第五伺服驱动系统ppt课件.ppt

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第一节伺服系统概述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。一、数控机床伺服系统的分类二、数控机床对伺服系统的要求 一、数控机床伺服系统的分类按伺服系统调节理论，可分为开环、闭环和半闭环系统。按驱动部件的动作原理：电液控制系统电气控制系统步进电动机驱动系统直流伺服系统交流伺服系统按反馈比较控制方式，有脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。按控制对象和使用目的，主要分为进给、主轴、辅助驱动 ⑴进给驱动控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪与定位系统，它包括速度控制和位置控制。⑵主轴驱动控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般以速度控制为主。⑶辅助驱动控制刀库、料库等辅助系统，多采用简单的位置控制。 闭环进给伺服系统闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。位置控制模块速度控制单元伺服电机工作台位置检测测量反馈伺服驱动装置速度环速度检测位置环 半闭环进给伺服系统半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量(图6-3)。即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。位置比较速度控制工作台伺服电机位置反馈速度反馈指令+图6-3半闭环伺服系统简图－ 开环进给伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。如图6-2为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。工作台驱动器图6-2开环伺服系统简图指令脉冲步进电机齿轮箱 二、数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求可归纳为以下几方面：1.高精度要求伺服系统的定位误差特别是重复定位误差小，跟随误差小。2.快速响应，无超调加工过程中，要求加减速度足够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。3.电机调速范围宽加工工件的种类、加工用刀具的不同，为保证在任何条件下都能得到最佳切削状态，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。4.低速大扭矩根据机床加工的特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时，进给驱动系统能够提供足够大的扭矩。5.可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长平均故障间隔时间长。 第二节伺服系统中常用的检测装置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成半闭环、闭环系统。 检测装置的性能检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特性上。静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、迟滞、零漂与温漂。检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。系统精度是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量动态特性主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。 常用位置检测元件及分类 一、旋转变压器模拟型，增量式 二、感应同步器非接触式模拟式测量。两个其间保持均匀气隙的平面形印刷绕组，相对平行移动时，根据交变磁场和互感原理而工作的。直线型感应同步器：测量直线位移,由定尺和滑尺组成；圆形感应同步器:测量角位移,由转子和定子组成。（一）感应同步器的结构（二）感应同步器的工作原理（三）感应同步器输出信号的处理方式（四）感应同步器的特点 （一）感应同步器的结构定尺为连续绕组滑尺为分段绕组，分为正弦绕组和余弦绕组两部分节距一定，滑尺的正弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。 （二）感应同步器的工作原理感应同步器根据电磁感应原理而工作。感应电势的变化，来检测在一个节距w内的位移量。 （三）感应同步器输出信号的处理方式⒈鉴相方式根据感应输出电压的相位来检测位移。⒉鉴幅方式根据定尺输出的感应电势的幅值变化来检测位移 （四）感应同步器的特点精度高其输出的电压是许多对极感应电压的平均值，在误差均化的作用下，使所得到的测量精度比元件本身的制造精度高得多。可用于长距离位移测量直线型感应同步器可方便地利用多根定尺接长来满足较大测量范围的要求。对环境的适应性强它是利用电磁感应原理产生信号，所以不怕油污和灰尘污染，测量信号与位置一一对应，不易受干扰。使用寿命长，维护简单。工艺性好，成本低。 三、光栅光栅是利用光的透射、反射和干涉现象制成的一种光电检测装置。物理光栅通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角度位移 计量光栅的种类及结构种类：1.直线光栅⑴玻璃透射光栅⑵金属反射光栅2.圆光栅测量角位移。圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，条纹呈辐射状、相互间的夹角相等。结构：标尺光栅+读数头 图5-19光栅测量系统光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。 （二）直线透射光栅的工作原理标尺光栅和指示光栅具有间距很小的光栅刻线，二者间有一小夹角，使得其透射或反射光产生莫尔条纹，莫尔条纹间距W（mm）与栅距P(mm)及其间夹角θ之间的关系为：当标尺光栅与指示光栅相对移动时，照射到光敏元件上的莫尔条纹也移动，光敏元件输出反映两尺相对移动量的正弦电信号，对其进行整形、细分、辨向等处理即可得到表示位移量的电脉冲。 22工作原理当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。 莫尔条纹具有如下特点：1.放大作用用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，θ为光栅线纹之间的夹角，则有莫尔条纹宽度W与θ角成反比，θ越小，放大倍数越大。2.均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。θ标尺光栅W指示光栅（斜）P 3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。θ标尺光栅W指示光栅（斜）P标尺方向指示尺转角θ方向莫尔条纹方向标尺方向指示尺转角θ方向莫尔条纹方向 （三）光栅位移－数字转换系统当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。光栅位移电压O图5-21光栅的输出波形图光栅位移O光栅的实际亮度变化亮度 采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。 P1、P3信号是相位差180o的两个信号，差动得正弦信号。同理，P2、P4信号送另一个差动放大器，得余弦信号。正余弦经整形变成方波A和B，为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路把0o、90o、180o、270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲。图中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差90o。Y6微分微分微分整形P1P2P4P3差动放大器差动放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分BADCa)原理电路图正向运动时，用与门Y1～Y4及或门H1，得到A’B+AD’+C’D+B’C的四个输出脉冲；反向运动时，用与门Y5～Y8及或门H2，得到BC’+CD’+A’D+AB’的四个输出脉冲 其波形图sincosABCDA′B′C′D′正向相加A’B+AD’+C’D+B’C反向相加BC’+CD’+A’D+AB’图5-22四倍频辨向电路波形 返回课件首页返回本章首页若光栅栅距0.01mm，则工作台每移动0.0025mm，就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。 （四）光栅的特点⑴精度高⑵可用于大量程测量⑶可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化⑷具有较强的抗干扰能力⑸怕震动和油污⑹高精度光栅制造成本高 四、磁尺 五、编码器旋转式的检测角位移的传感器，并将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。