一、交流伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
交流伺服電動機(jī)可分為同步伺服電動機(jī)和異步伺服電動機(jī)。同步伺服電動機(jī)種類眾多，特色各異．將在本書下一章進(jìn)行專門介紹。這里首先介紹異步伺服電動機(jī)。
交流異步伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與交流測速發(fā)電機(jī)相類似(見圖3～6)，其定子上嵌有兩相繞組，一相是勵磁繞組Nf，另一相是控制繞組Nc，它們在空間互差90°電角度．如圖4-4所示。異步伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)，一種是籠型轉(zhuǎn)子．它與普通的異步電動機(jī)籠型轉(zhuǎn)子相比較，主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用了高電阻系數(shù)的材料，目的是消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象；另一種是杯型轉(zhuǎn)子，它的定子有內(nèi)外之分可以分別放置勵磁繞組和控制繞組，目的是為了嵌線方便和減小轉(zhuǎn)子慣量。杯型轉(zhuǎn)子是靠空心杯中所感應(yīng)的渦流與主磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動慣量�。捎跉庀遁^大，需要提供的勵磁電流較大，因此體積也較大。這里主要介紹籠型轉(zhuǎn)子異步伺服電動機(jī)的工作原理和運(yùn)行特性。
二、兩相交流繞組的旋轉(zhuǎn)磁場
異步伺服電動機(jī)實(shí)際上是一臺兩相的異步電動機(jī)，要分析其運(yùn)行特性，首先應(yīng)當(dāng)搞清楚相交流繞組所產(chǎn)生磁場的基本特點(diǎn)。
1．旋轉(zhuǎn)磁場的大小
為了分析方便起見，先假設(shè)勵磁繞組和控制繞組為對稱的兩相交流繞組，即它們的繞組匝數(shù)和繞組系數(shù)均相等，并且通入對稱的兩相交流電流，即
根據(jù)交流繞組旋轉(zhuǎn)磁場的基本理論，單相交流繞組通以單相交流電流后，將產(chǎn)生沿繞組軸線方向的脈振磁動勢。因此，勵磁繞組和控制繞組的基波脈振磁動勢相量的長度分別是
由于勵磁繞組和控制繞組的軸線在空間互差90°電角度，因此任何時刻基波合成磁動勢相量的長度都為
式(4—8)表明，在對稱的兩相交流繞組中通入對稱的兩相交流電流后，兩相脈振磁動勢的合成必然是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。
轉(zhuǎn)磁場的條件應(yīng)是Ffm=Fcm=Fm，由式(4 -7)可得
式(4—10)說明，當(dāng)兩相繞組的有效串聯(lián)匝數(shù)不相等時，若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，則兩相繞組電流的相位差應(yīng)為90°電角度，并且兩相電流的大小應(yīng)與有效串聯(lián)匝數(shù)成反比。這種兩相電流稱為兩相對稱交流電流。
2．旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速
旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向可以用圖4-5所示的四個時刻來說明．具體如下：
(1)當(dāng)ω1t=0時,if=Im,ic=0，合成磁動勢垂直向上，如圖4—5(a)所示；
(2)當(dāng)ω1t=π／2時,if=0,ic=Im，合成磁動勢水平向右，如圖4-5(b)所示；
(3)當(dāng)ω1t=π時,if=-Im,ic=0合成磁動勢垂直向下，如圖4-5(c)所示；
(4)當(dāng)ω1t=π／2時,if=0,ic=-Im合成磁動勢水平向左，如圖4—5(d)所示；
當(dāng)ω1t=2π時，合成磁動勢又回到圖4-5(a)所示的方向上。
由此可見，旋轉(zhuǎn)磁場是由電流超前的相繞組轉(zhuǎn)向電流滯后的相繞組，并且當(dāng)某相電流達(dá)到****時，合成磁動勢就位于該相繞組的軸線方向上。
顯然，旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度就是ω1=2πf1，所以旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(單位為r／min)為
綜上所述，兩相交流繞組旋轉(zhuǎn)磁場的基本特點(diǎn)有以下幾個方面：
(1)兩相對稱繞組通入兩相對稱電流所產(chǎn)生的基波合成磁動勢是一個旋轉(zhuǎn)行波，合成磁
(2)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速取決于電源頻率和電機(jī)極對數(shù)，即n1=60f1／p稱為同步轉(zhuǎn)速。
(3)旋轉(zhuǎn)磁場的方向是從電流超前的相轉(zhuǎn)向電流滯后的相，若要改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，則只要改變定子繞組的相序即可。
(4)當(dāng)某相電流達(dá)到****時．合成磁動勢剛好轉(zhuǎn)到該相繞組的軸線方向上。
三、異步伺服電動機(jī)的電磁關(guān)系
1．電壓平衡方程
(1)轉(zhuǎn)子靜止時。在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，定子勵磁繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組都將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場的每極主磁通為φ，根據(jù)交流電機(jī)的基本原理，相應(yīng)的感應(yīng)電動勢分別為
