2.3、交流伺服电机 交流电机分类 基本原理 ◆异步电机 ◆三相（工业用） 两相绕组交流伺服电机 ◆同步电机 ◆单相（民用） 交流伺服电机的应用 ◆两相（伺服） 三相异步电机 发展现状 2.3.1、交流电机的基本结构和 原理 交流伺服：控制技术复杂： 内容： 直流伺服：控制技术简单 普通三相交流电机结构原理的回顾 由于大功率开关器件、模拟和数字专用集 两相绕组交流伺服电机 成电路、微处理机技术、材料技术和控 制技术的进步，交流伺服技术越来越具 交流伺服电机的应用 备与直流伺服技术竞争的实力。 三相异步电机 今后的趋势是交流伺服逐渐取代直流伺 服。但目前为止，交流电机的动态性能 一般还达不到直流伺服电机的水平 2.3.1.1、普通 三相电流产生的旋转磁场 三相交流电机 简要原理：转于切 割旋转磁场，产生 定子绕组通以三相电流 袋构凰程 感应电流和电势， 时，各相绕组中的电流 其与旋转磁场相互 i=I sin ot 将产生自己的磁场，三 ◆鼠笼式转子 作用产生力和转 相电流产生的总磁场不 矩，其方向与旋转 ig =I sin(@t-120) 仅随时间变化，而且在 磁场相同。 ic =I sin(@t+120) 空间旋转。 三相对称 电流通入 6@6 三相树称 绕组时， 在电机内 部产生一 个图形旋 转磁势 1
1 2.3、交流伺服电机 基本原理 两相绕组交流伺服电机 交流伺服电机的应用 三相异步电机 交流电机分类 三相（工业用） 单相（民用） 两相（伺服） 异步电机 同步电机 发展现状 交流伺服：控制技术复杂； 直流伺服：控制技术简单 由于大功率开关器件、模拟和数字专用集 成电路、微处理机技术、材料技术和控 制技术的进步，交流伺服技术越来越具 备与直流伺服技术竞争的实力。 今后的趋势是交流伺服逐渐取代直流伺 服。但目前为止，交流电机的动态性能 一般还达不到直流伺服电机的水平 2.3.1、交流电机的基本结构和 原理本节内容： 普通三相交流电机结构原理的回顾 两相绕组交流伺服电机 交流伺服电机的应用 三相异步电机 2.3.1.1、普通 三相交流电机 结构原理 定子绕组 鼠笼式转子 简要原理：转子切 割旋转磁场，产生 感应电流和电势， 其与旋转磁场相互 作用产生力和转 矩，其方向与旋转 磁场相同。 三相电流产生的旋转磁场 i I t A = m sinω i = I sin( t −120°) B m ω i = I sin( t +120°) C m ω 三相对称 电流通入 三相对称 绕组时， 在电机内 部产生一 个圆形旋 转磁势 定子绕组通以三相电流 时，各相绕组中的电流 将产生自己的磁场，三 相电流产生的总磁场不 仅随时间变化，而且在 空间旋转
交流电机工作原理实验 2.3.1.2、几个概念(1) ◆当转动手柄 使永久磁铁旋 ◆旋转磁场：由定子绕组中 转时，鼠笼转 的多相交流电流产生。 三种运动磁场： 子也会跟着磁 >圆形（普通三 铁转动起来。 多相电流的优点之一：可 相电机) ◆转子的转速 >椭圆 以产生等效旋转磁场。 比磁铁慢 一脉振（单相电 ◆当磁铁的旋 机) 转方向改变 三相电机中任意两相的端子 时，转子的旋 与电源的联接对换，旋转磁 转方向也跟着 场的方向就会改变。 改变。 几个概念(2) 几个概念(3) ◆同步转速n。(旋转磁场的转速)：与电机 极数和电源频率有关： ◆转差率S: n(rs)=50f (rlmin) 5=?=”,-n n,n, 转差率越大，转子速度越低。当s=0, 式中，f为电源频率：p为电机极对数（一个N 转子转速与定子磁场转速相同，不产生 极和一个S极构成一个极对)。 转矩。通常圆形磁场作用下的n为n,的 56左右。 2 3 f=30e) 3000 1500 1000 750 f400tHa) 21000 12000 8000 6000 2.3.1.3、三相异步电机的机械特 转子电磁力的产生 性 ◆转子速度小于定子旋转磁场 转速（即异步），转子导条 (鼠笼条)将切割旋转磁场的 磁力线而产生感应电流（右手 定则)： ◆该电流又与旋转磁场相互作 用产生电磁力（左手定 则)，使电机转子旋转。 2
