第3章_交流伺服电动机

重量
在椭圆磁场下，所以电磁 所以功率较大的系统均采
转矩小，损耗大，效率抵 用直流电机
动态响应
J小，Tst小。时间常数相近 J大，Tst大
“自转”现象 可能会出现
无
电刷、换向器 无，故结构简单、运行可 有 靠
放大器
简单
直流放大器有零点漂移， 且体积重量较大
0,Uc 0 最不对称，脉振磁场
1,Uc U f 对称，圆形旋转磁场
0 1,0 Uc U f 不对称，椭圆形旋转磁场
2.相位控制
控制电压的幅值保持不变，通过改变控制电压对励磁电 压的相角来实现对电机的控制。
交流伺服电动机的控制方式
交流伺服电动机的控制方式
由于与励磁电压相差90度的电压为： jU1 sin
小和相位也随之改变。所以，这是一种幅值 和相位的复合控制方式。
交流伺服电动机的静态特性
1. 幅值控制时的静态特性
n*
1.0
T*=0 0.2 0.6 0.8
0.5
0.4
幅值控制时的机械特性
0
0.2 0.4
0.6 0.8 1.0 e
幅值控制时的调节特性
交流伺服电动机的静态特性
2. 相位控制时的静态特性
控制绕组
内定子
励磁绕组
杯形转子
交流伺服电动机结构图
交流异步伺服电动机
➢ 结构特点和工作原理
两相异步电机 定子：相距90度的绕组，控制绕组和励磁绕组。
f1
c1
c2
f2
交流伺服电动机的工作原理
工作原理：
▪ 与普通两相异步电机的相似之处：对称绕组，圆形旋转磁 场，转子导体切割磁，产生电磁转矩。
▪ 区别：执行元件。要求： (1)转子速度的快慢能反应控制信号的强弱，转动方向能反
➢调节特性的非线性度K
在额定励磁电压和空载情况下
，当有效信号系数e为0.7时，实
0
际调节特性与线性调节特性的速度
差与空载转速之比的百分数。
K 0 100% (20 ~ 25)% 0
e 0.7 1.0
交U 放大器
Uc
Uf
线性电位器输入端加电压U1， 输出端电压为：
重，为电励磁式电机所取代。第三代稀土永磁材料钕铁 硼（NdFeB）的问世，给永磁电机的研究和开发带来了 新的活力。
永磁同步电动机优点：高效节能
二、基本结构
三、工作原理
四、起动问题 当由工频电源直接供电时，由于定子旋转磁场与
转子永磁体磁场之间有相对转动，不能产生恒定方向 的电磁转矩，造成起动困难。
U1 U1 U U1 U2 U1 1 U 放大器 伺服电机
电机转动 改变
U1
U U1 1 0 此时 1
U1
交直流伺服电动机的比较
直流与交流异步伺服电动机的比较
交流
直流
静态特性
非线性，且理想线性机械 线性且平行 特性也不平行
效率、体积、 因为转子电阻大，且工作 体积小，重量轻，效率高，
大起定动义转获矩得，圆使形电旋机转在磁起场动时时信获号得系圆数形为旋转0，磁为场使，伺起服动电后机为有椭较圆
形磁场，故电容控制时电机的理想空载转速都低于同步转速。
T*
1.0
n*
1.0
0.75 0.5
0.25
e = 0.75 0
0
0.50 0
0.25 0
0
n*
0.25 0.5 0.75 1.0
电容控制时的机械特性
所以信号系数定义为：
0, 0
脉振磁场
U1 sin sin
U1
0 1, 0 90 椭圆形磁场
1, 90
圆形磁场
3.幅值相位控制（电容控制）
励磁回路串联电容
交流伺服电动机的控制方式
Cph
Uf U1 Ucph
当改变控制电压的幅值以改变转速时，由于 转子绕组的耦合作用，励磁电流 If 的大小和 相位都会改变，致使励磁绕组上的电压的大
n
T0 0
T0 0
Uc 0 Us0
始动电压
伺服电动机的选用
➢机械特性的非线性度Km 在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械特性与线
性机械特性在T=Tst/2时的速度差与空载转速之比百分数。
0
100% (10 ~ 20)%
0
T
0
Tst / 2
Tst
机械特性非线性度
