交流伺服電機的工作原理

　　交流伺服電機驅動是最新發展起來的新型伺服系統，也是當前機床進給驅動系統方面的一個新動向。該系統克服了直流驅動系統中電機電刷和整流子要經常維修、電機尺寸較大和使用環境受限制等缺點。它能在較寬的調速范圍內產生理想的轉矩，結構簡單，運行可靠，用于數控機床等進給驅動系統為精密位置控制。

　　交流伺服電機的工作原理與兩相異步電機相似 。然而 ，由于它在數控機床中作為執行元件，將交流電信號轉換為軸上的角位移或角速度 ，所以要求轉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動。特別是當它已在轉動時，如果控制信號消失，它立即停止轉動。而普通的感應電動機轉動起來以后，若控制信號消失，它往往不能立即停止而要繼續轉動一會兒。

　　交流伺服電機也是由定子和轉子構成。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，則在電機的氣隙中產生圓形的旋轉磁場。若兩個電壓的幅值不等或相位不為90°電角度，則產生的磁場將是一個橢圓形旋轉磁場。加在控制繞組上的信號不同，產生的磁場橢圓度也不同。例如，負載轉矩一定，改變控制信號，就可以改變磁場的橢圓度，從而控制伺服電機的轉速。交流伺服電機的控制方式有三種：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交流伺服電機的控制方法
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　　交流伺服電動機原理

　　伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W 三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。

　　交流伺服電動機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動機相似，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，聯接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。

　　交流伺服電動機的轉子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動機具有較寬的調速范圍、線性的機械特性，無“自轉”現象和快速響應的性能，它與普通電動機相比，應具有轉子電阻大和轉動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉子結構有兩種形式：一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉子，為了減小轉子的轉動慣量，轉子做得細長；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉子內放置固定的內定子，如圖2 所示。空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩，因此被廣泛采用。

　　交流伺服電動機在沒有控制電壓時，定子內只有勵磁繞組產生的脈動磁場，轉子靜止不動。當有控制電壓時，定子內便產生一個旋轉磁場，轉子沿旋轉磁場的方向旋轉，在負載恒定的情況下，電動機的轉速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電動機將反轉。

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

　　1、起動轉矩大

　　由于轉子電阻大，其轉矩特性曲線如圖3中曲線1所示，與普通異步電動機的轉矩特性曲線2相比，有明顯的區別。它可使臨界轉差率S0＞1，這樣不僅使轉矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉矩。因此，當定子一有控制電壓，轉子立即轉動，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 的范圍內伺服電動機都能穩定運轉。

　　3、無自轉現象

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

　　圖5 是伺服電動機單相運行時的機械特性曲線。負載一定時，控制電壓Uc 愈高，轉速也愈高，在控制電壓一定時，負載增加，轉速下降。

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

　　不同類型的交流伺服電動機具有不同的特點。籠型轉子交流伺服電動機具有勵磁電流較小、體積較小、機械強度高等特點；但是低速運行不夠平穩，有抖動現象。空心杯形轉子交流伺服電動機具有結構簡單、維護方便、轉動慣量小、運行平滑、噪聲小、沒有無線電干擾、無抖動現象等優點；但是勵磁電流較大，體積也較大，轉子易變形，性能上不及直流伺服電動機。

　　交流伺服電動機運行平穩、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動機相比，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中，頻率有50Hz、400Hz 等多種。

　　籠型轉子交流伺服電動機產品為SL 系列。空心杯形轉子交流伺服電動機為SK 系列，用于要求運行平滑的系統中。