2 交流电机工作原理实验 当转动手柄 使永久磁铁旋 转时，鼠笼转 子也会跟着磁 铁转动起来。 转子的转速 比磁铁慢 当磁铁的旋 转方向改变 时，转子的旋 转方向也跟着 改变。 2.3.1.2、几个概念 （1） 旋转磁场:由定子绕组中 的多相交流电流产生。 三种运动磁场： ¾圆形（普通三 相电机） ¾椭圆 ¾脉振（单相电 机） 三相电机中任意两相的端子 与电源的联接对换，旋转磁 场的方向就会改变。 多相电流的优点之一：可 以产生等效旋转磁场。 几个概念 （2） 同步转速 ns（旋转磁场的转速）：与电机 极数和电源频率有关： 式中，f为电源频率；p为电机极对数（一个N 极和一个S极构成一个极对）。 ( / min) 60 ( / ) r p f r s p f ns = = 几个概念 （3） 转差率s： s s s n n n n n s − = Δ = 转差率越大，转子速度越低。当s = 0， 转子转速与定子磁场转速相同，不产生 转矩。通常圆形磁场作用下的n为ns 的 5/6左右。 转子电磁力的产生 该电流又与旋转磁场相互作 用产生电磁力（左手定 则），使电机转子旋转。 转子速度小于定子旋转磁场 转速（即异步），转子导条 （鼠笼条）将切割旋转磁场的 磁力线而产生感应电流（右手 定则）； 2.3.1.3、三相异步电机的机械特 性
圆形磁场下的电磁转 矩参数表达式： 三相异步电机的机械特性 mpU s t n 理想空载」 额定工作点 临界工作 0 点，s<为稳 定工作区 2G+2)2+(,+x)2 电磁转矩的影响因素： 启动工作点 ◆电源参数：U1(相电压)、千（电源频率） ◆结构参数：「1、「2分别为定子和转子的等效 电阻、×1、x2分别为定子和转子的相关参 数、m,(定子相数)、p(极对数) ◆运行参数：s(或转速) 在额定负载范围，s<S· 普通异步电机的 sv=0.01~0.05,很小，可看作恒速电机 最大电磁转矩Tm和临界转差率sm 讨论： Ta mpU 令dr_=0 4π(+x2) + ds 当其它参数一定时： Tnas= mpU mpU ①临界转差率与电源电压无关。 4πf±r+V+(x+x)] 4πf(x+x2) ②转子回路电阻越大，临界转差率越大： Snm=士 ③最大电磁转矩与转子电阻无关。 ++2 X+X2 ④最大电磁转矩与电源电压平方成正比： ⑤频率越高，最大电磁转矩越小 过载能力 九，= 普通电机约 为1.62.5 改变转子回路电阻时的机械特性 2.3.2、两相绕组交 当增大转子 流伺服电机 电阻时，机 械特性的非 ◆原理 线性特征减 T2 小，s增大， ◆圆形旋转磁场和椭圆形旋 但T不变。 转磁场 s。≥1时， ◆特点 多用于微型 即呈现伺服 ◆控制方式 r2+R2 电机的机械 ◆特性分析 rz+R3 特性— 一软 ◆动态特性 特性 ◆交、直流电机的性能比较 3
3 圆形磁场下的电磁转 矩参数表达式： 电磁转矩的影响因素： 电源参数：Ｕ1（相电压）、f1（电源频率） 结构参数：r1、r2`分别为定子和转子的等效 电阻、x1、x2`分别为定子和转子的相关参 数、m1（定子相数）、p（极对数） 运行参数：s（或转速） ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + + = ' 2 1 2 2 ' 2 1 1 ' 2 2 1 1 2 ( ) ( x x ) s r f r s r m p U Tem π 在额定负载范围，s<sN。