交流伺服电机工作原理_调速控制_优缺点

伺服电机的作用类似于旋转执行器，主要用于将电输入转换为机械加速度。该电机基于伺服机构工作，只要位置反馈用于控制电机的速度和最终位置即可。伺服电机根据施加的输入转动并获得一定角度。

伺服电机体积小，但非常节能。这些电机分为交流伺服电机和直流伺服电机两种类型，这两种电机的主要区别在于所使用的电源。直流伺服电机的性能主要仅取决于电压，而交流伺服电机的性能则取决于电压和频率。在本文中，简单介绍其中一种伺服电机——交流伺服电机的应用特点。

基本概念

利用交流电输入以精确的角速度形式产生机械输出的一类伺服电机称为交流伺服电机，从这种伺服电机获得的输出功率主要在几瓦到几百瓦之间。交流伺服电机的工作频率范围为50至400赫兹。交流伺服电机图如下所示：

交流伺服电机的主要特点主要包括：设备重量轻、在操作中提供稳定性和可靠性、操作时不会产生噪音、提供线性扭矩-速度特性，并且在没有滑环和电刷时降低维护成本。

结构特点

通常情况下，交流伺服电机是两相感应电机。该电机与普通感应电机一样，使用定子和转子构成，但这种伺服电机的定子一般采用叠片结构。该定子包括两个在空间上相隔90度的绕组。由于这种相位变化，产生了旋转磁场。

第一绕组称为主绕组或也称为固定相或参考绕组。此处，主绕组由恒压电源激活，而其他绕组（如控制绕组或控制相）由可变控制电压激活。该控制电压仅由伺服放大器提供。

转子一般有鼠笼式和拖杯式两种。该电机使用的转子是普通的笼型转子，包括固定在槽中并通过端环短路的铝条。气隙保持最小以实现最大通量连接。另一种类型的转子，如拖杯，主要用于旋转系统惯性较低的地方。因此，这有助于降低功耗。

工作原理

交流伺服电机的工作原理是，在伺服电机的启动器主绕组上提供恒定的交流电压，另一个定子端子通过控制绕组简单地连接到控制变压器。由于施加了参考电压，同步发电机的轴将以特定的速度旋转并获得特定的角位置。

此外，与同步发电机轴的角点相比，控制变压器的轴具有特定的角位置。所以两个角位置比较将提供误差信号。更具体地，评估产生误差信号的等效轴位置的电压水平。因此，该误差信号与控制变压器的当前电压电平通信。之后，该信号被提供给伺服放大器，使其产生不均匀的控制电压。

通过这个施加的电压，转子再次达到特定速度，开始旋转并保持直到误差信号值达到零，从而获得电机在交流伺服电机内的首选位置。

传递函数

交流伺服电机的传递函数可以定义为输出变量的L.T（拉普拉斯变换）与输入变量的L.T之比。因此，正是数学模型表达了微分方程，它告诉了系统的o/p到i/p。

如果已知任何系统的TF（传递函数），则可以针对不同类型的输入计算输出响应，以识别系统的性质。同样，如果传递函数 (TF) 未知，则可以通过简单地将已知输入应用到设备并研究系统的输出来通过实验找到它。

交流伺服电机是一种两相感应电机，即有控制绕组（主励磁绕组）和参考绕组（励磁绕组）两个绕组。

所以需要找出交流伺服电机的传递函数，即θ(s)/ec(s)。这里θ(s)是系统的输出，而ec(s) 是系统的输入。为了找出电机的传递函数，需要找出电机产生的扭矩“Tm”和负载产生的扭矩“Tl”。如果将平衡条件等同于Tm=Tl，则可得传递函数。这里定义：

• Tm=电机产生的扭矩。
• Tl=负载产生的扭矩或负载扭矩。
• 'θ'=角位移。
• 'ω'=dθ/dt=角速度。
• 'J'=负载的转动惯量。
• 'B'=负载的阻尼器。