在定、轉(zhuǎn)子繞組中，除旋轉(zhuǎn)磁場主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢Ef、Ec、E2外．還有漏磁
考慮到相應(yīng)繞組的電阻壓降，轉(zhuǎn)子不動時異步伺服電動機(jī)的電壓平衡方程為
式中：Rf、Rc、R2為相應(yīng)繞組的電阻。
(2)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時．根據(jù)異步電動機(jī)的基本原理．轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢及電流的頻率為
此時，旋轉(zhuǎn)磁場主磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢應(yīng)為
根據(jù)式(4—12)，得
同理，漏磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的漏磁電動勢為
這樣，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時異步伺服電動機(jī)的電壓平衡方程為
2．產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場時的定子電壓
根據(jù)電壓平衡方程,可以進(jìn)一步分析產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，定子兩相繞組的電壓應(yīng)滿足的關(guān)系。
為使分析具有一般性．設(shè)兩相繞組的匝數(shù)不等，其有效匝比仍為k=Nf／Nc。根據(jù)式(4-10),并考慮勵磁繞組電流超前控制繞組電流90。電角度，可得
另外，兩相繞組的電阻和漏電抗應(yīng)滿足式(4-22)所示關(guān)系，即
將式(4 20)、式(4 21)和式(4 22)代人式(4一19)的第一式，得
上式兩邊同除以jK，得
將式（4-23）與式（4-19）的第二式可得
即
式(4—24)說明，若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，則異步伺服電動機(jī)定子兩相繞組電壓的相位差應(yīng)為90°電角度，并且其有效值應(yīng)與有效串聯(lián)匝數(shù)成正比。這種兩相電壓稱為兩相對稱交流電壓。
四、異步伺服電動機(jī)的運(yùn)行特性
1．電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩
根據(jù)異步電動機(jī)能量傳遞的基本關(guān)系．從定子傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率為
式中：mz為轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)。
由式(4—12)，得
這樣，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢為
根據(jù)式(4 19)的第三式，轉(zhuǎn)子繞組的電流和功率因數(shù)分別為
把式(4-28)、式(4—29)和式(4—30)代入式(4—25)，可以得到電磁功率為
式(4 -33)表明了異步伺服電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與控制電壓、轉(zhuǎn)差率(即轉(zhuǎn)速)和電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系。對于已制成的電機(jī)，電機(jī)參數(shù)是一定的．電源頻率一般不變．當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時·電磁轉(zhuǎn)矩與控制電壓的平方成正比。這是一個重要的結(jié)論。
2．圓形旋轉(zhuǎn)磁場時的機(jī)械特性
根據(jù)式(4—33)可以繪出圓形旋轉(zhuǎn)磁場時不同控制電壓下異步伺服電動機(jī)的機(jī)械特性．如圖4-6(a)所示，其中ucn表示額定控制電壓。這個機(jī)械特性與普通三相異步電動機(jī)是相似的。
將式(4-33)對s求導(dǎo)，并令dTe／ds=O．可求出****電磁轉(zhuǎn)矩及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率(稱為臨界轉(zhuǎn)差率)分別為
式(4-34)和式(4-35)表明，I臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子電阻成正比，但****轉(zhuǎn)矩Tem卻與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)。圖4-6(b)所示為額定控制電壓下不同轉(zhuǎn)子電阻時的機(jī)械特性．可見轉(zhuǎn)子電阻越大，機(jī)械特性線性段的范圍就越大，這對于伺服電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和擴(kuò)大調(diào)速范圍是非常有利的．所以具有較大的轉(zhuǎn)子電阻是異步伺服電動機(jī)的重要特點(diǎn)。
當(dāng)然，轉(zhuǎn)子電阻也不能取得過大，否則異步伺服電動機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力將受到限制．如圖4-6(b)中所示的轉(zhuǎn)子電阻為R2d時的臨界情況．此時sm=1(n=0)。Te=Tem若轉(zhuǎn)子電阻再增加，則****轉(zhuǎn)矩將小于Tem
