3.2.2 永磁直流伺服电机的工作原理
N
Fr
Fs
S
电枢有多个线圈，每个线圈 产生的磁势矢量相加得到合 成磁势。 这仅使电机力矩更大一些， 合成磁势的方向依然随转子 旋转而改变。力矩的大小及 方向改变的问题依然存在。 假如我们在转子旋转时，能 通过电流换向，始终保证电 枢几何中性面以上的全部绕 组端子为电流流进，下面的 绕组端子为电流流出，就能 保证转子合成磁势的方向不 变，且与定子磁势垂直。 这个工作是由换向机构完成 的。
从0到Ua0一段范围内，电机不转动，故把此区域称为电动机的死区。
斜率k1：
k1 是由电机本身参数决定的常数，与负载无关。
3.3.1 永磁直流伺服电机的工作特性 ——静态特性
（2）负载转矩对调节特性的影响 负载转矩变化时，斜率k1保持不变。因此对应于不同 的负载转矩，可以得到一组相互平行的调节特性。
3.3.1 永磁直流伺服电机的工作特性 ——数学模型
L R
电压平衡方程式
ua
电枢的等效电路
ia
e
根据基尔霍夫电压定律 dia Ria e 电枢回路电压方程式为： Ua L
dt
式中 Ua、ia—电枢电压、电枢电流； L、R—电枢等效电感、等效电阻； e—反电势。
3.3.1 永磁直流伺服电机的工作特性 ——数学模型
3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性 ——静态特性
2. 调节（控制）特性
调节特性是指负载转矩不变时，电机转速与电枢电压之间的函数 关系，即：
ua R Tf K e Kt K e
n k1U a A
k1 A
为特性曲线的斜率；
为由负载阻转矩决定的常数。
Ua0
–始动电压
– 特性斜率
一般规律——伺服电机的四象限运行
典型电梯 四象限运行能力是伺服电机与一般电机区别的一 个重要标志。 它要求电机能提供方向及大小均可控制的转矩和 转速。
3.1概述
3. 控制系统对伺服电动机的基本要求
力矩和速度的可控性 快速响应能力
宽调速范围
较高的过载能力
具有频繁起、制动的能力
一般规律——电机的基本运动方程
d T J Tf dt
T

J、Tf
式中 T—电机转矩, 单位为[Nm]； Tf—负载转矩，单位为[Nm]； J—电机转子及负载的转动惯量，单位为[Kgm∧2]； Θ—电机位置，单位为[rad]
图2-30
电机的基本运动方程指出电机转矩、转速之间的关系。 在负载一定条件下，只有改变电机转矩才能改变电机转速。 当电机转矩大于负载转矩时，电机产生加速运动； 当电机转矩小于负载转矩时，电机产生减速运动； 当电机转矩等于负载转矩时，电机恒速运动。 电机及负载转动惯量是影响速度变化的另一主要因素
由电枢回路电压方程式可见，真正产生力矩的电压等于加 到绕组上的电压减去反电势，电机的反电势常数在设计时 这样考虑：当电机工作在额定转速时，Ua-e的值必须能产 生足够的电流，以使电机能产生额定力矩。
dia Ua L Ria e dt
3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性 ——静态特性
静态特性：电机的动态加速过程已经结束，进入恒速恒力矩 输出状态时的特性 四大动态关系式
dia ua L ia R e di L dt dt d TJ Tf dt T K t ia e Ke
a
d 0; J 0 dt
ua R Tf K e Kt K e
3.3.2 永磁直流伺服电机的工作特性 ——静态特性
（2）电枢电压对机械特性的影响
n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。
对应于不同的电枢电压可以得到一组相互平行的机械特性曲线。
ua R Tf K e Kt K e
n n0 kTe
图 1-3 不同控制电压时的机械特性
T=Kt I
即力矩完全由电流控制，力矩大小及方向由电枢电流大小及极性决 定。 力矩系数 Kt与电枢绕组匝数及定子磁极的磁通势有关，其单位为 [Nm/A]。
3.3.1 永磁直流伺服电机的工作特性 ——数学模型
• 电机基本运动方程：
d T J Tf dt


式中 T—电机转矩, 单位为[Nm]； Tf—负载转矩，单位为[Nm]； J—电机转子及负载的转动惯量，单位为[Kgm2]； —电机转速，单位为[rad/s]
一般规律——电机的基本运动方程
d T J Tf dt
负载的加速度要求和转动惯量对选择伺服电机是很重要的。
如果要求负载以高加速度运动或负载的转动惯量较大，即 使负载转矩很小，也可能需要大转矩的电机； 反之，如果负载要求的加速度很小或负载的转动惯量较小， 即使负载转矩很大，也可能小转矩的电机就能满足要求。
直流伺服电动机及驱动控制技术
3.1 概述
3.2 永磁直流伺服电机结构及工作原理 3.3 直流伺服电动机的动态特性 3.4 特种直流伺服电动机 3.5 直线直流电动机
3.6永磁直流伺服电机功率放大器
3.1概述
1. 伺服电动机的概念
伺服电动机又称为执行电动机，其功能是把输入的电压信号变换成可 控的转轴的角位移或角速度输出。
3.2.2 永磁直流伺服电机的工作原理
N
定子磁极
dT
dFr
电流流进 转子铁芯 电流流出

