兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)選型
1、選型的基本原則和對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求
主要是根據(jù)系統(tǒng)(裝置)的使用性能指標(biāo)要求和環(huán)境條件，來(lái)選擇能滿(mǎn)足萁功能的不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的交流伺服電動(dòng)機(jī)。
伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)能滿(mǎn)足負(fù)載運(yùn)動(dòng)的要求，提供足夠的轉(zhuǎn)矩和功率，使負(fù)載達(dá)到要求的運(yùn)行性能；能快速趁停，保證系統(tǒng)的陜速運(yùn)動(dòng)；有較寬的諷速范圍，調(diào)速線性度好；電機(jī)本身的消耗功率小、體積小、質(zhì)量輕。
2、伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較
兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，摩擦轉(zhuǎn)矩小，比較靈敏，在隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛使用。鼠籠型和非磁性杯型兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)比較見(jiàn)表3-3-1。
表3 3—1 籠型和非磁性杯型兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)比較
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┃ 種類(lèi) ┃ 優(yōu)點(diǎn) ┃ 缺點(diǎn) ┃
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┃ ┃利用率高，體積小，質(zhì)量輕，機(jī) ┃有齒槽黏合觀象，影響始動(dòng)電壓 ┃
┃ 籠型 ┃械強(qiáng)度高，可靠性高，制造成 ┃的降低，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不夠平滑， ┃
┃ ┃本低 ┃有抖動(dòng)現(xiàn)象 ┃
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┃ ┃轉(zhuǎn)子慣性小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，無(wú)抖動(dòng) ┃ ┃
┃非磁性杯型 ┃ ┃利用率低，體積大，制造成本高 ┃
┃ ┃現(xiàn)象，始動(dòng)電壓低 ┃ ┃
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籠型兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)較多，應(yīng)用也很廣泛。非磁性杯型交流伺服電動(dòng)機(jī)主要用于對(duì)****輸出轉(zhuǎn)矩要求不高或者要求始動(dòng)電壓小的場(chǎng)合。
在伺服系統(tǒng)的方案選擇中，作為系統(tǒng)的執(zhí)行元件，往往會(huì)遇到可以選用交流伺服電動(dòng)機(jī)，也可以選用直流伺服電動(dòng)機(jī)的情況。這就要根據(jù)兩種電機(jī)的各自特點(diǎn)及使用時(shí)的具體情況進(jìn)行分析、比較，從而合理選用。
普通交流伺服電動(dòng)機(jī)同普通直流伺服電動(dòng)機(jī)的比較見(jiàn)表3-3-2。
3、兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)
(1)額定頻率。額定頻率是指控制電壓和勵(lì)磁電壓的標(biāo)定頻率。我國(guó)一般工業(yè)用標(biāo)定額率50Hz，航空用的標(biāo)定頻率為400Hz。
袁3-3-2交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較
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┃ 種類(lèi) ┃ 優(yōu)點(diǎn) ┃ 缺點(diǎn) ┃
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┃ ┃①轉(zhuǎn)于慣量小．響應(yīng)塊，始動(dòng)電 ┃ ┃
┃ ┃壓低，靈敏度高 ┃ ┃
┃ ┃②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，成本低 ┃ ┃
┃ ┃③機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性高 ┃①機(jī)械特性線性度差 ┃
┃ 交流俺服 ┃④壽命長(zhǎng) ┃②單位體積輸出功率小 ┃
┃ 電動(dòng)機(jī) ┃⑤不會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波干擾 ┃③可能出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)” ┃
┃ ┃⑥使用交流伺服放大器無(wú)“零點(diǎn) ┃④不適用大功率隨動(dòng)系統(tǒng)作執(zhí) ┃
┃ ┃飄移”現(xiàn)象結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小 ┃行元件 ┃
┃ ┃⑦適合于小功率隨動(dòng)系統(tǒng)作執(zhí)行 ┃ ┃
┃ ┃元件 ┃ ┃
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┃ ┃ ┃①始動(dòng)電電壓高．靈敏度低 ┃
┃ ┃①機(jī)械特性線性度好 ┃②結(jié)構(gòu)復(fù)雜維護(hù)麻煩，成本高 ┃
┃ 直流伺服 ┃②單位體積輸出功率大 ┃③機(jī)械強(qiáng)度低可靠性勞 ┃
┃ ┃③無(wú)"自轉(zhuǎn)” ┃④壽命短 ┃
┃ 電動(dòng)機(jī) ┃ ┃ ┃
