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。
毛坯轮廓曲线
y
钢板
A
B
C
o
x
x(t)
y(t)
t
轨迹跟踪系统 电机也必须有四象限运行能力
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。
N
定子磁极
dT
dFr
电流流进 转子铁芯
电流流出
2
Fs
S
r 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 保s 持
不变。 而且如果能使
T
J
d
dt
Tf
T
J、Tf
式中 T—电机转矩, 单位为[Nm]；
图2-30 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]
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。
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。
3. 伺服电机的四象限运行
T Ta Tc
Ta Tc Tc
Tc Ta Tc
Tc Ta
d
t
T J dt Tf
t
Ta J
Tc Tf
伺服系统常要图求2-伺31服电机即能正向运动，又能反 向运动；即能加速运动又能减速运动。这就要求 电机力矩的大小及方向都能改变。
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
T
J
d
dt
Tf
负载的加速度要求和转动惯量对选择伺服 电机尺寸是很重要的。
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；
T Ta Tc
Ta Tc Tc
Tc Ta Tc
Tc Ta
T ,
T ,
正向减速运动
正向加速，匀速运动
t
制动状态
电动状态
T ,
T ,
T
t
反向加速，匀速运动 电动状态
反向减速运动 制动状态
图2-31
电机的这种力矩一速度关系可以4象限形图式2表-32示出来 电机在做正向或反向的加速或匀速运动时，力矩和速度的
T Fs Fr T Fs Fr sin(s r )
式中 Fs, Fr ——定、转子磁势的幅值； θs-θr ——定、转子磁势之间的夹角。 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。
2．电机的基本运动方程
r s
2
即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。
N
Fr
S
电枢有5个线圈，每个线圈 产生的磁势矢量相加得到 合成磁势。
合成磁势的方向依然随转 子旋转而改变。
这仅使电机力矩更大一些， 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
第三章 伺服电机及其驱动技术
3.1 一般规律 3.2 直流永磁伺服电机及其驱动技术 3.3 交流永磁同步伺服电机及其驱动技术 3.4 直流无刷伺服电机及其驱动技术 3.5 两相混合式步进电机及其驱动技术
3.1 一般规律
1. 电机统一理论 2．电机的基本运动方程 3. 伺服电机的四象限运行
而铁芯线圈产生的磁通势遵循如下的关系式：
Fm=IW[安匝]
式中Fm—磁通势，或简称磁势； I—线圈中流过的电流； W—线圈匝数，或绕组匝数。
在同样铁芯下，线圈匝数越多，通过线圈的电流越大， 产生的磁通势越大。磁势的方向与线圈中的电流成右 螺旋关系。
磁势是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。
电机统一理论指出：电机产生的转矩为
全部绕组端子为电流流进，
下面的绕组端子为电流流
Fs
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。
2
3
1
电流流进
3
电流流出
2
电流流进
4
电流流出
6
4
5
1
56Biblioteka 由于换向环和电刷的作用，当电枢旋转时，每一个经过电 刷的绕组，其电流的方向都被自动改变，转子的合成磁势 维持方向不变。这保证了在转子旋转时定子磁势和转子磁 势总是相互垂直。
它要求电机能提供方向及大小均可控制的转矩和 转速。
对伺服电机的基本要求
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
3.2 永磁直流伺服电机及其 驱动技术
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、永磁直流伺服电机的特性 4、功率放大器 5、电流回路和速度回路
力矩的波动
2
1
电流流进
3
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。
我们最终的目的是控制电机的转速和转矩， 以实现电机的四象限运行。
1、电机统一理论
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 机带动负载运动，从而通过磁的形式将电能转 换为机械能。
永磁体或铁芯线圈产生磁场的根源是存在着磁通势。
永磁体的磁通势是常量，大小由体积和材料导磁性能 决定，方向是由N极指向S极。
1、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。
2. 工作原理
通过什么量控制转速和转矩？
要找出电枢电压、电流和转速、转矩的关 系。