交流伺服电动机控制的实验研究

交流伺服电动机控制的实验研究

S1204029 夏勇 车辆工程

摘要：功率从几瓦到几十瓦的交流伺服电机在小功率随动系统中得到非常广泛的一个应用。与直流伺服电机一样，交流伺服电机在自动控制系统中也被常用来执行控制元件。交流伺服电动机控制系统包括：控制交流伺服电动机转速和输出转矩的逆变器，控制逆变器与变换器之间节点处电流电压的变换器和一个控制器。本文基于实验，通过调节涡流测功机，观察交流伺服电动机力矩与转速之间的关系，测定交流伺服电机的机械特性：通过调节三相变压器，观察控制电压与转速之间的关系。测定交流伺服电机的调速特性：通过调节控制电压Uc 与激磁电压Uf ，可以观察电机的自转现象。并通过实验，了解交流伺服电机，掌握交流伺服电机的控制方法。

关键字：永磁电机；自转；异步电动机；交流伺服电机

Abstract ：AC servo motor system ,whose power from a few watts to tens of watts of power in a small has been a very wide range of applications. Like with DC servo motors, AC servo motors in the automatic control system has also been used to perform control components. AC servo motor control system includes control of AC servo motor speed and output torque of the inverter,inverter control and converter DC voltage between the nodes of the converter and a controller. Based on experiments, by adjusting the eddy current dynamometer, observe AC servo motor torque and speed of the relationship between the measured mechanical properties of AC servo motor: By adjusting the three-phase transformer, control voltage and speed was observed between. Determination of the AC servo motor speed characteristics: by adjusting the control voltage and the excitation voltage, the motor rotation can be observed phenomena. Through experiments to understand the AC servo motor , control method for AC servo motor control.

Keywords : Permanent Magnet Motor; Autorotation; Asynchronous motor; AC servo motor

引言

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。在控制策略上，基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特性，目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定性，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法。还有，高性能伺服控制必须依赖高精度的转子位置反馈，人们一直希望取消这个环节，发展了无位置传感器技术(Sensorless Control)。至今，在商品化的产品中，采用无位置传感器技术只能达到大约1:100的调速比，可以用在一些低档的对位置和速度精度要求不高的伺服控制场合中，比如单纯追求快速起停和制动的缝纫机伺服控制，这个技术的高性能化还有很长的路要走。

长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。

目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电

机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。

交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

1、实验原理

伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。

伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。伺服电动机可分为两类 ：交流伺服电动机个直流伺服电动机。

交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90 的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图1所示。

图1：交流伺服电动机结构图

I 1

U +

U

–

图2中所示励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90 , 从而产生所需的旋转磁场。

控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。 工作时两个绕组中产生的电流子便转动起来。

加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变) ，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。

交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。 交流伺服电动机的机械特性如图3所示。

I 1和I 2的相位差近于90º，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转

在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。

2、实验数据的测量及其研究

2.1测定交流伺服电机调速特性 1）关断三相交流电源，按图4接线； 2）启动主电源，调节三相调压器，使逐次减小直到0V 。

3）将每次所测得的控制电压

U f

=220V，电机空载，逐次调节单相调压器，使控制电压

U C 从220V

U C 与电动机转速n 记录在表1中。

U1V1W1N

图4 交流伺服电动机幅值控制接线图

表1 与转速有关的实验数据 U f =220V

由控制电压与转速的实验数据，利用matlab 软件可以得到交流伺服电动机的调速特性曲线如图5所示：

n(rpm)

U C (V)

图5交流电机的调速特性曲线

2.2 观察交流伺服电机的“自转”现象

在日常工作中，对伺服电动机的要求是控制电压一旦取消，电动机必须立即停止转动。但实际情况是电动机转子转动后，再取消控制电压，仅剩励磁电压单相供电，它将继续转动即出现了“自转”现象，这意味着市区控制作用，是不允许的。