普通异步电机的 sN＝0.01～0.05，很小，可看作恒速电机 三相异步电机的机械特性 s n 0 nN sN nm sm 1 0 TN Tst Tmax A Tem B C D 理想空载 额定工作点 启动工作点 临界工作 点，s<sm为稳 定工作区 最大电磁转矩Tm和临界转差率sm m ax T N T T λ = ' 1 2 ' 2 ' 2 1 2 2 1 ' 2 ( ) x x r r x x r sm + ≈ ± + + = ± 2 2 11 11 ' 2 '2 11 2 11 1 1 2 4 [ ( )] 4( ) max m pU m pU T π fr r xx π f x x =± ≈± ±+ + + + 过载能力 0 em dT ds 令 = 普通电机约 为1.6～2.5 当其它参数一定时： ①临界转差率与电源电压无关。 ②转子回路电阻越大，临界转差率越大； ③最大电磁转矩与转子电阻无关。 ④最大电磁转矩与电源电压平方成正比； ⑤频率越高，最大电磁转矩越小 讨论： 2 1 1 ' 11 2 4( ) max m pU T π f x x ≈ ± + ' 2 ' 1 2 m r s x x ≈ ± + 改变转子回路电阻时的机械特性 r2+Rs3 Tst2 sm2 r2+Rs2 Tst1 sm1 r2+Rs1 1 0 Tst Tm Tem s n 0 n1 sm r2 当增大转子 电阻时，机 械特性的非 线性特征减 小，sm增大, 但Tm不变。 sm ≥ 1时， 即呈现伺服 电机的机械 特性——软 特性 2.3.2、两相绕组交 流伺服电机 多用于微型 原理 圆形旋转磁场和椭圆形旋 转磁场 特点 控制方式 特性分析 动态特性 交、直流电机的性能比较
2.3.2.1、原理 两相交流伺服电机电原理图 控制 绕组 励磁 绕 腾相族里仔书图 定子槽中嵌有两个绕组： ◆对称两相绕组：在空间上互差90°电角度，有效 ◆控制绕组 匝数又相等的两个绕组。 ◆励磁绕组 ◆两相对称电流：激磁绕组的电流与控制绕组的电 流/幅值上相等、相位上相差90° 两相绕组产生的旋转磁场原理 合成磁通 ◆当电流变化一个 控制绕组： ic le sin@t 周期时，电流的 激磁绕组： 磁场旋转一周。 i=I sin(@1-90) 由此形成的磁通密度幅值，B=Bm=B。，其合成磁场 ◆当任意一个绕组 的磁通密度为： 上所加的电压反相 180度时，该绕组电 B-√B.'+B,-√B.sin o)2+(Bsin(o1-90=B. 流也反相，旋转磁 场的转向也改变。 此为圆形旋转磁场。 2.3.2.2、圆形旋转磁场和椭圆 产生圆形磁场的条件 形旋转磁场 I Wr=IW. 圆形旋转磁场： 或 两相绕组有效 磁通密度在空间按正弦规律分布，其幅值不 匝数不等时， 变并以恒定的速度在空间旋转 若要产生圆形 旋转磁场，两 个绕组中的电 流值应与绕组 其中： 匝数成反比。 W和W分别为励磁绕组和控 制绕组的线圈匝数 4
4 2.3.2.1、原理 定子槽中嵌有两个绕组： 控制绕组 励磁绕组 励磁 绕组 控制 绕组 两相交流伺服电机电原理图 两相对称电流：激磁绕组的电流I f 与控制绕组的电 流I c幅值上相等、相位上相差90° 对称两相绕组：在空间上互差90°电角度，有效 匝数又相等的两个绕组。 两相绕组产生的旋转磁场原理 当电流变化一个 周期时，电流的 磁场旋转一周。 当任意一个绕组 上所加的电压反相 180度时，该绕组电 流也反相，旋转磁 场的转向也改变。 合成磁通 控制绕组： 激磁绕组： 由此形成的磁通密度幅值， ，其合成磁场 的磁通密度为： 此为圆形旋转磁场。 i I t c = c sinω i = I sin( t − 90°) f c ω Bcm = Bfm = Bm c f cm fm Bm B = B + B = B t + B t − ° = 2 2 2 2 ( sinω ) ( sin(ω 90 )) 2.3.2.2、圆形旋转磁场和椭圆 形旋转磁场 圆形旋转磁场： 磁通密度在空间按正弦规律分布，其幅值不 变并以恒定的速度在空间旋转 产生圆形磁场的条件 f f cWc I W = I k W W I I c f f c = = 或 其中： Wf 和Wc分别为励磁绕组和控 制绕组的线圈匝数 两相绕组有效 匝数不等时， 若要产生圆形 旋转磁场，两 个绕组中的电 流值应与绕组 匝数成反比
