交流伺服電機

摘 要：本文闡述了交流伺服電機的工作原理，并對其基本結構、種類和控制方式做了介紹，說明了交流伺服電機的實用性。

關鍵詞：交流伺服電機；工作原理；結構；控制方式；應用。

中圖分類號：TM383.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

伺服電機又稱執行電機，在自動控制系統中作為執行元件。它可以將輸入的電信號轉變為轉軸的角位移或角速度輸出，通過改變控制電信號的大小和極性，可改變電動機的轉速大小和轉向。伺服電機分為直流伺服電機和交流伺服電機兩大類。交流伺服電機的控制電源為交流電壓，交流伺服電機包括交流異步伺服電機和交流同步伺服電機。本文以交流異步伺服電機為例進行分析。

一、交流伺服電機的基本結構

交流異步伺服電機的定子與單相異步電動機類似，其在定子槽中安放著空間相距90°電角度的兩相繞組，其中一相作為有勵磁繞組，另一相作為控制繞組。交流異步伺服電機的轉子通常為籠型機構，目前應用較多的轉子結構有以下兩種形式：

（一）高電阻率導條的籠型轉子

高電阻率導條的籠型轉子和三相異步電動機的籠型轉子一樣，但籠型轉子的導條采用高電阻率的導電材料制造，如青銅、黃銅等，為了提高交流伺服電動機的快速響應性能，宜把籠型轉子做成又細又長，以減小轉子的轉動慣量

（二）非磁性空心杯形轉子

非磁性空心杯轉子交流伺服電動機有兩個定子：外定子和內定子，外定子鐵芯槽內安放有勵磁繞組和控制繞組，而內定子一般不放繞組，僅作磁路的一部分；空心杯轉子位于內外繞組之間，通常用非磁性材（如銅、鋁或鋁合金）制成，在電機旋轉磁場作用下，杯形轉子內感應產生渦流，渦流再與主磁場作用產生電磁轉矩，使杯形轉子轉動起來。由于非磁性空心杯轉子的壁厚約為0.2～0.6mm，因而其轉動慣量很小，故電機快速響應性能好，而且運轉平穩平滑，無抖動現象。由于使用內外定子，氣隙較大，故勵磁電流較大，體積也較大。

二、交流伺服電機工作原理

交流伺服電動機實際上就是兩相異步電動機，所以有時也叫兩相伺服電動機。電機定子上有兩相繞組，一相是勵磁繞組，接到交流勵磁電源上，另一相為控制繞組，接入控制電壓，兩繞組在空間上互差90°電角度，勵磁電壓和控制電壓頻率相同。交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。當交流伺服電動機的勵磁繞組接到勵磁電流上，建立的是脈振磁場，電機無啟動轉矩；當控制繞組加上控制電壓，且產生的控制電流與勵磁電流的相位不同時，建立起橢圓形旋轉磁場，于是產生啟動力矩，電機轉子轉動起來。如果電機參數與一般的單相異步電動機一樣，那么當控制信號消失時，電機轉速雖會下降些，但仍會繼續不停地轉動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續旋轉的失控現象稱為“自轉”。自轉的原因是控制電壓消失后，電機仍有與原轉速方向一致的電磁轉矩。在自控系統中，不允許伺服電機出現“自轉”現象。消除“自轉”的方法是消除與原轉速方向一致的電磁轉矩，同時產生一個與原轉速方向相反的電磁轉矩，使電機在控制電壓等于0時停止轉動。

三、交流伺服電機的控制方式

交流伺服電動機不僅需要控制啟動和停止，而且需要控制轉速和轉向。兩相交流伺服電動機的控制是通過改變其氣隙的旋轉磁場來實現的。如果在交流伺服電動機的勵磁繞組和控制繞組上通以兩相對稱的交流電（兩個幅值相等、相位差90°），那么電機的氣隙磁場是一個圓形旋轉磁場。如果改變控制電壓的大小或相位，那么氣隙磁場是一個橢圓形旋轉磁場，控制電壓的大小或相位不同，氣隙的橢圓形旋轉磁場的橢圓度不同，產生的電磁轉矩也不同，從而調節電機的轉速。交流伺服電動機的控制方式有三種：

（一）幅值控制

即保持控制電壓與勵磁電壓之間的相位差不變，通過改變控制電壓的幅值來改變電機的轉速，當勵磁電壓為額定電壓，控制電壓為零時，伺服電機轉速為零，電機不轉；當勵磁電壓為額定電壓，控制電壓也為額定電壓時，伺服電機轉速最大，轉矩也為最大；當勵磁電壓為額定電壓，控制電壓在額定電壓與零電壓之間變化時，伺服電機的轉速在最高轉速至零轉速間變化。

（二）相位控制

即保持控制電壓的幅值保持不變，通過改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差來實現對電機轉速和轉向的控制。根據控制電壓與勵磁電壓的相位差的取值可得出氣隙磁場的變化情況。控制電壓與勵磁電壓同相位時，氣隙總磁動勢為脈動磁動勢，伺服電機轉速為零，不轉動；當控制電壓與勵磁電壓的相位差為90度時，為圓形旋轉磁動勢，伺服電機轉速最大，轉矩也為最大；當相位差在0到90度之間變化時，磁動勢從脈動磁動勢變為橢圓形旋轉磁動勢最終變為圓形旋轉磁動勢，伺服電機的轉速由低向高變化。

（三）幅相控制

即同時改變控制電壓的幅值和相位以達到控制的目的。當控制電壓的幅值改變時，電機轉速發生變化，此時勵磁繞組中的電流隨之發生變化，勵磁電流的變化引起電容的端電壓變化使控制電壓與勵磁電壓之間的相位角改變。幅相控制線路簡單，不需要復雜的移相裝置，只需電容進行分相，具有線路簡單、成本低廉、輸出功率較大的優點，因而成為使用最多的控制方式。

四、交流伺服電機的應用

交流伺服電機廣泛應用于自動控制系統中，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等大都采用交流伺服電機作為驅動電機。交流伺服電機在檢測裝置中的應用也很多，如電子自動電位差計，電子自動平衡電橋等。

參考文獻：

[1]楊宗豹.電機及拖動基礎[M].北京：冶金工業出版社，2003.

[2]許曉峰.電機及拖動基礎[M].北京：高等教育出版社，2000.