2
r s
Fs
S
dT dFr Fs sin( r s)
转矩的方向将使转子逆时针旋转。当转子旋转以后，夹角的变化将使转 矩的大小及方向都发生变化，这将使电机转子来回摆动。 要想维持电机单方向稳定转动，必须维持dFr的方向不变；使 r s 保 持不变。 r s 而且如果能使 2 即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。
（1）n0、Tk、k的物理意义 理想空载转速n0：n0是负载转矩=0时的 转速。 堵转转矩Tk：Tk是转速n=0时的电磁转 矩。 机械特性的斜率k ：斜率k前面的负号表示直线是下倾的。斜率k的 大小直接表示了电动机电磁转矩变化所引起的转速变化程度。斜率k 大，转矩变化时转速变化大，机械特性软。反之，斜率k小，机械 特性就硬。
1、数学模型 2、静态特性 3、动态特性
3.3.1 永磁直流伺服电机的工作特性 ——数学模型
力矩和电流的关系：
T Fs Fr sin( s r )
Fs
dFr
N
定子磁极
电流流进 转子铁芯 电流流出
S 式中 Fs, Fr ——定、转子磁势的幅值； θs ， θr ——定、转子磁势之间的夹角。 因为 Fs =常量，Fr =IW，所以当线圈匝数W保持一定时，
图1-5 不同负载时的调节特性
3．直流伺服电动机低速运转的不稳定性
当电动机转速很低时，转速就不均匀，出现时快、时慢，甚至暂时停一 下的现象，这种现象称为直流伺服电动机低速运转的不稳定性。 （1）低速运转的不稳定的原因 电枢齿槽的影响 低速时，反电动势的平均值很小，因而电枢齿槽
效应等引起电动势脉动的影响增大，导致电磁转矩波动比较明显。
3.2 永磁直流伺服电机结构 及工作原理
1、永磁直流伺服电机的结构 2、永磁直流伺服电机的工作原理
3.2.1 永磁直流伺服电机的结构
由定子磁极、转子电枢和换向机构组成； 定子磁极一般为瓦状永磁体，可为两极或多极结构； 转子的结构有多种形式，最常见的是在有槽铁心内铺设绕 组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成； 换向机构由换向环和电刷构成。绕组导线连接到换向片上， 电流通过电刷及换向片引入到绕组中。
正向加速，匀速运动 电动状态
T ,
反向加速，匀速运动 电动状态
T ,
反向减速运动 制动状态
T
电机的这种力矩一速度关系可以4象限形式表示出来 图2-32 电机在做正向或反向的加速或匀速运动时，输出力矩和速 度的方向一致，电机产生驱动转矩“推”动电机旋转，这 种状态称为电动状态； 当电机做正向或反向的减速运动时，力输出矩和速度的方 向相反，电机产生制动转矩；“拉”动电机停止，这种状 态称为制动状态。
一般规律
电机理论指出：电机产生的转矩为
T Fr Fs
T Fr Fs sin( r s)
式中 Fr , Fs——转、定子磁势的幅值； θr-θs ——转、定子磁势之间的夹角。 要想增大力矩，必须增大定、转子磁势。 当定子磁势与转子磁势相互垂直时，产生的转矩最大。 电机统一理论是所有电机工作的基础。
3.3.1 永磁直流伺服电机的工作特性 ——数学模型 反电势和转速的关系
电枢旋转时切割定子磁极的磁力线，根据电磁感 应定律，这将在电枢绕组中产生感应电势e，其值 为：
e Ke
即感应电势正比于电机转速, 系数Ke与电枢绕组匝 数及定子磁极磁势有关，其单位为[伏/弧度/秒] 感应电势出现在电刷两端，与电刷上所加的电枢 电压方向相反，因此常称做反电势。
2. 伺服电动机的一般规律
普通直流伺服电动机
直流伺服电动机 低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机
两相感应伺服电动机
交流伺服电动机 三相感应伺服电动机 无刷永磁伺服电动机
直线伺服电动机
电机为直线运动
一般规律
伺服电机的定子和转子由永磁体或铁芯线圈构成。 永磁体产生磁场，而铁芯线圈通电后也会产生磁场。 定子磁场和转子磁场相互作用产生力矩，使电机带
2
1
3
电流流进
电流流出
6
4
5
由于换向片的数目是有限的，转子磁势的方向会有微小的 变化。这将导致力矩的波动。 当电机高速旋转时，由于电机转子和负载惯量的平滑作用， 这个影响可以忽略。 但当电机工作在低速状态时，可能会产生问题。 可增加绕组、换向片或定子的极对数解决这个问题。