交流伺服电动机求圆形边界磁场磁场

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-10-22 05:42 标签： 圆形边界磁场

　　直流、交流伺服电机的结构及工作原理

　　一、伺服电机(servomotor)的由来和定义

　　伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。

　　伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。

　　由于它的“伺服”性能，因此它就被命名为伺服电机。其功能是将输入的电压控制信号转为轴上输出的角位移和角速度驱动控制对象。

　　伺服电机一般分为两大类：直流伺服电机、交流伺服电机。

　　二、交流伺服电动机

　　1、交流伺服电机的结构

　　伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

　　交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组RF，它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

　　2、交流伺服电动机的工作原理

　　交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

　　3、伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：

　　由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显的区别。它可使临界转差率,这样不仅使转矩特性(机械特性)更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

　　正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性以及合成转矩特性.

　　交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V;当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。

　　交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。

　　1、直流伺服电机的结构

　　最早的伺服电动机是一般的直流电动机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲,就是小功率的直流电动机,其励磁多采用电枢控制和磁场控制,但通常采用电枢控制。

　　2、直流伺服电机的原理

　　直流伺服电机的工作原理与普通的直流电机工作原理基本相同。依靠电枢气流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电机转动。通常采用电枢控制方式，在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电压来改变转速。电压越小转速越低，电压为零时，停止转动。因为电压为零时，电流也为零，所以电机不会产生电磁转矩，既不会出现自转现象。

　　3、 直流伺服电机的特点

　　输入或输出为直流电能的旋转电机。它的模拟调速系统一般是由2个闭环构成的，既速度闭环和电流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了2个调节器，分别调节转速和电流。2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双闭环调速系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，因而得到广泛地应用。通常是由模拟运放构成PI或PID电路;信号调理主要是对反馈信号进行滤波、放大。考虑到直流电机的数学模型，模拟调速系统动态传递函数关系在模拟调速系统的调试过程中，因电机的参数或负载的机械特性与理论值有较大差异，往往需要频繁更换R，C等元件来改变电路参数，以获得预期的动态性能指标，这样做起来非常麻烦，如果采用可编程模拟器件构成调节器电路，系统参数如增益、带宽甚至电路结构都可以通过软件进行修改，调试起来就非常方便。

交流伺服的结构与普通的单相的结构相似，其定子绕组则与单相式异步电动机结构相类似，其上装有两个在空间相隔90o的绕组，一个是励磁绕组wf，另一个是控制绕组wc，这两个绕组通常分别接在两个不同的交流（频率相同，相位不同）上，这一点与单相电容式异步电动机不同。其转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种结构型式。鼠笼转子和三相鼠笼式电动机的转子结构相似，杯形转子结构如图所示。杯形转子通常用铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，为了减小磁阻，在空心杯形转子内放置固定的内定子。不同结构型式的转子都制成具有较小惯量的细长形。目前用得较多的是鼠笼转子。

图1 交流伺服电动机接线图 杯形转子伺服电动机结构图

交流伺服电动机以单相异步电动机原理为基础，励磁绕组wf接到电压为的交流电网上，控制绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其旋转速度 为

式中，f为交流电源频率，hz；p为磁极对数；为电动机旋转磁场转速,s 为转差率。把控制电压的相位改变180o，则可改变伺服电动机的旋转方向。

根据伺服系统工作性质的要求，控制电压一旦取消，电动机必须立即停止转动。但众所周知，单相异步电动机一旦转动以后，即使取消控制电压，仅靠励磁电压单相供电也会继续转动，即存在“自转”现象，这意味着失去控制作用，是不允许的，因而交流必须解决“自转”问题。

从三相异步电动机的特性可知，转子电阻值对电动机的机械特性有较大的影响，如图5-4所示。当转子阻值增大到一定程度，例如图中时，最大转矩可出现在 ＝1附近。为此目的，把伺服电动机的转子电阻设计得很大，使电动机在失去控制信号单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在的地方，这样可得出图所示的机械特性曲线。

图2 不同转子阻值时的机械特性曲线及交流伺服电动机时的机械特性曲线

图2中曲线1为有控制电压时伺服电机的机械特性曲线，曲线为去掉控制电压后，脉动磁场分解为正、反两个旋转磁场对应产生的转矩曲线。曲线 为去掉控制电压后单相供电时的合成转矩曲线。从图中可看出，它与异步电动机的机械特性曲线不同，是在第二和第四象限内。当转速n为正时，电磁转矩t为负，当n为负时，t为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，所以，是一个制动转矩。由于制动转矩的存在，可使转子迅速停止转动，从而避免“自转”现象。电机停止转动所需要的时间，比两相电压同时取消、单靠摩擦等制动方法所需的时间要短得多。这正是两相交流伺服电动机在工作时，励磁绕组始终接在电源上的原因。

增大伺服电机转子阻值，既有利于消除“自转”现象，同时还使稳定运行段加宽、启动转矩增大。目前通常采用高电阻材料制成的鼠笼导条，杯形转子的壁很薄，一般只有0.2～0.8mm，因而转子阻值较大，且惯量较小。

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