交流伺服电动机的应用和性能特点

交流伺服电动机根据运行原理的不同，分为感应式（或称异步式）、永磁同步式、永磁直流无刷式、磁阻同步式等形式。这些电动机都是具有励磁绕组的定子结构，下面仅就两相交流伺服电动机进行讨论。

1.两相交流伺服电动机的基本结构

两相交流伺服电动机的结构与单相电容式异步电动机的结构相似，主要由定子和转子构成，如图5.11所示。定子装有两个绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组，它们在空间上相差90°。

图5.11　杯形转子伺服电动机结构图

1—励磁绕组；2—控制绕组；3—内定子；4—外定子；5—转子

转子的形式有两种，分别为笼形和杯形两种。笼形转子和三相鼠笼式异步电动机的转子结构相似，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。空心杯形转子伺服电动机的结构如图5.11所示。为了减小转动惯量，空心杯形转子通常用高电阻系数的非磁性的铝合金或铜合金制成空心薄壁圆筒，在空心杯形转子内放置固定的内定子，起闭合磁路的作用，以减小回路的磁阻。空心杯形转子可以把铝杯看作由无数根笼形导条并联组成，因此，它的原理与笼形转子相同。杯形转子伺服电动机转子质量小，惯性小，启动电压低，对信号反应快，调速范围宽，多用于运行平滑的系统。

2.两相交流伺服电动机的工作原理

1）交流伺服电动机的工作原理

交流伺服电动机的工作原理和电容分相式单相异步电动机的相似，其接线图如图5.12所示。励磁绕组FW 和控制绕组CW 通常分别接在两个值不同但频率相同的交流电源上，在没有控制电压Uc 时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流与励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩T，使转子沿旋转磁场的方向旋转，旋转磁场转速为n0=60f/p。转子转向与旋转磁场的方向相同，把控制电压的相位改变180°，则可改变两相交流伺服电动机的旋转方向。

2）交流伺服电动机的“自转”及“自转”的消除

普通的单相异步电动机启动后，电磁转矩T 与转速n 的方向相同，即使启动绕组断电，电动机仍然能够旋转。根据这一原理，两相交流伺服电动机一旦转动后，即使取消控制电压，仅励磁电压单相供电，它将继续转动，出现失控现象，我们把这种因失控而自行旋转的现象称为“自转”。

交流伺服电动机消除“自转”的方法就是使转子导条具有较大的电阻。由三相异步电动机的机械特性曲线可知，转子电阻对电动机的转速、转矩特性影响很大。采用薄壁杯形转子和鼠笼条用高阻材料黄铜等方法可以使电阻R2 变得足够大。图5.13所示为增大转子电阻在Uc=0时的T-s 特性曲线。在图5.13中，曲线T1 和T2 为交流伺服电动机去掉控制电压Uc 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T 为T1 和T2 的合成转矩曲线。由图5.13中可看出，当速度n为正时，电磁转矩T 为负；当速度n为负时，电磁转矩T 为正。即去掉控制电压后，电磁转矩T（合成转矩）的方向总是与电动机转子的旋转方向相反，是一个制动转矩。这一制动转矩的存在就保证了当控制电压Uc 消失后，由于合成转矩T 的存在，电动机将被迅速制动而停转，消除了“自转”现象。

图5.12　两相交流伺服电动机接线图

图5.13　交流伺服电动机单相运行T-s 特性曲线

交流伺服电动机增大转子导条电阻R2，除了可消除“自转”现象外，还可扩大调速范围、改善调节特性、提高反应速度。(www.xing528.com)

3.交流伺服电动机的控制方法

交流伺服电动机的转速大小调节，是靠两相绕组合成椭圆旋转磁场的椭圆度大小来自动调节的。椭圆度大，正转旋转磁场相应地会削弱，对应的正向转矩减小，反转旋转磁场则加强，对应的反向转矩增大，则合成转矩减小，转速降低，反之转速增大。交流伺服电动机转向的改变靠控制电源反相，使合成磁场反转，转子跟着反转。

椭圆度的调节靠改变控制绕组所加电压大小和相位。因此，交流伺服电动机可采用下列三种方法来控制伺服电动机的转速高低及旋转方向。

1）幅值控制

幅值控制即保持控制电压与励磁电压间的相位差不变，仅改变控制电压的幅值。

幅值控制电路比较简单，生产应用最多，图5.14（a）所示为幅值控制的一种电路图，从图5.14（a）可看出，两相绕组接于同一单相电源，适当选择电容C，使相位差为90°，改变R 的大小，即改变控制电压的大小，可以得到图5.14（b）所示的不同控制电压下的机械特性曲线。由图5.14（b）可见，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高，因此改变电压可改变电动机的转速。

图5.14　幅值控制接线图及特性曲线

2）相位控制

相位控制接线图如图5.15所示。它是通过调节控制电压的相位（即调节控制电压与励磁电压之间的相位角）来改变电动机的转速，控制电压的幅值保持不变。当相位角为零时，电动机停转，相位角加大，则电磁转矩加大，使电动机转速增加，这种控制方式一般很少用。

3）幅-相控制

幅-相控制接线图如图5.16所示。这种控制方式是把励磁绕组串联电容C 后接到稳压电源上，用调节控制电压的幅值来改变电动机的转速，此时励磁电压和控制电压之间的相位角也随之改变，因此称为幅-相控制。这种控制方式设备简单，成本较低，因此是最常用的一种控制方式。

图5.15　相位控制接线图

图5.16　幅-相控制接线图

交流伺服电动机具有运行平稳、噪声小、反应迅速等优点，由于其机械特性曲线是非线性的，且由于转子电阻大使损耗大，效率低，一般只用于100 W 以下的小功率控制系统中，国产交流伺服电动机的型号为SK 系列。