交流伺服電動機

交流伺服電動機，是將電能轉變為機械能的一種機器。

交流伺服電動機主要由一個用以產生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子組成。電動機利用通電線圈在磁場中受力轉動的現象而製成的。

包括交流異步伺服電動機和交流同步伺服電動機。

基本介紹

• 中文名：交流伺服電動機
• 相關領域：數控工具機
• 所屬類型：專業術語

結構

交流伺服電動機在結構上類似於單相異步電動機，它的定子鐵芯中安放著空間相差90°電角度的兩相繞組。一相稱為勵磁繞組，一相稱為控制繞組。電動機工作時，勵磁繞組接單相交流電壓，控制繞組接控制信號電壓，要求兩相電壓同頻率。

交流伺服電動機的轉子有兩種結構形式。一種是籠型轉子，與普通三相異步電動機籠型轉子相似，只不過在外形上更細長，從而減小了轉子的轉動慣量，降低了電動機的機電時間常數。籠型轉子交流伺服電動機體積較大，氣隙小，所需的勵磁電流小，功率因數較高，電動機的機械強度大，但快速回響性能稍差，低速運行也不夠平穩。

另一種是非磁性空心杯形轉子，其轉子做成了杯形結構，為了減小氣隙，在杯形轉子內還有一個內定子，內定子上不設繞組，只起導磁作用，轉子用鋁或鋁合金製成，杯壁厚0.2~0.8mm，轉動慣量小且具有較大的電阻。空心杯型轉子交流伺服電動機具有回響快、運行平穩的優點,但結構複雜,氣隙大載電流大,功率因數較低。

趨勢

自動控制系統不僅在理論上飛速發展，在其套用器件上也日新月異。模組化、數位化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新換代的產品面市。傳統的交流伺服電機特性軟，並且其輸出特性不是單值的;步進電機一般為開環控制而無法準確定位，電動機本身還有速度諧振區，pwm調速系統對位置跟蹤性能較差，變頻調速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統以其優良的性能被廣泛的套用於位置隨動系統中，但其也有缺點，例如結構複雜，在超低速時死區矛盾突出，並且換向刷會帶來噪聲和維護保養問題。目前，新型的永磁交流伺服電機發展迅速，尤其是從方波控制發展到正弦波控制後，系統性能更好，它調速範圍寬，尤其是低速性能優越。

交直流伺服電機系統

下面從功率驅動、性能、保護電路等方面，敘述其和直流伺服電機系統的不同特點。

功率驅動

對於在雷達上經常使用的直流伺服系統的驅動電動機功率放大部分，當天線重量輕，轉速慢，驅動功率較小時，一般為幾十瓦，可以直接用直流電源控制電動機。當驅動功率要求在近千瓦或千瓦以上時，選擇驅動方案，也即放大直流電動機的電樞電流，就是設計伺服系統的重要部分。大功率直流電源目前採用較多的有:電晶體功放、晶閘管功放和電機放大機等等。對於千瓦級的電晶體功放使用的較少。可控矽技術在上世紀60～70年代初得到快速的發展和廣泛的套用，但因當時的各方面原因，如可靠性等，不少產品放棄了可控矽控制。目前的集成驅動模組一般都為電晶體或晶閘管制造。電機放大機是傳統的直流伺服電機的功放裝置，因其控制簡單，結實耐用，目前的新型號的雷達產品上仍有採用。下面主要以放大電機為例，和交流伺服電機比較其優缺點。

放大電機常稱為擴大機，一般是用交流異步感應電動機拖動串聯的兩級直流發電機組，以此來實現直流控制。兩組控制繞組，每組的輸入阻抗為幾千歐，若串接使用輸入阻抗約10千歐，一般為互補平衡對稱輸入，當系統輸入不為零時打破其平衡，使放大電機有輸出信號。當輸入電流為十幾到幾十毫安時其輸出可達100v以上的直流電壓和幾安到幾十安的電流，直接接到直流伺服電機的電樞繞組上。其主要缺點是體積重量大，非線性度，尤其在零點附近不是很好，這對於要求高的系統需要仔細處理。

