任課教師：李正強2011－2012學年第二學期第二章交流伺服電動機（c）滾齒機（d）伺服壓力機交流伺服電動機驅動的部分應用

（a）雷達、衛星通信天線（b）機器人偵查相機2本章教學:一、教學要求：掌握交流伺服電動機結構、分類和作用等概念理解兩相伺服電動機工作原理（包括自轉現象原因及克服方法和措施等）了解兩相伺服電動機控制方法理解兩相伺服電動機的靜態特性了解兩相伺服電動機的動態特性了解微型同步電動機工作原理3二、教學時間安排：3學時三、主要內容：第一節

兩相交流伺服電動機第二節

微型同步電動機本章重點：兩相伺服電動機工作原理和靜態特性本章難點：兩相伺服電動機的動態特性本章教學:4四、教學過程：本章教學:第一節兩相異步交流伺服電動機交流伺服電動機異步同步異步交流伺服電動機兩相三相5

交流伺服電動機由于沒有換向器和電刷，具有構造簡單、工作可靠、維護容易、效率較高和價格便宜、以及不需整流電源設備等優點，因此交流伺服電動機在自動控制系統中應用非常廣泛。傳統交流伺服電動機的結構通常是采用鼠籠轉子兩相伺服電動機及空心杯轉子兩相伺服電動機，所以常把交流伺服電動機稱為兩相異步伺服電動機。6兩相伺服電動機就是兩相異步電動機，定子兩相繞組空間相差90度，轉子是鼠籠式轉子。圖3－1兩相伺服電動機原理圖第一節兩相交流伺服電動機7第一節兩相交流伺服電動機1基本結構定子轉子定子鐵心兩相繞組鼠籠轉子（杯形轉子）繞線轉子8第一節兩相交流伺服電動機1基本結構轉子鼠籠轉子這種轉子結構與普通鼠籠式異步電動機類似，但是為了減小轉子的轉動慣量，做得細而長。轉子籠條和端環既可采用高電阻率的導電材料（如黃銅、青銅等）制造，也可采用鑄鋁轉子。其結構示意圖如右圖所示。9第一節兩相交流伺服電動機1基本結構轉子杯形轉子（非磁性）這種電動機的結構型式如右圖所示。定子分外定子鐵心和內定子鐵心兩部分，由硅鋼片沖制后疊壓而成。外定子鐵芯槽中放置空間相距90°電角度的兩相分布繞組。內定子鐵芯中不放繞組，僅作為磁路的一部分，以減小主磁通磁路的磁阻。空心杯形轉子用非磁性鋁或鋁合金制成，放在內、外定子鐵心之間，并固定在轉軸上。10第一節兩相交流伺服電動機1基本結構轉子杯形轉子（鐵磁性）這種電動機結構比較簡單，轉子采用鐵磁材料制成，轉子本身既是主磁通的磁路，又作為轉子繞組，因此不需要內定子鐵芯。其轉子結構有兩種型式，如圖所示11第一節兩相交流伺服電動機2

工作原理：12第一節兩相交流伺服電動機2

工作原理：前提條件：有勵磁電壓。（1）無控制電壓→單相脈振磁場→電機轉子不轉（無起動轉矩）（2）有控制電壓→建立旋轉磁場→電動機有了起動轉矩→轉子開始旋轉→若轉子電阻滿足條件Sm+≥1,則控制信號消失后出現制動轉矩→轉子停轉13單相異步電動機機械特性第一節兩相交流伺服電動機2

工作原理：14第一節兩相交流伺服電動機如果電機參數與一般的單相異步電動機一樣，那么當控制信號消失時，電機轉速雖會下降些，但仍會繼續不停地轉動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續旋轉的失控現象稱為“自轉現象”。當控制信號為零時,轉子的轉速也為零。只要轉子旋轉的方向和電磁轉矩的方向相反,從我們以前所學的知識可得:2

工作原理：(3)自轉現象：(4)如何克服?15增加轉子電阻，產生制動轉矩。使Sm+≥1，使正向旋轉的電機在控制電壓消失后的電磁轉矩為負值，即為制動轉矩，使電機制動到停止；若電機反向旋轉，則在控制電壓消失后的電磁轉矩為正值，也為制動轉矩。第一節兩相交流伺服電動機2