通过实验观察电动机的自转现象，且实验步骤如下： 1）按图4接线，启动主电源，调节调压器，使现象；

2）按图4接线，启动主电源，调节调压器，使现象。

解决“自转”现象的办法就是使转子导条具有较大的电阻。从三相异步电动机的机械特性可知，转子电阻对电动机的转速转矩特性影响很大。当转子电阻增大到一定程度，最大转矩可以出现在s=1附近。为此，把伺服电动机的转子电阻设计很大，使电动机在失去信号，即变成单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在sm>1的地方。当转速n 为正时，电磁转矩T 为负，当n 为负时，T 为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，所以这是一个制动转矩。由于制动转矩的存在，可使转子迅速停止转动，保证不会存在自转现象。停转所需要的时间，比两相电压同时消失，单靠摩擦自动方法所需要的时间要少得多。这正是两相交流伺服电动机在工作时励磁绕组始终接在电源上的原因。

U C =220V，U f =110V,再将U C 开路，观察电机没有“自转”

U C =220V,U f =110V,再将U C 调到0V ，观察电机有 “自转”

3结论

本次试验主要是对交流伺服电机系统的基本功能做了一些了解。了解了其工作原理，结构，并且通过实验对交流伺服电动机的机械特性和调速特性有了一定的了解，知道了控制电压与转速成正比的关系。此外对电动机的“自转”现象有了一定的了解，并且知道了一些克服其“自转”现象的方法，即增大转子电阻，可以使单相供电时合成电磁转矩成为制动转矩。

参考文献

[1]许 翏．电机与电气控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2007. [2]秦曾煌．电工学[M]．北京：高等教育出版社，2004． [3]李发海，朱东起．电机学[M]．北京：科学出版社，2001．

[4]谢宝昌，任永德． 电机的控制技术及其应用［M ］． 北京: 北京航天航空大学， 2005: 202 － 204． [5]王成元，夏加宽，孙宜标． 现代电机控制技术［M ］． 北京: 机械工业出版社， 2009: 44 － 103．

交流伺服电动机控制的实验研究

S1204029 夏勇 车辆工程

摘要：功率从几瓦到几十瓦的交流伺服电机在小功率随动系统中得到非常广泛的一个应用。与直流伺服电机一样，交流伺服电机在自动控制系统中也被常用来执行控制元件。交流伺服电动机控制系统包括：控制交流伺服电动机转速和输出转矩的逆变器，控制逆变器与变换器之间节点处电流电压的变换器和一个控制器。本文基于实验，通过调节涡流测功机，观察交流伺服电动机力矩与转速之间的关系，测定交流伺服电机的机械特性：通过调节三相变压器，观察控制电压与转速之间的关系。测定交流伺服电机的调速特性：通过调节控制电压Uc 与激磁电压Uf ，可以观察电机的自转现象。并通过实验，了解交流伺服电机，掌握交流伺服电机的控制方法。

关键字：永磁电机；自转；异步电动机；交流伺服电机

Abstract ：AC servo motor system ,whose power from a few watts to tens of watts of power in a small has been a very wide range of applications. Like with DC servo motors, AC servo motors in the automatic control system has also been used to perform control components. AC servo motor control system includes control of AC servo motor speed and output torque of the inverter,inverter control and converter DC voltage between the nodes of the converter and a controller. Based on experiments, by adjusting the eddy current dynamometer, observe AC servo motor torque and speed of the relationship between the measured mechanical properties of AC servo motor: By adjusting the three-phase transformer, control voltage and speed was observed between. Determination of the AC servo motor speed characteristics: by adjusting the control voltage and the excitation voltage, the motor rotation can be observed phenomena. Through experiments to understand the AC servo motor , control method for AC servo motor control.