圆形旋转磁场的 合成磁场为控 合成磁场为励 圆形旋转磁场的简单小结(1) 旋向 制绕组磁场 磁绕组磁场 (1)单相绕组通入单相交流电后，所产生的是一 旋向：从超前电流（控制） 个脉振磁场。两相绕组通入一定的电流，可 的绕组轴线到流过落后电流 形成合成的旋转磁场 (励磁)的绕组轴线。 (2)圆形旋转磁场的特点是：它的磁通密度在 空间按正弦规律分布，其幅值不变并以恒定 的速度在空间旋转。 (③)两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆 改变旋向：任 形旋转磁场：或者说，空间上相差90°电角 意绕组上所加 度，时间上彼此有90°相位差、幅值又相等 电压反向 的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。 物相的 圆形旋转磁场的简单小结(2) 两相交流伺服电机的旋转磁场 (4)旋转磁场的转向是从超前相的绕组轴线 两相交流伺服电机在运行时，通常定子绕组 (此绕组中流有相位超前的电流)转到落后相 产生的是一个椭圆形旋转磁场。 的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组 上所加的电压反相（即相位改变180°），就 可以改变旋转磁场的转向。 椭圆形旋转磁场： (⑤)旋转磁场的转速称为同步转速，只与电机 磁势向量的端点（或幅值）轨迹在空间是 极数和电源频率有关，其关系为： 一个椭圆。 n(r/s)=(r/min) p 旋转磁场的形状：椭圆形和圆形 圆形 m=中m 椭圆旋转磁场的产生条件 磁场 若：两相绕组电流相位差为90°，但幅值不 件 相等：或相位差不是90°： 或： 合成磁场 则：形成椭樹提转磁场 末端轨迹 椭圆形旋转磁场 「圆形旋转磁场 5
5 圆形旋转磁场的 旋向 合成磁场为控 制绕组磁场 合成磁场为励 磁绕组磁场 旋向：从超前电流（控制） 的绕组轴线到流过落后电流 （励磁）的绕组轴线。 改变旋向：任 意绕组上所加 电压反向 圆形旋转磁场的简单小结（1） (1) 单相绕组通入单相交流电后，所产生的是一 个脉振磁场。两相绕组通入一定的电流，可 形成合成的旋转磁场 (2) 圆形旋转磁场的特点是： 它的磁通密度在 空间按正弦规律分布，其幅值不变并以恒定 的速度在空间旋转。 (3) 两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆 形旋转磁场； 或者说， 空间上相差90°电角 度，时间上彼此有90°相位差、幅值又相等 的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场。 圆形旋转磁场的简单小结（2） (4) 旋转磁场的转向是从超前相的绕组轴线 (此绕组中流有相位超前的电流)转到落后相 的绕组轴线。把两相绕组中任意一相绕组 上所加的电压反相(即相位改变180°)，就 可以改变旋转磁场的转向。 ( / min) 60 ( / ) r p f r s p f ns = = (5) 旋转磁场的转速称为同步转速，只与电机 极数和电源频率有关， 其关系为： 两相交流伺服电机的旋转磁场 两相交流伺服电机在运行时，通常定子绕组 产生的是一个椭圆形旋转磁场。 椭圆形旋转磁场： 磁势向量的端点（或幅值）轨迹在空间是 一个椭圆。 椭圆形旋转磁场 圆形旋转磁场 合成磁场 末端轨迹 旋转磁场的形状：椭圆形和圆形 Φ k Φ f Φ k Φ Φ f Φ Φ Φ k Φ f 0 ω t Φ k Φ f ω t Φ 0 圆形 Φk m= Φfm 磁场 的条 件： 椭圆旋转磁场的产生条件 若：两相绕组电流相位差为90°，但幅值不 相等；或相位差不是90°； 或： 则：形成椭圆旋转磁场 f f cWc I W ≠ I