而交流伺服電機都配有專門的驅動器，它在體積和重量上遠小於同功率的放大電機，它靠內部的電晶體或晶閘管組成的開關電路，根據伺服電機內的光電編碼器或霍爾器件判斷轉子當時的位置，決定驅動電機的a、b、c三相應輸出的狀態，因此它的效率和平穩性都很好。所以不像控制放大電機需要做專門的功放電路。這種電機一般都為永磁式的，驅動器產生的a、b、c三相變化的電流控制電機轉動，因此稱為交流伺服電機;驅動器輸入的控制信號可以是脈衝串，也可以是直流電壓信號（一般為±10v），所以也有將其稱為直流無刷電動機。

兩種電機的簡單試驗比較

對兩種電機作過簡單的試驗比較:只要將系統原先的直流誤差信號直接接入交流伺服驅動器的模擬控制輸入端，用交流伺服電機和它的驅動器代替原先的差分功放、電機放大機和直流伺服電機，而控制部分和測角元件等均不變，簡單比較兩種方案的輸出特性。

控制原理

在交流伺服電動機中，除了要求電動機不能“自轉”外，還要求改變加在控制繞組上的電壓的大小和相位能夠改變電動機轉速的大小和方向。

根據旋轉磁動勢理論，勵磁繞組和控制繞組共同作用產生的是一個旋轉磁場，旋轉磁場的旋轉方向是由相位超前的繞組轉向相位滯後的繞組。改變控制繞組中控制電壓的相位，可以改變兩相繞組的超前滯後關係，從而改變旋轉磁場的旋轉方向，交流伺服電動機轉速方向也會發生變化。改變控制電壓的大小和相位，可以改變旋轉磁場的磁通，從而改變電動機的電磁轉矩，交流伺服電動機轉速也會發生變化。

交流電動機的轉速控制方法有幅值控制、相位控制和幅相控制三種。

（1）幅值控制是通過改變控制電壓U_c的幅值來控制電動機的轉速，而Uc的相位始終保持不變，使控制電流I_c與勵磁電流I_f保持90°電角度的相位關係。如U_c=0則轉速為0，電動機停轉。

（2）相位控制是通過改變控制電壓U_c的相位,從而改變控制電流I_c與勵磁電流I_f之間的相位角來控制電動機的轉速，在這種情況下，控制電壓U_c的大小保持不變。當兩相電流I_c與I_f之間的相位角為0°時,則轉速為0,電動機停轉。

（3）幅相控制是指通過同時改變控制電壓U_c的幅值及I_c與I_f之間的相位角來控制電動機的轉速。具體方法是在勵磁繞組迴路中串入一個移相電容C以後,再接到穩壓電源U₁上，這時勵磁繞組上的電壓U_f=U₁-U_ef。控制繞組上加與U₁相同的控制電壓U_c，那么當改變控制電壓U_c的幅值來控制電動機轉速時，由於轉子繞組與勵磁繞組之間的耦合作用，勵磁繞組的電流I_f也隨著轉速的變化而發生變化，而使勵磁繞組兩端的電壓U_f及電容C上的電壓U_ef也隨之變化。這樣改変U_c幅值可改変U_c、U_f的幅值，以及它們之間的相位角以及相應電流。

在三種控制方法中，雖然幅相控制的機械特性和調節特性最差，但由於這種方法所採用的控制設備簡單，不用移相裝置，套用最為廣泛。

套用

在自動控制系統中,根據被控對象不同,有速度控制和位置控制兩種類型。尤其是位置控制系統可以實現遠距離角度傳遞,它的工作原理是將主令軸的轉角傳遞到遠距離的執行軸,使之再現主令軸的轉角位置。如工業上發電廠鍋爐閘門的開啟,軋鋼機中軋輥間隙的自動控制,軍事上火炮和雷達的自動定位交流伺服電動機在檢測裝置中的套用也很多,如電子自動電位差計,電子自動平衡電

相關概念

與直流伺服電動機的區別

直流伺服電動機包括定子、轉子鐵芯、電動機轉軸、伺服電動機繞組換向器、伺服電動機繞組、測速電動機繞組。而交流伺服電動機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電動機自帶的編碼器反饋信號給驅動器。