恢復(fù)到TLg′

→g穩(wěn)定區(qū)機(jī)械特性穩(wěn)定性分析（二）假定電動(dòng)機(jī)在b點(diǎn)運(yùn)行1、負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩突然增加時(shí)，

b→a停轉(zhuǎn)。2、負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩突然下降，

b→c不穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定性選擇對(duì)于一般負(fù)載(如恒定負(fù)載)只有在機(jī)械特性下降段，即導(dǎo)數(shù)dT/dn＜0處才是穩(wěn)定區(qū)，才能穩(wěn)定運(yùn)行。為了使伺服電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速?gòu)?~ns的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都保證其工作穩(wěn)定性，它的機(jī)械特性就必須在轉(zhuǎn)速?gòu)?~ns的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都是下垂的。要具有這樣下垂的機(jī)械特性，交流伺服電動(dòng)機(jī)要有足夠大的轉(zhuǎn)子電阻，使臨界轉(zhuǎn)差率sm＞1。轉(zhuǎn)子電阻也不能太大，否則堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Td將隨轉(zhuǎn)子電阻增加而減小。比較曲線3和4可以看出原因。7.6橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其分析方法7.6.1橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成7.6.2橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分析方法——分解法7.6.1橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成交流伺服電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中控制電壓經(jīng)常在變化，因此兩相繞組所產(chǎn)生的磁勢(shì)幅值一般是不相等的，即IkWk≠IfWf，這樣代表兩個(gè)脈振磁場(chǎng)的磁通密度向量幅值也不相等，即Bkm

≠Bfm

，而且通入兩個(gè)繞組中的電流在時(shí)間上相位差也不總是90°。一般情況

(a)t=t0，t3,t6;(b)t=t1,t4；(c)t=t2,t5正表示從頭到尾（一）兩相電流相位差為90°而幅值不等橢圓形磁場(chǎng)令α為橢圓的長(zhǎng)、短軸之比，則α=Bkm/Bfm轉(zhuǎn)速也是個(gè)變化量。不同α值的橢圓度（二）兩相電流相位差為0°合成脈振磁場(chǎng)

一般情況下的合成磁場(chǎng)同相分量無(wú)旋轉(zhuǎn)作用，只能一起產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)。

90°分量才能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。β在0到90°之間變化時(shí)，橢圓度也隨著變化。

7.6.2橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分析方法——分解法一、脈振磁場(chǎng)的分解脈振磁場(chǎng)就是橢圓形磁場(chǎng)的橢圓度大到極端的情況?？梢园阉纸獬蓛蓚€(gè)幅值相等、轉(zhuǎn)速相同，但轉(zhuǎn)向相反的圓形磁場(chǎng)來(lái)等效。脈振磁場(chǎng)的分解例：伺服電動(dòng)機(jī)兩個(gè)繞組中的電流相位差為90°，但磁勢(shì)的幅值不相等時(shí)所產(chǎn)生的橢圓磁場(chǎng)。