nm之0m .⑧N 椭圆磁场的等效组成 与gt 椭圆形磁场可用两个转速相同、转向相反的 t仁t60 圆形旋转磁场来代替： 中=中=Dm t仁t1-0.707④m ◆转向与原来椭圆磁场相同（正向圆形旋 转磁场)的圆形磁场： 中=0.7070m ◆转向与原来椭圆磁场相反（反向圆形旋 t仁t2⑨=0 转磁场)的圆形磁场。 D=更，=中m t仁t专-0.707m 0=-0.707Φ m 磁密的分解 分解几何图解： 横轴幅值：B,=Bsin(ot-90) 纵轴幅值：B.=aB sin ot(Oma>ru>m) 6
6 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 Φk t Φkm Nf Nk Φ k Φ f t= t0 Φk =0 Φ =Φf =Φ fm Φ fm Φ t= t1 Φk =0.707Φkm Φf = 0.707Φ fm t= t2 Φ = Φk =Φkm Φf = 0 Φ Φkm n1 t= t3 Φk =0.707Φkm Φf = – 0.707Φ fm Φ Φ f Φ k Φ Φ k Φ f t0 Φfm t Φf t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 Φfm >Φkm 椭圆磁场的等效组成 转向与原来椭圆磁场相同（正向圆形旋 转磁场）的圆形磁场； 转向与原来椭圆磁场相反（反向圆形旋 转磁场）的圆形磁场。 椭圆形磁场可用两个转速相同、转向相反的 圆形旋转磁场来代替： 磁密的分解 横轴幅值： 纵轴幅值： 其中，α为控制绕组和激磁绕组磁势之比 分解： Bc和Bf1构成圆形磁场，Bf2为脉振磁场。 时，椭圆旋转磁场变为圆形磁场。 B = B sin( t − 90°) f fm ω B =αB sinωt (0 <α ≤1) c fm 1 2 sin( 90 ) (1 ) sin( 90 ) ff f fm fm BBB αω α ω Bt Bt = + = − °+ − − ° α =1 分解几何图解： 分解的结论 一个椭圆旋 转磁场可用 一个正向圆 形旋转磁场 和一个反向 圆形旋转磁 场来等效。 椭圆旋转磁 场可分解为 两个转速相 同、转向相 反、幅值不 同的圆形磁 场。 或：进一步 描述 伺服电机圆形磁场下的机械特性 由前面普通三相电 机的讨论： 圆形磁场下当转子 电阻足够大时， sm≥1，整个机械特 性段均为稳定工作 段（曲线3和4） 转子电阻大，会导致发热 严重，效率低，所以两相 伺服电机的功率一般较小
讨论：为什么伺服电机要求整个 从分解角度理解椭圆旋转磁场 机械特性曲线为稳定工作段？ 的机械特性 机拔特性以峰值为界可分成两段 上升段 下降段 设电机负栽转矩为电机在下降 段g点稳定运转，如果此时T突然增 加到T,由于电机驱动转矩小于 负载阻转矩，电机要减速，根据特 性曲线，电机减速的同时，其驱动 转矩要随着增大，一立增加到等于 T，与负载转矩相平衡为止，这 样电机在g点又稳定地运转。 因此途中下降段是个稳 T和T分别为正向和反向圆形磁场对转子的驱 定区段。 动力矩。T为合成的驱动力拒 条件：d7dn<0 不稳定段的工况分析？ 实际电机转速最大为no,小于同步转速。 