交流伺服电动机的应用及优点

1.基本结构和工作原理

交流伺服电动机一般是两相交流异步电动机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机的转子有笼形和杯形两种。无论哪一种转子，它的转子电阻都做得比较大，其目的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不加电压时，能及时制动，防止自转。交流伺服电动机的定子上嵌放着在空间相距90°电角度的两相分布绕组，两个定子绕组结构完全相同，使用时一个绕组作励磁用，另一个绕组作控制用。为励磁电压，为控制电压，与同频率。其结构示意图如图7-3所示。

当励磁绕组和控制绕组均加互差90°电角度的交流电压时，在空间形成圆形旋转磁场（控制电压和励磁电压的幅值相等）或椭圆形旋转磁场（控制电压和励磁电压幅值不等），转子在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值相等时，控制二者的相位差也能子在旋转磁场作用下旋转。当控制电压和励磁电压的幅值相等时，控制二者的相位差也能产生旋转磁场。

图7-3　交流伺服电动机结构示意图

图7-4　异步电动机的机械特性

普通的两相异步电动机存在着自转现象，这可以通过图7-4所示的机械特性来说明。

对异步电动机而言，临界转差率sm与转子电阻成正比，即

式中：是指转子电阻r2折算到定子侧的折算值；是指转子漏电抗x2折算到定子侧的折算值。

普通的两相异步电动机的转子电阻较小，sm也较小，机械特性如图7-4中的曲线1所示，线性变化范围较小。

当运行中的两相异步电动机中有一相绕组断电时就成为单相异步电动机。单相异步电动机中的气隙磁场为脉动磁场，可以分解为正转和反转两个旋转磁场，分别产生正转电磁转矩与反转电磁转矩，在图7-5中用虚线表示，电动机的电磁转矩Tem为与的代数和，在图中用实线表示。

当转子电阻较小时，从图7-5（a）中可以看出，在正转范围内，即当n＞0时，Tem＞0，所以当在运行中的两相异步电动机由于断开一相而成为单相异步电动机时仍有电磁转矩Tem，只要Tem大于负载转矩TL，电动机就会继续运转而形成自转现象。普通的单相异步电动机在起动时，就利用自转现象，把起动绕组串联电容器后与工作绕组并连接在交流电源上，作为两相异步电动机而起动，起动完毕后就将起动绕组切除，成为单相异步电动机，带动负载，继续运转。

图7-5　转子电阻对交流伺服电动机机械特性的影响

（a）转子电阻较小；（b）转子电阻较大

交流伺服电动机必须克服自转现象，否则当控制电压Uc为零时，电动机还会继续运转，出现失控状态。当励磁电压不为零，控制电压为零时，交流伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电动机还会按原来的运行方向转动，电磁转矩仍为拖动转矩，此时的机械特性如图7-5（a）所示。(www.xing528.com)

交流伺服电动机用增加转子电阻的方法来防止自转现象的发生。由式（7-6）可知，增大转子电阻可使临界转差率sm增大，当转子电阻增大到一定值时，可使sm≥1，电动机的机械特性曲线近似为线性，对应的机械特性曲线如图7-4中曲线2所示，这样可使伺服电动机的调速范围大，在大范围内能稳定运行。若在运行中控制电压Uc变为零，交流伺服电动机变为单相异步电动机，其机械特性如图7-5（b）的实线所示，在正转范围内，即n＞0时，Tem＜0，电磁转矩为负，成为制动转矩，迫使电动机自行停转而不会自转。

与普通两相异步电动机相比，交流伺服电动机的特点是：具有较宽的调速范围；当励磁电压不为零，控制电压为零时，其转速也应为零；机械特性为线性并且动态特性较好。所以交流伺服电动机的转子电阻应当大，转动惯量应当小。

由上述分析可知，增加交流伺服电动机的转子电阻，既可以防止自转，又可以扩大调速范围和提高机械特性的线性度，所以一般取=（1.5～4）（x1+），比普通异步电动机转子电阻大得多。常用的增大转子电阻的办法是将笼形导条和端环用高电阻率的材料如黄铜、青铜制造，同时将转子做成细而长，这样转子电阻很大，同时转动惯量又小。

