伺服电机及其驱动技术
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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
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3.1 一般规律
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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Hale Waihona Puke Baidu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。
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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
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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
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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。
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
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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。
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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)
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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。
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Fr
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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
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
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。
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2．电机的基本运动方程
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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。
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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。
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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
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
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
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。
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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。
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电机统一理论指出：电机产生的转矩为
vv v TFs Fr
T FsFrsin(s r)
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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
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T ,
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Ta Tc
Ta Tc Tc
Tc Ta Tc
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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Hale Waihona Puke Baidu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。
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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
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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
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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。
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
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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。
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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)
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Ta Tc
Ta Tc Tc
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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。
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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
全部绕组端子为电流流
进，下面的绕组端子为电
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流流出，就能保证转子合 成磁势的方向不变，且与
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。
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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。
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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。
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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
T
J
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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
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
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即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。
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电机统一理论指出：电机产生的转矩为
vv v TFs Fr
T FsFrsin(s r)