3．橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場時的機(jī)械特性
在圓形旋轉(zhuǎn)磁場作用下，電動機(jī)處于對稱運(yùn)行狀態(tài)，這只是異步伺服電動機(jī)運(yùn)行中的一種特殊情況．此時加在定子勵磁繞組和控制繞組上的電壓是兩相對稱的交流電壓，所產(chǎn)生的電流也是兩相對稱的交流電流。
為了實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，加在控制繞組上的控制電壓是變化的，其幅值或相位應(yīng)是可調(diào)的。這樣，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場的條件不再滿足，電動機(jī)實(shí)際處于一種不對稱運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)交流繞組磁動勢的基本理論，兩相不對稱繞組所產(chǎn)生的應(yīng)是橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。下面就兩相繞組中電流相位差仍為90°電角度．但磁動勢幅值不相等時的情況進(jìn)行簡要分析。
設(shè)兩相繞組磁動勢的瞬時表達(dá)式為
式中：磁動勢幅值Fcm=aFm(a為橢圓度系數(shù)，0≤a≤1)
將勵磁繞組磁動勢Ff進(jìn)行分解，即
可見，勵磁繞組磁動勢分量Ff1與控制繞組磁動勢Fc的幅值相等，相位互差90°電角度兩者合成正好形成一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，其幅值就是
另外，勵磁繞組磁動勢分量Ff2是一個沿勵磁繞組軸線方向的脈振磁場，這個脈振磁場可以分解為兩個轉(zhuǎn)向相反、幅值等于脈振磁動勢幅值一半的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即
這樣，原來的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以用兩個正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場和一個反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場來等效。兩個正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相等，轉(zhuǎn)向相同，軸線一致，可以合成為一個正向圓形磁場，其幅值為
而反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場的幅值為
通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：
異步伺服電動機(jī)在一般運(yùn)行情況時，定子兩相繞組產(chǎn)生的是一個橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場可以用兩個轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁場來代替，其中一個的轉(zhuǎn)向與原來的橢圓形磁場相同，稱為正向圓形旋轉(zhuǎn)磁場；另一個的轉(zhuǎn)向則相反，稱為反向圓形旋轉(zhuǎn)磁場。如果磁場的橢圓度越小(即a越接近1)，則反向旋轉(zhuǎn)磁場就越小，而正向旋轉(zhuǎn)磁場就越大；反之，如果磁場的橢圓度越大(即a越接近O)，則反向旋轉(zhuǎn)磁場就越大，而三向旋轉(zhuǎn)磁場就越小。但無論a多大(0≤a≤1)，正向旋轉(zhuǎn)磁場的幅值總是大于反向旋轉(zhuǎn)磁場的幅值(Fm+>Fm_)只有當(dāng)控制繞組的電流為零，即a=0時，正、反向轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場的幅值才相等，而此時實(shí)際上只有勵磁繞組的電流所產(chǎn)生的脈振磁場存在，電動機(jī)將無法轉(zhuǎn)動。
圖4—7所示為正、反向轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場示意圖，其中一對大磁極表示正向旋轉(zhuǎn)磁場，一對磁極表示反向旋轉(zhuǎn)磁場。正向旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩te+起驅(qū)動作用；而反向旋轉(zhuǎn)磁場總是與轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Te_起制動作用。合成電磁轉(zhuǎn)矩Te總是正的，即
若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，則轉(zhuǎn)子相對于正向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率為
而轉(zhuǎn)子相對于反向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率為
注意：當(dāng)O<4<1時，1 根據(jù)圓形旋轉(zhuǎn)磁場時的機(jī)械特性，由式(4—33)可以分別繪出正、反向旋轉(zhuǎn)磁場的機(jī)械特性曲線以及它們的合成曲線，即橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場時的機(jī)械特性Te=f(n)，如圖4—8所示。
與圓形旋轉(zhuǎn)磁場時的機(jī)械特性相比較，橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場時的機(jī)械特性具有以下兩個特點(diǎn)：