工作原理：(4)如何克服?采用方法：電機制動到停止，從而消除“自轉現象”。處理思路：16第一節兩相交流伺服電動機2

工作原理：173控制方法第一節兩相交流伺服電動機改變控制電壓Uc的大小和相位就可以控制電動機的轉速和轉向,控制方法有以下三種:

幅值控制

相位控制

幅－相控制183控制方法第一節兩相交流伺服電動機（1）幅值控制幅值控制通過改變控制電壓的大小來控制電機轉速，此時控制電壓與勵19勵磁電壓之間的相位差始終保持90°電角度。若控制繞組的額定電壓,那么控制信號的大小可表示Ｕc＝ＵcN,稱為有效信號系數，那么以Ｕcn為基值，控制電壓的標么值為：3控制方法第一節兩相交流伺服電動機（1）幅值控制20

3控制方法第一節兩相交流伺服電動機（1）幅值控制當＝1時，控制電壓與的幅值相等，相位相差90電角度，且兩繞組空間相差90電角度。此時所產生的氣隙磁通勢為圓形旋轉磁通勢，產生的電磁轉矩最大；當<１時，控制電壓小于勵磁電壓的幅值，所建立的氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場，產生的電磁轉矩減小。越小，氣隙磁場的橢圓度越大，產生的電磁轉矩越小，電機轉速越慢；在＝０時，控制信號消失，氣隙磁場為脈振磁場，電機不轉或停轉。213控制方法第一節兩相交流伺服電動機（1）幅值控制機械特性調節特性223控制方法第一節兩相交流伺服電動機（2）相位控制:

通過改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差來實現對電機轉速和轉向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。控制繞組經移相器后接到同一交流電壓上，與的頻率相同。而相位通過移相器可以改變，從而改變兩者之間的相位差

,Sin稱為相位控制的信號系數。233控制方法第一節兩相交流伺服電動機（2）相位控制:24當有效信號系數＝１時，控制電壓與的幅值相等，相位相差90°電角度，且兩繞組空間相差90°電角度。此時所產生的氣隙磁勢為圓形旋轉磁勢，產生的電磁轉矩最大；當<１時，sinβ<１，所建立的氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場，產生的電磁轉矩減小。越小，氣隙磁場的橢圓度越大,，產生的電磁轉矩越小，電機轉速越慢；在＝０時，控制信號消失，氣隙磁場為脈振磁場，電機不轉或停轉。3控制方法第一節兩相交流伺服電動機（2）相位控制:253控制方法第一節兩相交流伺服電動機（3）幅－相控制26電容C的作用是將勵磁電壓和控制電壓分相，電壓分壓器的作用是改變控制電壓的幅值。當控制電壓不同時，轉速不同，I’2也不同，定子電流,If隨轉速變化而變化，由：勵磁電壓幅值和相位也隨之變化。3控制方法第一節兩相交流伺服電動機（3）幅—相控制27當＝１時，控制電壓與的幅值相等，相位相差90電角度，且兩繞組空間相差90電角度。此時所產生的氣隙磁通勢為圓形旋轉磁通勢，產生的電磁轉矩最大；當<１時，所建立的氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場，產生的電磁轉矩減小。越小，氣隙磁場的橢圓度越大，產生的電磁轉矩越小，電機轉速越慢；在＝０時，控制信號消失，氣隙磁場為脈振磁場，電機不轉或停轉。3控制方法第一節兩相交流伺服電動機（3）幅—相控制28幅－相控制線路簡單，不需要復雜的移相裝置，只需電容進行分相，具有線路簡單、成本低廉、輸出功率較大的優點，因而成為使用最多的控制方式。3控制方法第一節兩相交流伺服電動機機械特性（調節特性）線性度比較：相位控制最好，幅－相控制最差。（4）三種控制方式比較29第一節兩相交流伺服電動機4動態特性傳遞函數為:為機電時間常數，機械特性曲線的斜率×轉動慣量K－調節特性曲線的斜率盡管機械特性和調節特性具有明顯的非線性，但是根據小偏差線性化的概念在工作點附近按線性函數處理，得到的傳遞函數的形式是一樣的，只是K和τm隨工作點的不同而有一定的變化。30第一節兩相交流伺服電動機4動態特性機械特性31第一節兩相交流伺服電動機4動態特性控制特性325應用實例第一節兩相交流伺服電動機（1）位置控制系統33(2)檢測裝置5應用實例第一節兩相交流伺服電動機鋼板厚度測量裝置示意圖34(3)計算裝置倒數計算裝置5應用實例第一節兩相交流伺服電動機35(4)增量運動控制5應用實例第一節兩相交流伺服電動機機床的數字控制系統36（1）矢量控制等現代控制方法解決了三相異步交流電動機不易控制的問題,交流伺服電動機常采用三相異步交流伺服電動機。第一節兩相交流伺服電動機6總結、分析、展望（2）交流伺服電機的優點：良好的速度控制特性，在整個速度區內可實現。平滑控制，幾乎無振蕩。高效率，90%以上，不發熱。37（2）交流伺服電機的優點：高速控制。高精確位置控制（取決于何種編碼器）。第一節兩相交流伺服電動機6總結、分析、展望額定運行區域內，實現恒力矩。低噪音。沒有電刷的磨損，免維護。不產生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易暴環境。38控制較復雜。驅動器參數需要現場調整。PID參數整定。需要更多的連線。慣量低。價格具有競爭性。（2）交流伺服電機的優點：第一節兩相交流伺服電動機6總結、分析、展望39（3）交流與直流伺服電動機的性能比較：第一節兩相交流伺服電動機6總結、分析、展望一、機械特性和調節特性