也常用它作为速度检测元件。按码盘信号的读取方式可分为光电式、接触式和电磁式。按测量的坐标系可分为增量式和绝对式。 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。 a)b)（一）绝对式编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值， 通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极（图5-11b）。当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、0010……1111。 由图5-11可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角θ＝360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。 图5-12四位二进制码盘非单值性误差用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图5-12，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。 图5-13为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。图5-13葛莱码盘例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码） （二）增量式脉冲编码器分辨力：光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：式中δ—脉冲当量（mm/脉冲）；S—滚珠丝杠的导程（mm）；i—减速齿轮的减速比；M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）i1个脉冲（θ）-----------------------------------------δmmM个脉冲(360º，1转)—M/i个脉冲（1/i转）----S×1/imm推导： 结构及工作原理： 圆光栅是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。指示光栅也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。圆光栅与工作轴连在一起，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过圆光栅和指示光栅射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、圆光栅、指示光栅、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。 电流AB节距ωtA1B1900脉冲编码器输出波形为了判断旋转方向，指示光栅的两个窄缝彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如图5-15所示，A、B信号为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。辨向技术 在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给CNC装置。图示为辨向环节框图和波形图。脉冲编码器输出的交变信号A,Ā,BB，经过差分驱动和差分接收进入CNC装置，再经过整形放大电路变成二个方波系列A1,B1。将A1和它的反向信号Ā1微分（上升沿微分）后得到和脉冲系列，作为加、减计数脉冲。差分整形放大Y1微分差分整形放大Y2微分辨向环节框图加计数减计数B1路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（A超前B），由Y2门输出加计数脉冲，此时Y1门输出为低电平（图5-16）；反走时（B超前A），由Y1门输出减计数脉冲，此时Y2门输出为低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。 图5-16辨向环节波形图 光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。放大环节指令信号比较器伺服电机反馈信号工作台数字比较伺服系统应用 第三节步进电机及其驱动系统一、步进电机的工作原理和性能指标（一）步进电机的分类（二）步进电机的结构和工作原理（三）步进电机的主要性能指标二、步进电机的驱动和控制技术 一、步进电机的工作原理和性能指标步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制电动机。步进电动机定子绕组所加的电源是脉冲电压、电流。步进电动机的运动状态是步进形式的，角位移由脉冲数控制，转速由脉冲频率控制，旋转方向由分配脉冲的相序控制。特点： （一）分类⑴按运动方式：有旋转式、直线运动式、平面运动式。⑵按工作原理：反应式(磁阻式-VR,variablereluctance)永磁式(PM,permanentmagnet)电磁式(混合式-HB,hybrid)。⑶按使用场合：有功率步进电机和控制步进电机。⑷按电机结构：有单段式、多段式、印刷绕组式。⑸按工作相数：有三相、四相、五相、六相和八相。⑹按使用频率：有高频步进电机和低频步进电机。 （二）步进电动机的工作原理1.反应式步进电机的结构和工作原理(1)反应式步进电动机的结构定子铁心：六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。极与极之间的夹角为60°，每个定子磁极上均匀分布齿，齿槽距相等，齿距角相等。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的齿，齿槽距相等，齿距角等于定子铁心齿距角三相定子磁极上的齿依次错开1／3齿距 (2)反应式步进电动机的工作原理磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩各相定子齿之间彼此错齿1／m齿距，ｍ为相数单3拍，双3拍，3相6拍通电方式改变通电相-〉平衡点变化，连续改变通电状态-〉转子转动 反应式步进电机的特点①控制十分方便。指令脉冲数决定步进电动机的转动步数，即角位移的大小(位置)；指令脉冲的频率决定它的旋转速度；改变定子绕组的通电顺序，就可以控制其转向。②气隙小。从电动机性能上看，在励磁电流相伺时，气隙越小，磁通密度越高，电磁转矩越大。在定、转子齿对齐的状态下，气隙越小，定位精度越高。一般气隙约在30-50μm范围内。③步距角小。因为定、转子是采用软磁材料制成的，靠磁阻变化产生转矩。在机械加工允许的情况下，转子齿数可以做得很多，所以步距角可以很小。④励磁电流较大。要求驱动电源功率较大，而效率较低。⑤电机的内部阻尼较小。当相数较少时，单步运行振荡时间较长。⑥带惯性负载能力差，尤其是在高速时容易失步。⑦断电后无定位转矩。 2．永磁式步进电动机(PM)转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。特点是：(1)步距角大。一个圆周上能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制，不能太多，所以它的步距角不能太小。(2)控制功率小，效率高。(3)内阻尼较大，单步振荡时间短。(4)断电后具有一定的定位转矩。 3．永磁感应子式步进电动机(混合式)特点是：(1)控制功率小，效率高。(2)步距角小。(3)运行频率高(4)外径较小(5)断电后具有一定的定位转矩。(6)永磁易去磁，会有振荡和失步区。 式中：θ—步进电机的步距角；m—电机相数；Z—转子齿数；K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2。步距误差：指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，步距误差的累积值称为步距的累积误差。步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。1.步距角和步距误差步距角：步进电动机每步的转角，反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：（三）步进电机的主要性能指标同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。 ⒉最大静转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后，若不改变通电状态，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。最大静转矩 **保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENTTORQUE是指永磁式步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。 最大启动转矩如图所示矩角特性,若负载转矩为Ma，当A相通电时，对应的失调角为θa，当励磁电流由A相切换到B相时，对应失调角的静转矩为Mb。从图中看出Mb