转子电阻取较大值的另一个 椭圆旋转磁场作用下的机械特性 原因：确保无自转 自转现象： 控制和激磁绕组的磁势 T 之比a越小，椭圆度越 当控制电压为零时，转子的转速不为零（一种 大，输出电磁转矩越 失控现象)。伺服电机的特性显然应确保控制 小。 =0.76 电压为零时转速为零。 =0.5 自转产生的原因： 调速原理：当控制电压 -0.25 当控制电压为零，励磁电压仍 改变时，a相应变化， 然存在，此时为脉振磁场。 在T,基本不变的情况 下，转速发生相应的变 脉振磁场的等效：两个方向相 Gt 化（调节） 反、幅值和频率相同的旋转磁 。. 场的叠加合成 定子绕组单相运行、 转子电阻继 转子电阻增加 续增加→ 时的特性曲线 转子电阻为小电阻时 在电机工作的0<s正 的特性曲线 <1范围内，合成转 矩T绝大部分都是正 合成转矩：制动 的（为驱动转矩） 转矩（方向与转 转子电阻进一步 速相反) 如果伺服电机在控 增大到使临界转 合成转矩曲线与 当控制电压U取 制电压作用下工 横轴相交于5=1处 、差率s正之1 消变为单相运行 作， 当突然使控制 时，电机产生制 电信号0=0，只要 动转矩，与负载 阻转矩小于单相运 阻转矩一起促使 临界转差 行时的最大转矩， 电机迅速停转 率sm正<1 电机仍将在转矩T作 (无自转)。 用下继续旋转，即 产生了自转现象 7
7 讨论：为什么伺服电机要求整个 机械特性曲线为稳定工作段？ 机械特性以峰值为界可分成两段 设电机负载转矩为TL ，电机在下降 段g点稳定运转。如果此时TL突然增 加到TL ′，由于电机驱动转矩小于 负载阻转矩，电机要减速，根据特 性曲线，电机减速的同时，其驱动 转矩要随着增大，一直增加到等于 TL ′，与负载转矩相平衡为止，这 样电机在g′点又稳定地运转。 不稳定段的工况分析？ 上升段 下降段 因此途中下降段是个稳 定区段。 条件：dT/dn＜0 从分解角度理解椭圆旋转磁场 的机械特性 T+和T- 分别为正向和反向圆形磁场对转子的驱 动力矩。T为合成的驱动力拒 实际电机转速最大为n0，小于同步转速。 椭圆旋转磁场作用下的机械特性 控制和激磁绕组的磁势 之比α越小，椭圆度越 大，输出电磁转矩越 小。 调速原理：当控制电压 改变时，α相应变化， 在TL基本不变的情况 下，转速发生相应的变 化（调节） 转子电阻取较大值的另一个 原因：确保无自转 自转现象： 当控制电压为零时，转子的转速不为零（一种 失控现象）。伺服电机的特性显然应确保控制 电压为零时转速为零。 自转产生的原因： 当控制电压为零，励磁电压仍 然存在，此时为脉振磁场。 脉振磁场的等效：两个方向相 反、幅值和频率相同的旋转磁 场的叠加合成 定子绕组单相运行、 转子电阻为小电阻时 的特性曲线 在电机工作的0＜s正 ＜1范围内， 合成转 矩T绝大部分都是正 的（为驱动转矩） 临界转差 率sm正<1 如果伺服电机在控 制电压Uk 作用下工 作， 当突然使控制 电信号Uk=0， 只要 阻转矩小于单相运 行时的最大转矩， 电机仍将在转矩T作 用下继续旋转，即 产生了自转现象。 合成转矩：制动 转矩（方向与转 速相反） 当控制电压Uk取 消变为单相运行 时，电机产生制 动转矩，与负载 阻转矩一起促使 电机迅速停转 （无自转）。 转子电阻增加 时的特性曲线 转子电阻进一步 增大到使临界转 差率s 合成转矩曲线与 m正 ＞1 横轴相交于s=1处 转子电阻继 续增加
2.3.2.3、控制方式(1) 控制方式(2) ◆幅值控制 ◆相位控制 激磁绕组加额定电压，控制绕组加可变电压 通过移相器向控制绕组供电，使控制电压幅 (U=aU,),但两者之间的相位差始终保 持90° 值不变，但相对的相位角可调节改变。 当a=1,为圆形磁场： 应用较少。 a<1,为椭圆磁场： a=0时？ 为脉振磁场 控制方式(3) 2.3.2.4、特性分析 ◆幅相控制（电容控 制) 同时改变控制电压的幅 ◆幅值控制时的特性 值和相位 ◆幅相控制时的特性 通常的实现方法：采用 电容移相，在励磁绕 组电路中串入电容。 交流线大器 旋转磁场一般为椭圆 应用最多 控2制樱求 一、 幅值控制下的特性（机械特 机械特性的另一种近似表达式 性) “理想”电机（完全线性）时： T=T+Bn+An2 n=no- T T 式中，相关系数B、A 式中，T。为堵转力矩，n为理想空载转速 (A为负值)。 表明：特性呈非线性 8
