电机控制 第八章

Bkm B fm
T K
sRR 2 U f 2 RR ( sX R ) 2
因此，改变控制电压的大小，可以改变电机运行的不对 称度，从而实现对电机的控制。 2 2 B正 1 e 2 2 T正 T T10 T U f B fm B 10 2 fm 2 2 1 B 1 B正 e B fm T 反 T T20 2 20 反 B 2 fm 1 2 2 B反 B fm 1 e 1 e 41 2 T T正 T反 T10 T20 2 2
2
T T正 T反
理想空载转速
堵转转矩
RR 2 Td K 2 U f 2 RR ( X R )
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零信号时的机械特性与无“自转现象”
所谓零信号是指控制信号为0，即Uk=0； 此时，磁场是脉振磁场，可以分解为幅值相等、 方向相反的两个圆形旋转磁场。
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存在自转现象 会造成系统失控
这两个圆形旋转磁场的磁通密度向量幅值等于 脉振磁通密度向量幅值的一半；
旋转速度等于脉振磁通密度变化的频率。
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椭圆磁场
两相电流相位差为90度，两 相绕组所产生的磁通密度幅 值不相等。
Bkm B fm
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33
34
结论
交流伺服电机在一般运行状态下，定子绕组产生的椭 圆形旋转磁场，可以采用两个转速相同、转向相反的 圆形旋转磁场来代替。 其中一个与椭圆形旋转磁场旋转方向相同，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。 椭圆度越大，反向圆形旋转磁场越大，正向圆形旋转 磁场越小；椭圆度越小，正向圆形旋转磁场越大，反 向圆形旋转磁场越小。 反向圆形旋转磁场幅值总是小于正向圆形旋转磁场的 35 幅值。
3. RR 的大小对 T 有影响。外接电阻来改变转子 电阻RR ，可改变电机电磁转矩。
20
sRR 2 T K 2 U f RR ( sX R ) 2
励磁电压一定时，不同转子电阻的机械特性
理想空载 堵转 最大输出转矩 dT 0 ds
Tmax
1 K U 2 f 2X R
21
25
前提条件：两相电流相位差为90度，两相绕组所 产生的磁通密度幅值不相等。
Bkm B fm
26
椭圆形旋转磁场磁通密 度向量长度是变化的 旋转速度也是个变值
27
28
椭圆形旋转磁场的分析方法—分解法 脉振磁场
29
30
一个脉振磁场可以采用两个幅值相等、旋转方 向相反的圆形旋转磁场来代替；
交流伺服电机控制方式
幅值控制 相位控制 幅值—相位控制
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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。
Uk e Uf
37
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正向圆形旋转磁场
反向圆形旋转磁场 由交流伺服电机的原理可知：旋转磁场与转子感应电流的相互作用 产生电磁转矩，其方向总是与旋转磁场的转向相同，即电磁转矩总 是力图使转子顺着旋转磁场的转向旋转。因此，电机总电磁转矩为 正向圆形旋转磁场所产生的电磁转矩与反向圆形旋转磁场所产生的 电磁转矩的合成。由于反向旋转磁场转向与转子转向相反，因此反 向旋转磁场所产生的转矩是阻止转子转动的。 交流伺服电机总转矩：
分析原因
鼠笼式转子的转动原 因 转子转向为何随永久 磁铁转向的改变而改 变？ 转子转速为何慢于永 久磁体转速？ 转子转速比旋转磁场 的转速究竟低多少？
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两相绕组的圆形旋转磁场
两相对称绕组：励磁绕 组和控制绕组有效匝数 相等，空间相距90度电 角度。 两相对称电流：幅值相 等、相位相差90度的两 相电流。
椭圆形旋转磁场及其分析
交流伺服电机工作在对称状态下，励磁绕组和 控制绕组合成磁场为圆形旋转磁场；
在系统工作时，为了进行速度控制，施加在控 制绕组上的电压是变化的，往往不等于额定值， 因此伺服电机也经常处于不对称状态；
两相绕组产生的磁场的磁通密度向量幅值不相 等，且两相绕组中通入的电流的相位差也不总 是90度。
U f E f 4.44 fW f Φ
由此得电磁转矩公式：
sRR 2 T K 2 U f 2 RR ( sX R )
19
电磁转矩公式
sRR 2 T K 2 U f RR ( sX R ) 2
由公式可知：
1. T 与定子励磁绕组电压 U 2 f成正比。
2. 当电源电压 Uf 一定时，T 是 s 的函数。
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旋转磁场的转速（同步速）
取决于电机的极对数和电流的频率
f 60 f ns (r / s) (rpm) p p
n ns
转差率s
异步电机
ns n s ns
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电磁转矩与机械特性
