伺服电机及其驱动技术
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
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。
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
N
dFr
Fs
S
定子磁极
电流流进 转子铁芯 电流流出
dT
2
r s
dT dFr Fs sin( r 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。 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
Fr
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
T
J
d &
dt
T
f
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；
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。
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必须维持dFr的方向不变；使 r 保s 持
不变。 而且如果能使
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。
T
J
d &
dt
T
f
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]
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
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。
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
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
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
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
3. 伺服电机的四象限运行
Ta Tc
Ta Tc Tc
Tc Ta Tc
Tc Ta
TJ ddt&Tf
Ta J&&
Tc Tf
伺服系统常要求伺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。
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
vv v TFs Fr
T FsFrsin(s r)
T ,
T ,
Ta Tc
Ta Tc Tc
Tc Ta Tc
Tc Ta
T ,
T ,
电机的这种力矩一速度关系可以4象限形式表示出来 电机在做正向或反向的加速或匀速运动时，力矩和速度的
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。
全部绕组端子为电流流
进，下面的绕组端子为电
Fs
流流出，就能保证转子合 成磁势的方向不变，且与
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。 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。