Bf=Bfmsin(ωt-90°)Bk=αBfmsin

ωt二、一般橢圓磁場(chǎng)的分解將勵(lì)磁磁通Bf進(jìn)行如下的分解：

Bf=Bfmsin(ωt-90°)=αBfmsin(ωt-90°)+(1-α)Bfmsin(ωt-90°)=Bf1

+Bf2

上式的意思就是磁通密度向量Bf可看作由

Bf1

=αBfm

·sin(ωt-90°)和

Bf2

=(1-α)Bfmsin(ωt-90°)分解過(guò)程（一）兩個(gè)磁通密度向量的合成。Bkm

=αBfm

所以，一個(gè)橢圓磁場(chǎng)就可看作為一個(gè)圓形磁場(chǎng)和一個(gè)脈振磁場(chǎng)的合成，圓形磁場(chǎng)的幅值為

B圓=αBfm

脈振磁場(chǎng)的幅值為

B脈=(1-α)Bfm

橢圓磁場(chǎng)的分解再根據(jù)前面的分析，脈振磁場(chǎng)Bf2

又可分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反、幅值都等于脈振磁通密度最大值之半的圓磁場(chǎng)，因此原來(lái)的橢圓磁場(chǎng)就可用兩個(gè)正向圓磁場(chǎng)和一個(gè)反向圓磁場(chǎng)來(lái)等效，兩個(gè)正向圓磁場(chǎng)由于轉(zhuǎn)速相同，而且磁場(chǎng)的軸線一致，所以可合成一個(gè)圓磁場(chǎng)，與原來(lái)的磁場(chǎng)同方向旋轉(zhuǎn)。它的幅值用B正表示，即交流伺服電動(dòng)機(jī)在一般的運(yùn)行情況時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的是一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，橢圓形磁場(chǎng)可用兩個(gè)轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)代替，其中一個(gè)的轉(zhuǎn)向與原來(lái)的橢圓磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同，稱為正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，另一個(gè)則相反，稱為反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如果磁場(chǎng)的橢圓度越小(即α越接近1)，反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就越小，而正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就越大；反之，如果磁場(chǎng)橢圓度越大(即α接近0)，則反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就越大，正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就越小，但不管α多大，反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值總是小于正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值，只有當(dāng)控制繞組中的電流為0，即α=0，成為脈振磁場(chǎng)時(shí)，正、反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值才相等。結(jié)論7.7幅值控制時(shí)的特性7.7.1有效信號(hào)系數(shù)αe7.7.2不同有效信號(hào)系數(shù)時(shí)的機(jī)械特性7.7.3零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性和無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象

7.7.4轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)特性7.7.1有效信號(hào)系數(shù)αe在實(shí)際使用中，考慮到控制電壓是表征對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)所施加的控制電信號(hào)，用有效信號(hào)系數(shù)αe表示。

Uk為實(shí)際控制電壓；Ukn

為額定控制電壓，當(dāng)控制電壓Uk在0~Ukn

變化時(shí)，有效信號(hào)系數(shù)αe在0~1變化。有效信號(hào)系數(shù)αe改變控制電壓，即改變?chǔ)羍的大小，也就改變了電機(jī)（橢圓度）不對(duì)稱程度，所以兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)是靠改變電機(jī)運(yùn)行的不對(duì)稱程度來(lái)達(dá)到控制的目的。7.7.2不同有效信號(hào)系數(shù)時(shí)的機(jī)械特性根據(jù)對(duì)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分析，可作出交流伺服電動(dòng)機(jī)不同有效信號(hào)系數(shù)時(shí)的機(jī)械特性。當(dāng)αe=1時(shí)，氣隙磁場(chǎng)是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；當(dāng)αe≠1時(shí)，氣隙磁場(chǎng)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它可用正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個(gè)圓磁場(chǎng)來(lái)代替，它們的作用可以想象為有兩對(duì)大小不同的磁鐵N-S和N′-S′在空間以相反的方向旋轉(zhuǎn)，其中和轉(zhuǎn)子同方向旋轉(zhuǎn)的一對(duì)大磁鐵N-S等效為正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，另一對(duì)小磁鐵N′-S′等效為反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速都等于同步速ns。轉(zhuǎn)差率根據(jù)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)工作原理的分析，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，它的方向總是與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相同，也就是說(shuō)，電磁轉(zhuǎn)矩總要力圖使轉(zhuǎn)子順著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。由于反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，因此反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T反與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向也相反，是阻止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的。電動(dòng)機(jī)的總轉(zhuǎn)矩：T=T正-T反

在圓磁場(chǎng)作用下，對(duì)于一定的轉(zhuǎn)差率s和電機(jī)參數(shù)，T∝B2δm

對(duì)稱狀態(tài)時(shí)αe=1,Bδm

=Bfm

對(duì)稱狀態(tài)時(shí)反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)αe時(shí)的機(jī)械特性曲線不同αe時(shí)機(jī)械特性曲線當(dāng)αe變小，正轉(zhuǎn)圓磁場(chǎng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T正減小，反轉(zhuǎn)圓磁場(chǎng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T反增大，合成轉(zhuǎn)矩T曲線必然向下移動(dòng)。控制電壓Uk=0，或αe=0。當(dāng)αe=0時(shí)，磁場(chǎng)是脈振磁場(chǎng)，它可以分解為幅值相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其作用可以想象為有兩對(duì)相同大小的磁鐵N-S和N′-S′在空間以相反方向旋轉(zhuǎn)。

7.7.3零信號(hào)時(shí)的機(jī)械特性和無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象零信號(hào)RR=RR1

較小

0＜s正＜1時(shí)，合成轉(zhuǎn)矩T絕大部分都是正的伺服電動(dòng)機(jī)在控制電壓Uk作用下工作，當(dāng)突然切去控制電信號(hào)，即Uk=0時(shí)，只要阻轉(zhuǎn)矩小于單相運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)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。轉(zhuǎn)子電阻影響下的特性曲線RR=RR2