转矩公式
转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到 电磁力所形成的转矩之总和。
N
N
S
S
S
N
13
工作原理
实验结果 ：当转动手柄使永久磁铁旋转时，
会发现磁铁中间的鼠笼式转子会跟着转动起来； 但是，转子的转速比磁铁要慢；当永久磁铁的转 向改变时，转子的旋转方向也跟着改变。 14
转子结构
鼠笼式转子 非磁性空心杯形转子
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两相绕组的圆形旋转磁场
两相对称绕组：励磁绕 组和控制绕组有效匝数 相等，空间相距90度电 角度。 两相对称电流：幅值相 等、相位相差90度的两 相电流。
3
转子结构
鼠笼式转子 非磁性空心杯形转子
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非磁性空心杯形转子
最大特点是：运行平稳
杯形转子可以看成是鼠笼条数非常多、条与条之间彼此紧 靠在一起的鼠笼转子，杯形转子两端也看作短接环；杯形转 5 子只是鼠笼式转子的一种特殊形式。
工作原理
实验结果 ：当转动手柄使永久磁铁旋转时，
会发现磁铁中间的鼠笼式转子会跟着转动起来； 但是，转子的转速比磁铁要慢；当永久磁铁的转 向改变时，转子的旋转方向也跟着改变。 6
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伺服电机电磁转矩： T K
sRR 2 T正 K 2 U f f ( s正 ) 2 RR ( sX R )
sRR 2 U f 2 RR ( sX R ) 2
T反 f (s反 ) f (2 s正 )
在对称状态 下，若正向旋转 磁场产生的机械特性为 T10 ， 则在对称状态下，反向旋转 磁场产生的机械特性为 T20 ； T10和-T20的关系如图所示。
1, Bkm B fm
不对称状态
T T正 T反
T正 与 T10 存在怎样的联系？
T反 与 T20 存在怎样的联系？ 1, Bkm B fm
40
e
e 也可以表征电机不对称运行的程度；
Uk Uf
有效信号系数
e 1圆形旋转磁场
e 0 脉振磁场
e
F Bl i
T Φ , I R ,cos R
T KTΦI R cos R
常数，与电 机结构有关
旋转磁场 每极磁通
转子电流
转子电路的 功率因数 18
T KT Φ I R cos R
sER
2 RR ( sX R ) 2
IR
cos R
RR
2 RR ( sX R ) 2
电机控制
北京邮电大学自动化学院 叶 平 Email: Ping.YE@ Tel: 62282571
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第八章 交流伺服电机
结构特点与工作原理 两相绕组的圆形旋转磁场 圆形旋转磁场作用下的运行分析 椭圆形旋转磁场及其分析方法 交流伺服电机的控制方式
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结构特点与工作原理
交流伺服电机定子上布 置两相绕组，一相称为 励磁绕组，接到交流励 磁电源上，另一相为控 制绕组，接入控制电压； 两相绕组在空间上相距 90° 电角度 ，励磁电压 和控制电压的频率相同 因此，也称为两相交流 伺服电机。
堵转转矩
RR 2 Td K 2 U f 2 RR ( X R )
因此，具有较大的转子电阻和单调下降的机械特性是 交流伺服电机的主要特点； 但是，转子电阻也不能过分大；当sm>1后，若继续增 大转子的电阻，堵转转矩将随着转子电阻的增大而减 小，将影响电机的快速性；同时，转矩变化对转速的 影响增大，电机运行的平稳性变差。 24
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无自转现象是自动控制系统对交流伺服电机的基 本要求之一；所谓无自转现象就是指当控制电压 一旦取消，伺服电机应该立即停止。
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速度控制与调节特性
调节特性 转速控制
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相位控制
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T正 与 T10 存在怎样的联系？ T反 与 T20 存在怎样的联系？
B正 T正 B fm 1 e T T10 10 2
2 2
B反 T反 B fm
2 1 e T T20 20 2
临界转差率：s RR m XR
临界转差率： s RR m XR
当转子电阻较小时，在0<s<1范围内，机械特性曲线呈 现出凸形，电磁转矩有峰值； 随着转子电阻增大，当sm>1时，电磁转矩的峰值已移到 第二象限；在0<s<1范围内，机械特性曲线为单调下降。 22
自动控制系统要求交流伺服电机具有单调下降的机械 特性 稳定区与不稳定区 凸形的机械特性，上升段ah为不稳定区，下降段hf为 稳定区 为了满足单调下降的机械特性要求，交流伺服电机要 具有足够大的转子电阻；增加转子电阻，特性变软， 23 启动转矩变大。
8
ik I km sin t