另外，这里要考虑的两个常数是K1和 K2。

• 'K1'是控制相电压与转矩特性的斜率。
• 'K2'是速度转矩特性的斜率。

在这里，电机产生的扭矩简单地表示为：Tm = K1ec- K2 dθ/dt —–(1)

负载转矩 (TL) 可以通过考虑转矩平衡方程来建模。施加的扭矩=由于J,B而产生的反向扭矩，所以有：

Tl = TJ + TB = J d^2θ/dt^2 + B dθ/dt^2 + B —–(2)

由于知道平衡条件Tm=Tl，即：

K1ec- K2 dθ/dt = J d^2θ/dt^2 + B dθ/dt^2 + B

将拉普拉斯变换方程应用于上式，则可以得到：

K1Ec(s) – K2 S θ(S) = JS^2θ (S) + BS θ(S)

K1Ec(s) = JS^2θ(S) + BSθ(S)+ K2S θ(S)

K1Ec(s) = θ(S)[JS^2 + BS + K2S]

TF = θ (S)Ec(s) = K1/ JS^2 + BS + K2S= K1/ S [B + JS + K2]= K1/ S [B + K2 + JS]= K1/ S (B + K2) [1 + (J/ B + K2) *S]

TF = θ (S)Ec(s) = K1/(B + K2) / S[1 + (J/ B + K2) *S]

TF = Km / S[1 + (J/ B + K2) *S] => Km / S(1 + STm)] = θ (S)Ec(s)

TF = Km / S(1 + STm)] = θ (S)Ec(s)

其中，Km = K1/ B + K2 = 电机增益常数，Tm = J/ B + K2 = 电机时间常数。

调速控制方法

伺服电机一般有位置控制、转矩控制和速度控制三种控制方式。

1. 位置控制方法用于确定整个外部输入频率信号的旋转速度的大小。旋转角度由脉冲数决定。伺服电机的位置和速度可以通过通信直接分配。由于该方法的位置可以对位置和速度进行极其严格的控制，因此通常在定位应用中使用。
2. 在转矩控制方式中，伺服电机的输出转矩由地址处的模拟量输入设定。它可以通过简单地实时改变模拟来改变扭矩。此外，它还可以通过通信改变相对地址处的值。
3. 在速度控制模式下，电机速度可以通过模拟量输入和脉冲来控制。如果有精度要求并且不关心那么大的扭矩，那么速度模式更好。

主要特性

交流伺服电机的转矩速度特性如下所示。在以下特性中，转矩随速度变化但不是线性变化，因为它主要取决于电抗 (X) 与电阻(R) 的比值。该比率的低值涉及电机具有高电阻和低电抗，在这种情况下，电机特性比电抗 (X) 与电阻 (R) 的高比率值更线性。

优缺点

交流伺服电机的主要优点包括以下内容：

• 速度控制特性良好。
• 产生的热量较少。
• 提供高效率、更大的单位重量扭矩、可靠性和更低的射频噪声。
• 需要更少的维护。
• 在没有换向器的情况下，它们的预期寿命更长。
• 能够处理工业机械中更高的电流浪涌。
• 在高速下，它们提供更恒定的扭矩。
• 都是高度可靠的。
• 提供高速性能。
• 非常适合不稳定的负载应用。

交流伺服电机的主要缺点包括以下内容：

• 控制难度较大。
• 可能因持续过载而损坏。
• 齿轮箱经常需要高速传输动力。

主要应用

交流伺服电机的应用主要包括以下内容：

• 适用于位置调节很重要的地方，通常用于半导体设备、机器人、飞机和机床。
• 用于在伺服机构上运行的仪器，如计算机和位置控制设备。
• 用于机床、机器人机械和跟踪系统。
• 用于大多数常见的机器和电器，如热水器、烤箱、泵、越野车、花园设备等。

总结

以上就是交流伺服电机的工作原理和结构特点，这些电机用于许多应用，例如在伺服机构上运行的仪器以及机床、跟踪系统和机器人技术。

简单来说，交流伺服电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。