交流伺服電機(jī)的工作原理

　　交流伺服電機(jī)的工作原理

　　交流伺服電機(jī)驅(qū)動是最新發(fā)展起來的新型伺服系統(tǒng)，也是當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)方面的一個新動向。該系統(tǒng)克服了直流驅(qū)動系統(tǒng)中電機(jī)電刷和整流子要經(jīng)常維修、電機(jī)尺寸較大和使用環(huán)境受限制等缺點。它能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，用于數(shù)控機(jī)床等進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)為精密位置控制。

　　交流伺服電機(jī)的工作原理與兩相異步電機(jī)相似 。然而 ，由于它在數(shù)控機(jī)床中作為執(zhí)行元件，將交流電信號轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度 ，所以要求轉(zhuǎn)子速度的快慢能夠反映控制信號的相位，無控制信號時它不轉(zhuǎn)動。特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動起來以后，若控制信號消失，它往往不能立即停止而要繼續(xù)轉(zhuǎn)動一會兒。

　　交流伺服電機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有勵磁繞組和控制繞組，這兩個繞組在空間相差90°電角度。若在兩相繞組上加以幅值相等、相位差90°電角度的對稱電壓，則在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。若兩個電壓的幅值不等或相位不為90°電角度，則產(chǎn)生的磁場將是一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。加在控制繞組上的信號不同，產(chǎn)生的磁場橢圓度也不同。例如，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，改變控制信號，就可以改變磁場的橢圓度，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。交流伺服電機(jī)的控制方式有三種：幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制。圖5--11所示為這三種控制方法的電氣原理和矢量圖。

圖5—11交流伺服電機(jī)的控制方法
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　　交流伺服電動機(jī)原理

　　伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

　　交流伺服電動機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機(jī)相似，如圖1 所示。其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf 上；另一個是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機(jī)又稱兩個伺服電動機(jī)。

　　交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動慣量小這兩個特點。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子，如圖2 所示?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。

　　交流伺服電動機(jī)在沒有控制電壓時，定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動。當(dāng)有控制電壓時，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時，伺服電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。

　　交流伺服電動機(jī)的工作原理與分相式單相異步電動機(jī)雖然相似，但前者的轉(zhuǎn)子電阻比后者大得多，所以伺服電動機(jī)與單機(jī)異步電動機(jī)相比，有三個顯著特點：

　　1、起動轉(zhuǎn)矩大

　　由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。

　　2、運行范圍較廣

　　如圖3 所示，較差率S 在0 到1 的范圍內(nèi)伺服電動機(jī)都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

　　3、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

　　正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性（T1－S1、T2－S2 曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T－S 曲線）如圖4 所示，與普通的單相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性（圖中T′－S 曲線）不同。這時的合成轉(zhuǎn)矩T 是制動轉(zhuǎn)矩，從而使電動機(jī)迅速停止運轉(zhuǎn)。

　　圖5 是伺服電動機(jī)單相運行時的機(jī)械特性曲線。負(fù)載一定時，控制電壓Uc 愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時，負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降。

　　交流伺服電動機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V；當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

　　不同類型的交流伺服電動機(jī)具有不同的特點?；\型轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)具有勵磁電流較小、體積較小、機(jī)械強(qiáng)度高等特點；但是低速運行不夠平穩(wěn)，有抖動現(xiàn)象?？招谋无D(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動慣量小、運行平滑、噪聲小、沒有無線電干擾、無抖動現(xiàn)象等優(yōu)點；但是勵磁電流較大，體積也較大，轉(zhuǎn)子易變形，性能上不及直流伺服電動機(jī)。

　　交流伺服電動機(jī)運行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率自動控制系統(tǒng)中，頻率有50Hz、400Hz 等多種。

　　籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)產(chǎn)品為SL 系列。空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機(jī)為SK 系列，用于要求運行平滑的系統(tǒng)中。