交流伺服电动机

电动设备

交流伺服电动机，是将电能转变为机械能的一种机器。

机器结构

交流伺服电动机在结构上类似于单相异步电动机，它的定子铁芯中安放着空间相差90°电角度的两相绕组。一相称为励磁绕组，一相称为控制绕组。电动机工作时，励磁绕组接单相交流电压，控制绕组接控制信号电压，要求两相电压同频率。

交流伺服电动机的转子有两种结构形式。一种是笼型转子，与普通三相异步电动机笼型转子相似，只不过在外形上更细长，从而减小了转子的转动惯量，降低了电动机的机电时间常数。笼型转子交流伺服电动机体积较大，气隙小，所需的励磁电流小，功率因数较高，电动机的机械强度大，但快速响应性能稍差，低速运行也不够平稳。

另一种是非磁性空心杯形转子，其转子做成了杯形结构，为了减小气隙，在杯形转子内还有一个内定子，内定子上不设绕组，只起导磁作用，转子用铝或铝合金制成，杯壁厚0.2~0.8mm，转动惯量小且具有较大的电阻。空心杯型转子交流伺服电动机具有响应快、运行平稳的优点,但结构复杂,气隙大载电流大,功率因数较低。

发展历史

自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3～5年就有更新换代的产品面市。传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的;步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，pwm调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。

交直流伺服电机系统

下面从功率驱动、性能、保护电路等方面，叙述其和直流伺服电机系统的不同特点。

功率驱动

对于在雷达上经常使用的直流伺服系统的驱动电动机功率放大部分，当天线重量轻，转速慢，驱动功率较小时，一般为几十瓦，可以直接用直流电源控制电动机。当驱动功率要求在近千瓦或千瓦以上时，选择驱动方案，也即放大直流电动机的电枢电流，就是设计伺服系统的重要部分。大功率直流电源采用较多的有:晶体管功放、晶闸管功放和电机放大机等等。对于千瓦级的晶体管功放使用的较少。可控硅技术在上世纪60～70年代初得到快速的发展和广泛的应用，但因当时的各方面原因，如可靠性等，不少产品放弃了可控硅控制。集成驱动模块一般都为晶体管或晶闸管制造。电机放大机是传统的直流伺服电机的功放装置，因其控制简单，结实耐用，新型号的雷达产品上仍有采用。下面主要以放大电机为例，和交流伺服电机比较其优缺点。

放大电机常称为扩大机，一般是用交流异步感应电动机拖动串联的两级直流发电机组，以此来实现直流控制。两组控制绕组，每组的输入阻抗为几千欧，若串接使用输入阻抗约10千欧，一般为互补平衡对称输入，当系统输入不为零时打破其平衡，使放大电机有输出信号。当输入电流为十几到几十毫安时其输出可达100v以上的直流电压和几安到几十安的电流，直接接到直流伺服电机的电枢绕组上。其主要缺点是体积重量大，非线性度，尤其在零点附近不是很好，这对于要求高的系统需要仔细处理。

而交流伺服电机都配有专门的驱动器，它在体积和重量上远小于同功率的放大电机，它靠内部的晶体管或晶闸管组成的开关电路，根据伺服电机内的光电编码器或霍尔器件判断转子当时的位置，决定驱动电机的a、b、c三相应输出的状态，因此它的效率和平稳性都很好。所以不像控制放大电机需要做专门的功放电路。这种电机一般都为永磁式的，驱动器产生的a、b、c三相变化的电流控制电机转动，因此称为交流伺服电机;驱动器输入的控制信号可以是脉冲串，也可以是直流电压信号（一般为±10v），所以也有将其称为直流无刷电动机。

两种电机的简单试验比较

对两种电机作过简单的试验比较:只要将系统原先的直流误差信号直接接入交流伺服驱动器的模拟控制输入端，用交流伺服电机和它的驱动器代替原先的差分功放、电机放大机和直流伺服电机，而控制部分和测角元件等均不变，简单比较两种方案的输出特性。

工作原理

在交流伺服电动机中，除了要求电动机不能“自转”外，还要求改变加在控制绕组上的电压的大小和相位能够改变电动机转速的大小和方向。

根据旋转磁动势理论，励磁绕组和控制绕组共同作用产生的是一个旋转磁场，旋转磁场的旋转方向是由相位超前的绕组转向相位滞后的绕组。改变控制绕组中控制电压的相位，可以改变两相绕组的超前滞后关系，从而改变旋转磁场的旋转方向，交流伺服电动机转速方向也会发生变化。改变控制电压的大小和相位，可以改变旋转磁场的磁通，从而改变电动机的电磁转矩，交流伺服电动机转速也会发生变化。

交流电动机的转速控制方法有幅值控制、相位控制和幅相控制三种。

（1）幅值控制是通过改变控制电压Uc的幅值来控制电动机的转速，而Uc的相位始终保持不变，使控制电流Ic与励磁电流If保持90°电角度的相位关系。如Uc=0则转速为0，电动机停转。

（2）相位控制是通过改变控制电压Uc的相位,从而改变控制电流Ic与励磁电流If之间的相位角来控制电动机的转速，在这种情况下，控制电压Uc的大小保持不变。当两相电流Ic与If之间的相位角为0°时,则转速为0,电动机停转。

（3）幅相控制是指通过同时改变控制电压Uc的幅值及Ic与If之间的相位角来控制电动机的转速。具体方法是在励磁绕组回路中串入一个移相电容C以后,再接到稳压电源U1上，这时励磁绕组上的电压Uf=U1-Uef。控制绕组上加与U1相同的控制电压Uc，那么当改变控制电压Uc的幅值来控制电动机转速时，由于转子绕组与励磁绕组之间的耦合作用，励磁绕组的电流If也随着转速的变化而发生变化，而使励磁绕组两端的电压Uf及电容C上的电压Uef也随之变化。这样改変Uc幅值可改変Uc、Uf的幅值，以及它们之间的相位角以及相应电流。

在三种控制方法中，虽然幅相控制的机械特性和调节特性最差，但由于这种方法所采用的控制设备简单，不用移相装置，应用最为广泛。

应用

在自动控制系统中,根据被控对象不同,有速度控制和位置控制两种类型。尤其是位置控制系统可以实现远距离角度传递,它的工作原理是将主令轴的转角传递到远距离的执行轴,使之再现主令轴的转角位置。如工业上发电厂锅炉闸门的开启,轧钢机中轧辊间隙的自动控制,军事上火炮和雷达的自动定位交流伺服电动机在检测装置中的应用也很多,如电子自动电位差计,电子自动平衡电