8 2.3.2.3、控制方式（1） 幅值控制 激磁绕组加额定电压，控制绕组加可变电压 （Uc=αUf ），但两者之间的相位差始终保 持90° 当α＝1 ，为圆形磁场； α<1，为椭圆磁场； α＝0时？ 为脉振磁场 控制方式（2） 相位控制 通过移相器向控制绕组供电，使控制电压幅 值不变，但相对的相位角可调节改变。 应用较少。 控制方式 （3） 幅相控制（电容控 制） 同时改变控制电压的幅 值和相位 通常的实现方法：采用 电容移相，在励磁绕 组电路中串入电容。 旋转磁场一般为椭圆 应用最多 2.3.2.4、特性分析 幅值控制时的特性 幅相控制时的特性 一、幅值控制下的特性（机械特 性） “理想”电机（完全线性）时： 式中，Td为堵转力矩，n0为理想空载转速 T T n n n d 0 = 0 − 机械特性的另一种近似表达式 式中，相关系数B、A （A为负值）。 表明：特性呈非线性 2 T1 T Bn An = d + +
调节特性 二、幅相控制下的特性 当电机处于不对称运行时，由于反向旋转磁 场的存在，使电机输出转矩减少，空载转 速降低。非线性更为严重。 其中，a=U./Um 可见，对于理想的两相伺服电机，尽管机 械特性呈近视线性，但调节特性是非线 性的。 机械特性 调节特性 他励直流电机 打Nm U=110V,U.=66V -11oV 7Nm 0.-110 V 2003 Tu=50mN· 50mN· 路.路V 00 62.8 V 3L25y 100 U./V 50 100 U./V (a) (B) 幅值控制 幅相控制 调节特性的比较 他励直流电机 U=110V,U=5.5V (a)幅值控制：(b)幅相控制 2.3.2.5、动态特性 传递函数 方法二：利用小偏差线性化概念 方法一： G(s)=(s) K K Jdo=T T(s)=Jso(s） U(s)(s+IX(ts+1)(s+1) 其中， 式中，K为增益系数：t。为电磁时间常数 @=@(U,T) 般取tm<0.05 9
9 调节特性 其中， 可见，对于理想的两相伺服电机，尽管机 械特性呈近视线性，但调节特性是非线 性的。 a Uc Ucn = / 二、幅相控制下的特性 当电机处于不对称运行时，由于反向旋转磁 场的存在，使电机输出转矩减少，空载转 速降低。非线性更为严重。 机械特性 幅值控制 幅相控制 他励直流电机 Uf =110V，Uc=66V 他励直流电机 Uf =110V，Uc=5.5V 调节特性的比较 (a) 幅值控制； (b) 幅相控制 调节特性 2.3.2.5、动态特性 传递函数 方法一： 式中，K为增益系数；τe为电磁时间常数 ( ) ( 1)( 1) ( 1) ( ) ( ) + ≈ + + = = s K s s K U s s G s m e m τ τ τ ω 一般取τm< 0.05 方法二：利用小偏差线性化概念 其中， T dt d J = ω T (s) = Jsω(s) ω = ω(U,T )