伺服电动机的选用
应控制信号的相位，调速范围要宽； （2）无控制信号时，转子不能转动； （3）当电机转动起来以后，如控制信号消失，应立即停止 转动； （4）为减小体积和重量，一般采用400、500 或1000Hz。
交流伺服电动机的接线图
I1 +UC–
+
+
控制信号
检
+
U
测 元
放 大
U
U1
–
I2
– 励磁绕组
+ U2 –
二、工作原理
F N
S N
S N
S F
(a)
F
N
S
N
n1
S N
FS
(b)
图 磁滞同步电动机的工作原理
Fn F
N
S
N
Ft
n1
Ft
S
N
S
F Fn
(c)
伺服电动机的选用
➢性能指标
➢空载始动电压Us0
在额定励磁电压和空载下，使转子在任意位置开始连续 转表动示所伺需服的电最动小机控的制灵电敏压度称越为高空。载始动电压Us0。Us0越小，
磁阻同步电动机由于结构简单，成本低廉，获得 了较为广泛的应用。磁阻同步电动机有单相的和三 相的，功率从几瓦到几百瓦。
一、基本结构
笼型绕组
(a)
(b)
图 磁阻同步电动机的转子结构
(a) 2极转子 (b) 4极转子
二、工作原理
N n1
N
N
n1
n1
Te
S
S
S
(a)
(b)
(c)
图 磁阻同步电动机的原理图 (a) 0 (b) 0 90 (c) 90
1
–
件 器 控制绕组
交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果 控制电压变为零，电动机立即停转。
交流伺服电动机的控制方式
1.幅值控制
控制电压与励磁电压之间保持90度相位差不变，通过改 变控制信号（电压）的幅值来改变电机的转速。
交流伺服电动机的控制方式
定义： Uc U f 为信号系数，则：Uc U f
1.0 T*
n*
1.0
0.75
T*=0 0.2 0.6 0.8
sin=1 0.25
0.5
0.75
0.25
0.50
0.5 0.4
0
n*
0.25 0.5 0.75 1.0
0
0.2 0.4
sin
0.6 0.8 1.0
相位控制时的机械特性
相位控制时的调节特性
交流伺服电动机的静态特性
3. 电容控制时的静态特性
3.4.3 磁滞同步电动机 转子：硬磁材料，具有比较宽的磁滞回环。 优点：结构简单，运转可靠，起动转矩大 主要应用：无线电通讯、自动记录、传真及遥控装置 等， 其中50W以下小功率的应用最为广泛。
一、基本结构
硬磁材料
B Br
Hc
O
软磁材料
H
磁滞环 套筒
图 铁磁材料的磁滞回环
图 磁滞同步电动机的转子结构
n1
N1
n1
S1
N2 Te
S2
Te
S1
n1
N2 Te
S2
Te
N1
n1
(a)
(b)
图 永磁同步电动机的起动问题
造成永磁同步电动机不能直接起动的原因可归结为： (1) 转子本身一定的惯性； (2) 起动瞬间定、转子磁场之间转速相差过大。
3.4.2 磁阻同步电动机
磁阻同步电动机又称为反应式同步电动机，这种 电机的转子本身没有磁性，只是利用磁场中可移动 部件企图使磁路磁阻最小的原理，依靠转子两个正 交方向磁阻的不同而产生转矩，这种转矩称为磁阻 转矩或反应转矩。
T*=0 0.2 0.6 0.8
0.5
0.4
0
0.2 0.4
0.6 0.8 1.0
电容控制时的调节特性
交流同步伺服电动机 分为永磁式、磁阻式和磁滞式三种。 共同特点：转子上没有励磁绕组，取消了电励磁同步 电动机的滑环和电刷。
3.4.1 永磁同步电动机
一、概述 世界上第一台电机就是永磁电机，体积很大，笨
直流伺服电动机
伺服电动机在控制系统中的作用 直流伺服电动机分类、控制方式 直流伺服电动机的运行特性曲线 直流伺服电动机动态特性两个过程分析
交流伺服电动机
➢ 分类
交流异步
交流同步
永磁式 磁阻式 磁滞式
交流异步伺服电动机
➢ 结构特点和工作原理
交流伺服电动机：两相交流异步电机。 定子：励磁绕组和控制绕组。