＞RR1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，仍將產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。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(shí)合成轉(zhuǎn)矩曲線與橫軸相交僅有一點(diǎn)(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(dòng)轉(zhuǎn)矩。因而當(dāng)控制電壓Uk取消變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行時(shí)，電機(jī)就立刻產(chǎn)生制動(dòng)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(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在這種情況下，停轉(zhuǎn)時(shí)間甚至較兩相繞組的電壓Uk和Uf同時(shí)取消時(shí)還快些。當(dāng)控制電壓一旦取消時(shí)(即Uk=0時(shí))，伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)。為了消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，要求有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)子電阻。無(wú)自轉(zhuǎn)要求及對(duì)應(yīng)曲線除了由于轉(zhuǎn)子電阻不夠大而引起的自轉(zhuǎn)以外，還存在一種工藝性的自轉(zhuǎn)。這種自轉(zhuǎn)是由于定子繞組有匝間短路，鐵心有片間短路，或者各向磁導(dǎo)不均等工藝上的原因所引起的。因此當(dāng)取消電信號(hào)時(shí)，本應(yīng)是脈振磁場(chǎng)，但這時(shí)卻成了微弱的橢圓磁場(chǎng)。在橢圓磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子也會(huì)自轉(zhuǎn)起來(lái)。工藝性自轉(zhuǎn)多半發(fā)生在功率極小(十分之幾瓦至數(shù)瓦)的伺服電動(dòng)機(jī)中，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性極小，在很小的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下就能轉(zhuǎn)動(dòng)。工藝性的自轉(zhuǎn)

7.7.4轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)特性設(shè)電機(jī)的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩為TL(包括電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩)，有效信號(hào)系數(shù)αe=0.25時(shí)電機(jī)在特性點(diǎn)a運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為na，這時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩相平衡。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定的情況下，轉(zhuǎn)速與有效信號(hào)系數(shù)αe的變化關(guān)系。調(diào)節(jié)特性

堵轉(zhuǎn)特性是指伺服電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與控制電壓的關(guān)系曲線，即Td=f(αe)曲線。7.7.5堵轉(zhuǎn)特性由于Td0

恒定不變，所以堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

Td∝αe

即交流伺服電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與有效信號(hào)系數(shù)αe近似地成正比，堵轉(zhuǎn)特性Td=f(αe)近似地是一條直線。在應(yīng)用中，經(jīng)常需要用簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)式表示系統(tǒng)中各個(gè)元件的特性。

7.7.6機(jī)械特性實(shí)用表達(dá)式用一個(gè)轉(zhuǎn)速n的高次多項(xiàng)式來(lái)近似表達(dá)機(jī)械特性曲線T10。對(duì)于一般交流伺服電動(dòng)機(jī)，由于機(jī)械特性接近直線。故取三項(xiàng)已足夠準(zhǔn)確。T10

=Td0

+Bn+An2式中系數(shù)B與A可由下面兩個(gè)條件確定：7.8移相方法和控制方式目的：形成相差90°的兩相電源。四種常用的移相方法：利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90°的移相。2.利用三相電源的任意兩相線電壓。3.采用移相網(wǎng)絡(luò)4.在勵(lì)磁相中串聯(lián)電容器三相電源如有中點(diǎn)，可取一相電壓如(或經(jīng)過(guò)單相變壓器變壓)加到控制繞組上，另外兩相的線電壓如

(也可經(jīng)過(guò)單相變壓器變壓)供給勵(lì)磁繞組，從圖7-50的相量圖可知，因

，所以和

兩個(gè)電壓的相位差為90°。1.利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90°的移相UkUf三相變壓器副邊的相電壓與線電壓具有90°

2.利用三相電源的任意兩相線電壓三相電源三個(gè)線電壓的相位互差120°，有時(shí)為了方便，直接取任意兩相線電壓使用，若加上系統(tǒng)中其它元件(如自整角機(jī)，伺服放大器等具有移相作用)的相位移，這時(shí)加到伺服電動(dòng)機(jī)定子繞組上的兩個(gè)電壓能接近90°的相位差。

3.采用移相網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)的控制線路中，為了使伺服電動(dòng)機(jī)的控制電壓與勵(lì)磁電壓成90°的相移，往往采用移相網(wǎng)絡(luò)，如圖7-52所示。這時(shí)把線路上恒定的單相交流電源作為基準(zhǔn)電壓供給系統(tǒng)中的各個(gè)元件(如圖中的自整角機(jī)及交流伺服電動(dòng)機(jī))，由敏感元件(如自整角變壓器)輸出的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)電子移相網(wǎng)絡(luò)再輸入到交流放大器中去，這樣通過(guò)移相網(wǎng)絡(luò)移相，再加上敏感元件和放大器的相移，在交流放大器輸出端就能得到與系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓成90°相移的控制電壓。圖7-52采用電子移相網(wǎng)絡(luò)的伺服系統(tǒng)

