电机（电气）锁轴分析

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一. 简介

        电机电气锁轴，也可称为零速悬停，或者在伺服电机中称为零伺服，它指的是使用电气方法使电机的轴固定不动，当有外力施加到电机轴上时，无论是让电机顺时针旋转的力，还是让电机逆时针旋转的力，在经历动态调节过程之后，电机轴都可保持不动，即：稳态时，电机产生的电磁转矩能够与外力产生的外施转矩平衡。

        外施转矩需要小于等于零速下电机的最大电磁转矩，如果外施转矩大于电机所能提供的最大电磁转矩，则，无法继续实现锁轴。

        若想实现电气锁轴，通常，需要让电机驱动器（变频器，伺服驱动器等）工作在FVC模式下，使用编码器反馈来检测电机速度和位置变化。

二. 永磁同步电机锁轴

        如果给永磁同步电机的定子三相绕组ABC的每一相分别施加一个固定电压，且，三个电压满足：

其中， 为常数。

        那么，永磁同步电机的定子在空间中所产生的磁场将会是一个方向和大小不变的恒定磁场，此时，电机的转子永磁体将会自动与定子磁场的方向对齐。

        在没有外加负载时，如果定转子磁场不对齐，转子永磁体将会自动旋转到与定子磁场对齐的方向上。恒定定子磁场的方向则由上式中的  决定，改变  的值即可改变恒定定子磁场的方向。

        在定转子磁场对齐之后，如果在电机轴上施加外力，在开环模式下，电机轴将会旋转一个角度，角度的范围为，所施加的外力越大，则电机轴转动的角度越大，当转动角度为 时，电机所能提供的电磁转矩达到最大值，最终，在稳态时电机的电磁转矩将与外力所产生的外施转矩平衡，保持电机轴不动。外施转矩的方向任意，可以是顺时针，也可以是逆时针，并且，电机电磁转矩的方向始终与外施转矩的方向相反。当撤去电机轴上的外力后，电机轴又会反转回与电机定子磁场对齐的位置。

        如果想让电机能够实现锁轴，前提条件是，外施转矩的大小必须小于零速时电机所能产生电磁转矩的最大值。当外施转矩的大小大于电机所能提供的电磁转矩的最大值时，永磁同步电机的轴将会被外力拉着反向转动，无法继续保持锁轴。

        从磁场的角度看，电机的电磁转矩为定子磁场磁感应强度矢量与转子磁场磁感应强度矢量的叉乘，即：

        如果定子磁场的大小和方向恒定，则，当定子磁场与转子磁场垂直时，电机的电磁转矩最大，即：

        永磁同步电机在开环模式下，也可以实现锁轴功能，只是在外施转矩与电磁转矩平衡时，电机转子需要转动一个固定的角度，外施转矩（在小于最大电磁转矩的条件下）越大，电机转子转动的角度越大，这个角度始终固定，取决于外施转矩的大小。

        在带编码器反馈的闭环模式下，永磁同步电机毫无疑问可以实现锁轴功能，如果电机同时是工作在位置模式下，由于编码器反馈，通过位置环闭环调节，可以有更好的锁轴效果。位置环 PI 可以根据编码器反馈，确定位置误差，快速增大转矩电流，增加电磁转矩，使得电机轴锁住，PI 参数可以改变转矩电流的增大速度，调节电机锁轴响应速度，快速的响应可以实现电机轴始终保持不动，实现真正的锁轴。即使电磁转矩响应速度慢，只要外施转矩不超过最大电机电磁转矩，在位置模式下，由于有编码器反馈位置信息，电机轴可以先小幅转动，然后，再反转回归初始位置，在稳态时实现无位置偏差的锁轴。

三. 异步电机锁轴

        异步电机零速悬停时，电机转子的速度始终是0，此时，转差率始终为：

        但是，同步转速  需要有一个比较小的值，约等于额定转差速度，（ 由于电机轴不动，因此，转子旋转频率 ，此时，同步频率等于转差频率），即 ，（异步电机不能像永磁同步电机一样，让 ，产生一个大小和方向固定不动的磁场），定子磁场旋转切割转子绕组，用来在转子绕组中感应出转子电流，以产生电磁转矩来与负载转矩平衡，实现锁轴。

        此时，电机的定子磁场的旋转速度为  ，定子三相绕组通入的交流电的频率为  ，同步频率  的值很小，取值范围在额定转差频率  附近，即 ，具体的取值由外施转矩大小决定，如下图所示1。

图1. 异步电机零速悬停时的机械特性

        如果是开环模式，异步电机想要实现零速悬停，需要提前知道外施转矩大小，然后，通过外施转矩  的大小，在电机机械特性曲线上，让转矩  成为电机机械特性曲线与横轴  的交点，找出同步旋转磁场的旋转速度 ，从而得出 ，继而知道通入电机定子的三相交流电的频率 ，这种方式理论上可行，但是，实际使用中几乎没有使用价值。

        想要真正的实现异步电机的零速悬停，需要使驱动器（变频器）工作在带编码器反馈的 FVC 模式下，在位置环和速度环闭环（或者只有速度环闭环）下，通过编码器反馈，获取位置和速度信息，由 PI 调节器调节，自动得出 ，让定子旋转磁场旋转频率为 ，在转子绕组中感应出转子电流，产生电磁转矩，并且，使得电机电磁转矩与外施转矩平衡，达到锁轴的目的。