当交流伺服电动机的励磁绕组接在额定电压的交流电源上、控制绕组接在同频率的控制电压上时，在空间成90°电角度的两相绕组中就会有两相电流流过，在气隙中产生旋转磁场，切割转子，从而在转子中产生感应电动势并有转子电流产生；旋转磁场与转子电流相互作用产生电磁转矩而使交流伺服电动机运转。改变控制电压的大小和相位，可以使气隙磁场为圆形旋转磁场或椭圆形旋转磁场。电动机中气隙磁场不同，其机械特性就不同，转速也就不同。从而实现了交流伺服电动机利用控制电压信号的大小和相位的变化控制电动机的转速和转向的目的，完成伺服功能。

2.控制方式

交流伺服电动机的控制方式有3种，分别是幅值控制、相位控制和幅值—相位控制。

（1）幅值控制。始终保持控制电压和励磁电压之间的相位差为90°，仅仅改变控制电压的幅值来改变交流伺服电动机的转速，这种控制方式称为幅值控制。当励磁电压为额定电压，控制电压为零时，伺服电动机转速为零，电动机不转；当励磁电压为额定电压，控制电压也为额定电压时，伺服电动机转速最大，转矩也为最大；当励磁电压为额定电压，控制电压在额定电压与零之间变化时，伺服电动机的转速在最高转速和零之间变化。幅值控制的原理图如图7-6所示，励磁绕组f接交流电源，控制绕组c通过电压移相器接至同一电源上，使与始终有90°的相位差，且的大小可调，其幅值在额定值与零之间变化，励磁电压保持为额定值。改变的幅值就改变了电动机的转速。

图7-6　幅值控制的原理图

图7-7　相位控制的原理图

（2）相位控制。保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式称为相位控制。其原理图如图7-7所示，控制绕组通过移相器与励磁绕组一同接至同一交流电源上，的幅值不变，但与的相位差可以通过调节移相器在0°～90°之间变化，与的相位差发生变化时，交流伺服电动机的转速就随之发生变化。设与的相位差为β，β在0°～90°范围内变化。根据β的取值可得出气隙磁场的变化情况。当β=0°时，控制电压与励磁电压同相位，气隙总磁动势为脉动磁动势，伺服电动机转速为零，不转动；当β=90°时，气隙磁动势为圆形旋转磁动势，伺服电动机转速最大，转矩也为最大；当β=0°～90°变化时，气隙磁动势从脉动磁动势变为椭圆形旋转磁动势最终变为圆形旋转磁动势，伺服电动机的转速由低向高变化。β值越大越接近圆形旋转磁动势。

（3）幅值—相位控制。幅值—相位控制是指对幅值和相位差都进行控制，通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差来控制伺服电动机的转速。励磁绕组串联电容器后接交流电源，控制绕组通过电位器接至同一电源，原理图如图7-8所示。控制电压与电源同频率、同相位，但其幅值可以通过电位器Rp来调节。当调节控制电压的幅值来改变电动机的转速时，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组中的电流随之发生变化，励磁电压也会发生变化。这样，与的大小和相位都会发生变化，所以称这种控制方式为幅值—相位控制方式。

图7-8　幅值—相位控制原理图

幅值—相位控制的机械特性和调节特性不如幅值控制和相位控制，但由于其电路简单，只需要电容器和电位器，不需要复杂的移相装置，成本较低，因此在实际应用中用得较多。

最后将直流伺服电动机和交流伺服电动机做一下对比。直流伺服电动机的机械特性是线性的，特性硬，控制精度高，稳定性好；交流伺服电动机的机械特性是非线性的，特性软，控制精度要差一些。直流伺服电动机无自转现象；交流伺服电动机如果参数选择不当，如转子电阻不是足够大或制造不良，有可能产生自转现象。交流伺服电动机转子电阻大，损耗大，效率低，只能适用于小功率控制系统；功率大的控制系统宜选用直流伺服电动机。当然直流伺服电动机有电刷和换向器，工作可靠性和稳定性要差一些，电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰。总之，应根据具体使用情况，合理选用直流伺服电动机或交流伺服电动机。