輸出相移信號(hào)輸出與基準(zhǔn)電壓相位差90°的信號(hào)以上幾種移相方法是直接將電源移相或通過(guò)移相網(wǎng)絡(luò)使勵(lì)磁電壓和控制電壓之間有一固定的90°相移，這些移相方法通稱為電源移相。采用電源移相時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)只是通過(guò)改變控制電壓的值來(lái)控制轉(zhuǎn)速的，而定子繞組上兩電壓的相位差恒定地保持為90°。這種控制方式常稱為幅值控制。

在交流伺服電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁相電路中串聯(lián)(或串、并聯(lián))上一定的電容C，

在放大器之前就不需要再引入電子移相網(wǎng)絡(luò)了。

4.在勵(lì)磁相中串聯(lián)電容器

7.10交流伺服電動(dòng)機(jī)的使用

7.10.1控制繞組與放大器的連接7.10.2電機(jī)的輸入阻抗

7.10.3放大器內(nèi)阻抗對(duì)機(jī)械特性的影響

7.10.4單相自轉(zhuǎn)

7.10.6控制電壓中正交分量和高次諧波分量的影響

無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象是控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求之一。交流伺服電動(dòng)機(jī)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象與控制電信號(hào)取消時(shí)控制相電路的情況及放大器內(nèi)阻抗的值有關(guān)。

控制電信號(hào)取消時(shí)，控制相繞組可以是斷開(kāi)，也可以是直接短接，或是通過(guò)一定的阻抗(如放大器的輸出阻抗)短接。7.10.4單相自轉(zhuǎn)1.型號(hào)說(shuō)明例如：7.11.2主要技術(shù)數(shù)據(jù)

2.電壓技術(shù)數(shù)據(jù)表中勵(lì)磁電壓和控制電壓指的都是額定值。勵(lì)磁繞組的額定電壓一般允許變動(dòng)范圍為±5%左右。電壓太高，電機(jī)會(huì)發(fā)熱；電壓太低，電機(jī)的性能將變壞，如堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和輸出功率會(huì)明顯下降，加速時(shí)間增長(zhǎng)等。當(dāng)電機(jī)作為電容伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，應(yīng)注意到勵(lì)磁繞組兩端電壓會(huì)高于電源電壓，而且隨轉(zhuǎn)速升高而增大，其值如果超過(guò)額定值太多，會(huì)使電機(jī)過(guò)熱?？刂评@組的額定電壓有時(shí)也稱最大控制電壓，在幅值控制條件下加上這個(gè)電壓就能得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

3.頻率目前控制電機(jī)常用的頻率分低頻和中頻兩大類，低頻為50Hz(或60Hz)，中頻為400Hz(或500Hz)。因?yàn)轭l率越高，渦流損耗越大，所以中頻電機(jī)的鐵心用較薄的(0.2mm以下)硅鋼片疊成，以減少渦流損耗；低頻電機(jī)則用0.35~0.5mm的硅鋼片。低頻電機(jī)不應(yīng)該用中頻電源，中頻電機(jī)也不應(yīng)該用低頻電源，否則電機(jī)性能會(huì)變差。在不得已時(shí)，低頻電源之間或者中頻電源之間可以互相代替使用，但要隨頻率正比地改變電壓，而保持電流仍為額定值，這樣，電機(jī)發(fā)熱可以基本上不變。例如一臺(tái)500Hz、110V的電機(jī)，如果用在400Hz時(shí)，那末加到電機(jī)上的電壓就應(yīng)改成110×400/500=88V。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，改成代用頻率之后，電機(jī)特性總要略差一些。

4.堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)電流定子兩相繞組加上額定電壓，轉(zhuǎn)速等于0時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。這時(shí)流經(jīng)勵(lì)磁繞組和控制繞組的電流分別稱堵轉(zhuǎn)勵(lì)磁電流和堵轉(zhuǎn)控制電流。堵轉(zhuǎn)電流通常是電流的最大值，可作為設(shè)計(jì)電源和放大器的依據(jù)。

5.空載轉(zhuǎn)速定子兩相繞組加上額定電壓，電機(jī)不帶任何負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為空載轉(zhuǎn)速n0。空載轉(zhuǎn)速與電機(jī)的極數(shù)有關(guān)。由于電機(jī)本身阻轉(zhuǎn)矩的影響，空載轉(zhuǎn)速略低于同步速。

6.額定輸出功率電機(jī)處于對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近空載轉(zhuǎn)速n0的一半時(shí)，輸出功率最大。通常就把這點(diǎn)規(guī)定為交流伺服電動(dòng)