直流伺服電動機的機械特性和調節特性均為線性關系，且在不同的控制電壓下，機械特性曲線相互平行，斜率不變。異步伺服電動機的機械特性和調節特性均為非線性關系，且在不同的控制電壓下，理想線性機械特性也不是相互平行的。機械特性和調節特性的非線性都將直接影響到系統的動態精度，一般來說特性的非線性度越大，系統的動態精度越低。此外，當控制電壓不同時，電動機的理想線性機械特性的斜率變化也會給系統的穩定和校正帶來麻煩。40（3）交流與直流伺服電動機的性能比較：第一節兩相交流伺服電動機6總結、分析、展望二、體積、重量和效率為了滿足控制系統對電動機性能的要求，轉子電阻就得相當大，又電動機經常運行在橢圓形旋轉磁場下，由于負序磁場的存在要產生制動轉矩，使電磁轉矩減小，并使電動機的損耗增大。當輸出功率相同時，異步伺服電動機要比直流伺服電動機的體積大、重量大、效率低。所以異步伺服電動機只適用于小功率系統，對于功率較大的控制系統，則普遍采用直流伺服電動機。41第二節微型同步電動機微型同步電動機的定子結構：

與一般的同步電動機相同，可以是三相的也可是單相。轉子結構不同可分為：永磁式

反應式

磁滯式經常采用永磁式同步電動機。42一永磁式微型同步電動機第二節微型同步電動機43永磁式轉子由永久磁鋼制作，與一般勵磁式同步電動機原理相同；當電動機正常運行時，定子繞組產生的旋轉磁場以同步轉速n1旋轉，轉子也以同步轉速n1旋轉。一永磁式微型同步電動機第二節微型同步電動機44轉矩的基波分量：式中，K—比例系數－功率角（失調角）

一永磁式微型同步電動機第二節微型同步電動機45永磁式微型同步電動機采用異步起動法：在起動過程中，轉子上的鼠籠起動繞組在定子繞組產生的旋轉磁場下產生異步轉矩，使電機起動。一永磁式微型同步電動機第二節微型同步電動機46二反應式微型同步電動機第二節微型同步電動機反應式微型同步電動機的轉子用磁極材料和非磁極材料拼鑲而成，其直軸方向的磁阻小而交軸方向的磁阻大。當反應式同步電動機定子繞組接交流電源，由于直軸和交軸的磁阻不同，從而形成磁阻轉矩（也叫反應轉矩），拖動負載同步運行。47反應式轉子是利用直、交軸磁阻的不同形成磁阻轉矩，即附加電磁轉矩運轉。反應式轉矩是在同步轉速時出現，需要起動繞組，或者用鼠籠繞組、或者采用實心轉子結構。轉矩的基波分量：二反應式微型同步電動機第二節微型同步電動機48磁滯式轉子由硬磁材特性材料制作，在旋轉過程中被磁化，到達同步轉速時，轉子被磁化為永久磁鋼。異步運轉時可產生異步轉矩，因此磁滯式電動機無需起動繞組；轉子磁滯材料層用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滯現象十分突出，具有較寬的磁滯回線，其剩磁和矯頑力都很大，第二節微型同步電動機三磁滯式微型同步電動機49既是當外加的磁場發生變化時，磁滯現象明顯的材料，會有一個時間上的