(1)由于反向旋轉(zhuǎn)磁場的存在，產(chǎn)生了附加的制動轉(zhuǎn)矩Te-．因此使電機(jī)總的輸出轉(zhuǎn)矩都減小了。
(2)在理想空載情況下(即電磁轉(zhuǎn)矩Te—O時)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已不能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n-，而是低于n1。
4．自轉(zhuǎn)現(xiàn)象及消除方法
根據(jù)上述分析，異步伺服電動機(jī)實(shí)際上是不對稱運(yùn)行的兩相異步電動機(jī)，勵磁繞組和控制繞組分別在氣隙中產(chǎn)生單相脈振磁場，兩者合成的結(jié)果是一橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，該橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場又可以分解為正、反向的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。
異步伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻往往較大，除了為改善機(jī)械特性的線性度和穩(wěn)定運(yùn)行外，更重要的是為了保證當(dāng)控制繞組電壓為零時，電動機(jī)能立刻停轉(zhuǎn)。因?yàn)楫?dāng)控制繞組沒有外施電壓時，異步伺服電動機(jī)就相當(dāng)于一臺正常運(yùn)行的單相異步電動機(jī)，這時只有勵磁繞組在起作用，相應(yīng)的機(jī)械特性如圖4～9(a)所示，其中Te+表示正向旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，Te_表示反向旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，Te是兩者合成的結(jié)果。顯然，正向旋轉(zhuǎn)時電磁轉(zhuǎn)矩Te是正值；反向旋轉(zhuǎn)時電磁轉(zhuǎn)矩Te是負(fù)值．說明Te總是驅(qū)動性質(zhì)的，電動機(jī)在兩個方向都可以旋轉(zhuǎn)。這種情況對于伺服電動機(jī)而言是不利的，相當(dāng)于控制信號消失而仍有角速度或角位移輸出，稱為“自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”。
如果增大轉(zhuǎn)子電阻，使正向電磁轉(zhuǎn)矩t一和反向電磁轉(zhuǎn)矩Te-的臨界轉(zhuǎn)差率sm>1，將得到圖4 9(b)所示的機(jī)械特性。這樣，正向旋轉(zhuǎn)時電磁轉(zhuǎn)矩t是負(fù)值；反向旋轉(zhuǎn)時電磁轉(zhuǎn)矩Te是正值，即Te總是制動性質(zhì)的。因此，在控制電壓為零時，電動機(jī)在兩個方向上都不可能自轉(zhuǎn)。
當(dāng)然．增大轉(zhuǎn)子電阻也有不利的一面。首先電動機(jī)效率會降低，同樣功率的電機(jī)體積也要大一些：其次臨界轉(zhuǎn)差率sm>1，使起動轉(zhuǎn)矩減小。由于伺服電動機(jī)的工作性質(zhì)不同于普通電動機(jī)，主要要求運(yùn)行穩(wěn)定．線性度好，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而效率和體積相對次要些，因此轉(zhuǎn)子電阻往往設(shè)計得相當(dāng)大．以滿足自動控制系統(tǒng)的基本需要。
5．控制方式簡介
一般情況下，異步伺服電動機(jī)的勵磁繞組電壓uf保持不變，通過改變控制繞組電壓u。的幅值或相位，就可以改變正向旋轉(zhuǎn)磁場與反向旋轉(zhuǎn)磁場之間的大小關(guān)系，以及正向電磁轉(zhuǎn)矩和反向電磁轉(zhuǎn)矩之間的比值，從而達(dá)到改變合成電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的目的。這樣，異步伺服電動機(jī)就有三種具體的控制方式，具體如下：
(1)幅值控制，即僅改變控制繞組電壓Uc的幅值；
(2)相位控制，即僅改變控制繞組電壓Uc的相位；
(3)幅相控制，即同時改變控制繞組電壓Uc的幅值和相位。
幅值控制方式簡單易行．且控制效果較好。所以，下面就以幅值控制方式為例，簡要介紹相應(yīng)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。
采用幅值控制方式時，控制繞組電壓Uc在時間上滯后勵磁繞組電壓Uf 90°電角度，且保持不變，僅其幅值可以調(diào)節(jié)。Uc的有效值可以表示為 式中：ucn為控制繞組的額定電壓；ae為有效信號系數(shù)(O≤ae≤1)。
當(dāng)ae=O時，控制繞組沒有外施電壓，僅勵磁繞組一相供電，產(chǎn)生單相脈振磁動勢。如果轉(zhuǎn)子電阻足夠大，轉(zhuǎn)子將靜止不動。
當(dāng)O 當(dāng)ae=l，即當(dāng)勵磁繞組與控制繞組的外施電壓均為各自的額定值時，它們的磁動勢幅值應(yīng)相等，相應(yīng)的氣隙合成磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場，這時僅存在正向旋轉(zhuǎn)磁場及正向電磁轉(zhuǎn)矩Te+將產(chǎn)生****的電磁轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)圖4-10所示的幅值控制時的機(jī)械特性，采用作圖法可以獲得相應(yīng)的調(diào)節(jié)特性，如圖4-11示。
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