Keywords : Permanent Magnet Motor; Autorotation; Asynchronous motor; AC servo motor

引言

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。在控制策略上，基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特性，目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定性，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法。还有，高性能伺服控制必须依赖高精度的转子位置反馈，人们一直希望取消这个环节，发展了无位置传感器技术(Sensorless Control)。至今，在商品化的产品中，采用无位置传感器技术只能达到大约1:100的调速比，可以用在一些低档的对位置和速度精度要求不高的伺服控制场合中，比如单纯追求快速起停和制动的缝纫机伺服控制，这个技术的高性能化还有很长的路要走。

长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。

目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电

机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。

交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

1、实验原理

伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。

伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。伺服电动机可分为两类 ：交流伺服电动机个直流伺服电动机。

交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差90 的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图1所示。

图1：交流伺服电动机结构图

I 1

U +

U

–

图2中所示励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90 , 从而产生所需的旋转磁场。

控制电压与电源电压频率相同，相位相同或反相。 工作时两个绕组中产生的电流子便转动起来。

加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变) ，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。

交流伺服电动机的特点：在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。 交流伺服电动机的机械特性如图3所示。

I 1和I 2的相位差近于90º，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转

在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。

2、实验数据的测量及其研究

2.1测定交流伺服电机调速特性 1）关断三相交流电源，按图4接线； 2）启动主电源，调节三相调压器，使逐次减小直到0V 。

3）将每次所测得的控制电压

U f

=220V，电机空载，逐次调节单相调压器，使控制电压

U C 从220V

U C 与电动机转速n 记录在表1中。

U1V1W1N

图4 交流伺服电动机幅值控制接线图

表1 与转速有关的实验数据 U f =220V

由控制电压与转速的实验数据，利用matlab 软件可以得到交流伺服电动机的调速特性曲线如图5所示：

n(rpm)

U C (V)

图5交流电机的调速特性曲线

2.2 观察交流伺服电机的“自转”现象

在日常工作中，对伺服电动机的要求是控制电压一旦取消，电动机必须立即停止转动。但实际情况是电动机转子转动后，再取消控制电压，仅剩励磁电压单相供电，它将继续转动即出现了“自转”现象，这意味着市区控制作用，是不允许的。

通过实验观察电动机的自转现象，且实验步骤如下： 1）按图4接线，启动主电源，调节调压器，使现象；

2）按图4接线，启动主电源，调节调压器，使现象。

解决“自转”现象的办法就是使转子导条具有较大的电阻。从三相异步电动机的机械特性可知，转子电阻对电动机的转速转矩特性影响很大。当转子电阻增大到一定程度，最大转矩可以出现在s=1附近。为此，把伺服电动机的转子电阻设计很大，使电动机在失去信号，即变成单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在sm>1的地方。当转速n 为正时，电磁转矩T 为负，当n 为负时，T 为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，所以这是一个制动转矩。由于制动转矩的存在，可使转子迅速停止转动，保证不会存在自转现象。停转所需要的时间，比两相电压同时消失，单靠摩擦自动方法所需要的时间要少得多。这正是两相交流伺服电动机在工作时励磁绕组始终接在电源上的原因。

U C =220V，U f =110V,再将U C 开路，观察电机没有“自转”

U C =220V,U f =110V,再将U C 调到0V ，观察电机有 “自转”

3结论

本次试验主要是对交流伺服电机系统的基本功能做了一些了解。了解了其工作原理，结构，并且通过实验对交流伺服电动机的机械特性和调速特性有了一定的了解，知道了控制电压与转速成正比的关系。此外对电动机的“自转”现象有了一定的了解，并且知道了一些克服其“自转”现象的方法，即增大转子电阻，可以使单相供电时合成电磁转矩成为制动转矩。

参考文献

[1]许 翏．电机与电气控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2007. [2]秦曾煌．电工学[M]．北京：高等教育出版社，2004． [3]李发海，朱东起．电机学[M]．北京：科学出版社，2001．

[4]谢宝昌，任永德． 电机的控制技术及其应用［M ］． 北京: 北京航天航空大学， 2005: 202 － 204． [5]王成元，夏加宽，孙宜标． 现代电机控制技术［M ］． 北京: 机械工业出版社， 2009: 44 － 103．