┃ ┃④適合于功率隨動(dòng)系統(tǒng)作執(zhí)行 ┃⑤會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波干擾 ┃
┃ ┃元件 ┃⑥使用直流伺服放大器有“零點(diǎn) ┃
┃ ┃ ┃漂移”現(xiàn)象．結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大 ┃
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(2)額定電壓。額定電壓是指施加在控制相和勵(lì)磁相的電壓的****值。當(dāng)控制相為兩部分時(shí)， 一般表示串聯(lián)時(shí)的數(shù)值。我國(guó)一般工業(yè)用50Hz時(shí)為20V、36V、110V、220V、400Hz時(shí)為26v、36V．115V。
(3)堵轉(zhuǎn)電流。堵轉(zhuǎn)電流在額定頻率、額定電壓下兩相運(yùn)行或電容分相在額定電容值下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)控制相或勵(lì)磁相的電流。
(4)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩在額定頻率、額定電壓下，兩相運(yùn)轉(zhuǎn)或電容分相在額定電容值下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
(5)空載轉(zhuǎn)速。空載轉(zhuǎn)速在額定頻率、額定電壓下兩相運(yùn)轉(zhuǎn)或電容分相在額定電容值下運(yùn)轉(zhuǎn)，空載狀態(tài)叫的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：
式甲：f為頻率(Hz)；p為極對(duì)數(shù)。
(6)****輸出功率.****輸出功率是在額定頻率、額定電壓下兩相運(yùn)轉(zhuǎn) 或電容分相在額定電容值下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的輸出功率的****值。其值按下式三轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之積求得：
式中：M為轉(zhuǎn)矩(N·m)；n為轉(zhuǎn)速 (7) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用對(duì)于轉(zhuǎn)軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表示。對(duì)于啟動(dòng)和停止頻繁的使用場(chǎng)合，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和時(shí)間常數(shù)是表示加速性能的重要指標(biāo)。
(8)時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)指在空載和額定勵(lì)磁條件下，加以階躍的額定控制電壓，轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵娇蛰d轉(zhuǎn)速的63 2％所需的時(shí)間。時(shí)間常數(shù)表示伺服電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程特征。時(shí)間常數(shù)愈小，表示電動(dòng)機(jī)的快速反應(yīng)性能愈好。若視機(jī)械特性為線性關(guān)系，時(shí)間常數(shù)計(jì)算公式為：
(9)理論加速度。理論加速度指堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比。通常和時(shí)間常數(shù)一起表示電動(dòng)機(jī)的加速性能。若視機(jī)械特性為線性關(guān)系，理論加速度計(jì)算公式為
式中的Md與J的物理意義同前
(10)阻尼系數(shù)。阻尼系數(shù)指伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線斜率的負(fù)值。若視機(jī)械特性為線性關(guān)系，阻尼系數(shù)計(jì)算公式為：
式中的Md與n0的物理意義同前。
實(shí)際上伺服電動(dòng)機(jī)是在較低的控制電壓下運(yùn)行，因此伺服電動(dòng)機(jī)的阻尼較小。在控制電壓為零時(shí)只有按上式求得數(shù)值的l／2 。
(11)滑行時(shí)間。滑行時(shí)間指伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于空載轉(zhuǎn)速時(shí)，從兩相電源同時(shí)切斷到電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)間。滑行時(shí)間長(zhǎng)短反映軸承質(zhì)量和裝配質(zhì)量。通常要求滑行時(shí)間不得小于某一規(guī)定時(shí)間。
(12)反轉(zhuǎn)時(shí)間。反轉(zhuǎn)時(shí)間指伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于空載轉(zhuǎn)速時(shí)，當(dāng)控制相電壓反向后，電機(jī)到達(dá)反向空載轉(zhuǎn)速成的63．2％所需的時(shí)間。通常反轉(zhuǎn)時(shí)常數(shù)的1.69倍
(13)空載使動(dòng)電壓。空載始動(dòng)電壓指伺服電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁和空載條件下，使轉(zhuǎn)子在任意位置開(kāi)始連續(xù)旋轉(zhuǎn)所需的最小控制電壓。空載使動(dòng)電壓大小反映軸承質(zhì)量，定、轉(zhuǎn)子同軸度好壞，軸承配合好壞，軸承油脂的質(zhì)量以及裝配質(zhì)量。表示伺服電動(dòng)機(jī)的靈敏度。一般不大于額定控制電壓的3％；若帶有齒輪頭不大于5％。