在工作点附近： @=f(U,T) 则传递函数为： do do du 8o dT u dh=aUd由+aTh (S) =G(s)=- aU K U(s) 或： 80U()+ 0 7+1 o(t)= aU at 式中：K= do (调节特性的斜率) 拉氏变换： aU o(s)= 20 U(s)+20T(s)=00 aU 肥Uo)+2ha T=J aT 其中，机械特性斜率⊙口 分析与推论 2.3.2.6、特点（相比于普通交流 电机) 由机械特性和调节特性曲线可知：tm在U。小时较 大，K在U。小时也较大。不同工作点上，两个参 数的变化可能达到2~4倍。这表明，由两相交流 ◆调速范围大 伺服电机构成的控制系统，严格来说是一个非线 ◆机械特性和调节特性基本线形（转子电阻 性、变增益系统。 大时，基本线性) 带来问题：不同U时，系统的开环增益不同，稳定裕 ◆零控制电压时无“自转” 度也不同。稳定裕度变化，则最佳调节时问难以保 ◆响应较快 证。 解决措施： ◆系统设计时首先确保小U。时的稳定性（为什么？）： ◆增加速度反馈包围伺服电机，以减小非线性特性。 2.3.2.7、交、直流伺服电机的性 能比较(1) 交、直流电机的性能比较(2) 直流电机 交流电机 直流电机 交流电机 机械特性和均为线性 有一定的非线性 “自转”现象 无 若参数选择不当， 调节特性 或工艺上有缺陷， 体积、重量输出功率相同时， 体积较大、重量较 则可能会有 和效率 体积较小、重量较重、效率较低。传统 电刷和换向 导致结构复杂、制 运行可靠、维护方 轻、效率较高。 上用于小功率场合 器的滑动接 造麻烦：易出现火 动态响应 空载时，机电时间 带负载惯量后，机电 触 花、影响使用寿命 常数较交流电机的时间常数接近直流电 放大器装置 直流放大器有零点 控制器相对复杂 大（由于有电枢绕 机。 漂移，会影响精度 组和换向器) 和稳定性。 10
10 dt dT dt T dU dt U d ∂ ∂ + ∂ ∂ = ω ω ω ( ) ( ) T (t) T U t U t ∂ ∂ + ∂ ∂ = ω ω ω ( ) ( ) ( ) ( ) Js (s) T U s U T s T U s U s ω ω ω ω ω ω ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ = 在工作点附近： 或： 拉氏变换： ω = f (,) U T 1 1 ( ) ( ) ( ) + = + ∂ ∂ − ∂ ∂ = = s K s T J U G s U s s m ω τ ω ω U K ∂ ∂ = ω T J m ∂ ∂ = − ω τ < 0 ∂ ∂ T ω 则传递函数为： 式中： （调节特性的斜率） 其中，机械特性斜率 分析与推论 由机械特性和调节特性曲线可知：τm在Uc 小时较 大，K 在Uc 小时也较大。不同工作点上，两个参 数的变化可能达到2～4倍。这表明，由两相交流 伺服电机构成的控制系统，严格来说是一个非线 性、变增益系统。 带来问题：不同Uc时，系统的开环增益不同，稳定裕 度也不同。稳定裕度变化，则最佳调节时间难以保 证。 解决措施： 系统设计时首先确保小Uc 时的稳定性(为什么？)； 增加速度反馈包围伺服电机，以减小非线性特性。 2.3.2.6、特点（相比于普通交流 电机） 调速范围大 机械特性和调节特性基本线形（转子电阻 大时，基本线性） 零控制电压时无“自转” 响应较快 2.3.2.7、交、直流伺服电机的性 能比较 （1） 带负载惯量后，机电 时间常数接近直流电 机。 空载时，机电时间 常数较交流电机的 大（由于有电枢绕 组和换向器） 动态响应 体积较大、重量较 重、效率较低。传统 上用于小功率场合 输出功率相同时， 体积较小、重量较 轻、效率较高。 体积、重量 和效率 机械特性和 均为线性 有一定的非线性 调节特性 直流电机 交流电机 交、直流电机的性能比较 （2） 直流放大器有零点 控制器相对复杂 漂移，会影响精度 和稳定性。 放大器装置 运行可靠、维护方 便 导致结构复杂、制 造麻烦；易出现火 花、影响使用寿命 电刷和换向 器的滑动接 触 若参数选择不当， 或工艺上有缺陷， 则可能会有 “自转”现象 无 直流电机 交流电机