(14)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。由于伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是非線性的．因此，在任意的工作點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩的變化對(duì)控制電壓幅值變化之比，通常不是常數(shù)。但是，對(duì)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩隨控制電壓幅值的變化可看成正比例的變化。所以轉(zhuǎn)矩系數(shù)是指堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩同控制電壓幅值之比，計(jì)算公式為：
式中：Md為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(N·m)；uK為控制電壓(V)。
(15)速度系數(shù)。為了說(shuō)明伺服電動(dòng)機(jī)追隨平滑變化(非階躍變化)控制信號(hào)的能力，需要了解轉(zhuǎn)速同控制電壓之間的變化關(guān)系。由于伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性是非線性的．因此，在任意的工作點(diǎn)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)控制電壓幅值變化之比，通常不是常數(shù)。我們規(guī)定空載轉(zhuǎn)速同控制電壓幅值之比為速度系數(shù)，計(jì)算公式為：
(1 6)溫升。由于伺服電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)選取相當(dāng)大的轉(zhuǎn)子電阻，以便得到從零到空載轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能平滑、穩(wěn)定調(diào)速的機(jī)械特性。因此，運(yùn)行時(shí)要消耗很大功率，大部分時(shí)間處于控制電壓為零而威磁相加額定電壓的靜止?fàn)顟B(tài)，容易引起較高的溫升。進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)，先將電機(jī)安裝在標(biāo)準(zhǔn)安裝板上，根據(jù)技術(shù)要求，在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，在其一相或兩相加以額定電壓。我國(guó)的伺服電動(dòng)機(jī)可以+40+55℃、十70℃、+85℃、+125℃等級(jí)的環(huán)境溫度下工作．并保證繞組溫度不超過(guò)所使用絕緣材料的溫度等級(jí)。
(17)電容：伺服電動(dòng)機(jī)在幅值控制時(shí)，通常是在勵(lì)磁相串聯(lián)移相電容， 應(yīng)該注意的是．由于伺服電動(dòng)機(jī)繞組的阻抗是隨轉(zhuǎn)速而變化的，因此，在某一轉(zhuǎn)速下獲得90°相位移，而在另一轉(zhuǎn)速下的位移將偏離90°相位移。一般對(duì)輸出功率為5w以下的伺服電動(dòng)機(jī)通常在堵轉(zhuǎn)時(shí)確定90°的相位移對(duì)于輸出功率大于5w的，在****輸出功率的轉(zhuǎn)速下確定90°的相位移。
4、兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)常用的控制方式
兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)常用的控制方式有幅值控制、相位控制和幅相控制，見(jiàn)圖3-3-6。
(1)幅值控制見(jiàn)圖3—3—6(b)，勵(lì)磁電壓為常數(shù)，保持控制電壓與勵(lì)磁電壓的時(shí)間相位差90。，改變控制電壓的幅值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。
(2)相位控制見(jiàn)圖3 3 6(b)，若勵(lì)磁電壓和控制電壓的幅值保持不至，使兩相電壓的相位差在0°～±90°之間變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。
(3)幅相控制見(jiàn)圖3-3-6(a)，在勵(lì)磁繞組中串接一個(gè)電容，這時(shí)的勵(lì)磁電壓為外接電源電壓與電容電壓之差，控制電壓與外接電源電壓相位相同。在改變控制電壓的幅值而對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)行控制的同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組的耦合作用，勵(lì)磁繞組中電流要發(fā)生變化。因此，勵(lì)磁電壓和控制電壓之間的幅
值及相位都要隨之改變，實(shí)質(zhì)上它是幅值和相位的復(fù)合控制方式。這種控制是利用電容分相，不需要復(fù)雜的移相裝置，成本低廉，是常用的一種控制方式。
三種控制方式比較見(jiàn)表3-3-3。
表3—3—3三種不同控制方式的比較
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┃ ┃ ┃ ┃機(jī)械特性 ┃調(diào)節(jié)特性 ┃輸出 ┃ ┃電動(dòng)機(jī) ┃
┃ 控制方式 ┃控制線路 ┃控制功率 ┃ ┃ ┃ ┃效率 ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┃非線性度 ┃非線性度 ┃功率 ┃ ┃ 溫升 ┃
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┃ 幅值控制 ┃ 一般 ┃ 小 ┃ 中 ┃ 大 ┃ 中 ┃ ┃ 低 ┃
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┃ 相位控制 ┃ 復(fù)雜 ┃ 大 ┃ 小 ┃ 中 ┃ 小 ┃ 低 ┃ ┃
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┃幅相(電容) ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 控制 ┃ 簡(jiǎn)單 ┃ 小 ┃ 大 ┃ 小 ┃ 大 ┃ 中 ┃ 中 ┃
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