第二章：伺服电机 2.1概述 1、概论 关于电机的几个名称： 2、直流电机和直流伺服电机 ◆微特电机(<100W),微电机 (<750W) 3、交流伺服电机 ◆控制电机：通常用于闭环控制中 现状： 4、步进电机 的电机，主要完成控制信号的传 中国微电机 5、其它电机 递和变换（有别于一般电机的能 产量占全世 量变换)，其职能有执行（功 界总产量的 率)和测量两种。 70%左右 国内：微电 ◆伺服电机（用于同服驱动目的， 机产量己达 具有调节功能) 80亿台(08 年) 普通电机与伺服电机 2.1.1对伺服电机的一般要 求 普通电机（传动电机）：主要用来完成能 量的变换（力量型） ◆宽的调速范围（最大最小速比），良好的 低速平稳性 伺服电机：主要用来完成控制信号的传递 ◆机械特性和调节特性均为线性 和变换（技能型） √机械特性：控制电压一定时，转速随转矩 FANUC目前最大的伺服电机a30 D0HVis规格如下： 的变化关系 氯定输出功率250kW,最大功率530kW, √调节特性：电机转矩一定时，转速随控制 堵转转矩3000Nm,最大输出转矩为5300Nm, 电压的变化关系 最高转连为2000 r/min, ◆满足使用要求的动态性能 这种电机主要应用在数控注塑机和冲压机上，原先，这 些机械主要采用液压驱动。 ◆其他：如重量轻、体积小、过载能力强等 2.1.2、三类伺服电机的特点 2.1.3、伺服电机的应用特点 电机 特点 发展 ◆使机电设备或系统具有伺服调节能力 类型 ◆直线驱动能力薄弱，一般须经螺母丝杆 直流用直流电源，调速特性好，但换向电刷 历史较 转换 电机影响其寿命、使用范围和容量。 长 ◆单位重量下的功率小于液压，效率相对 交流用交流电源，克服了直流电机的缺点 目前发 较高 电机现代交流调速技术的发展使其成为主 展势头 流。 较好 步进运动距离和输入脉冲成正比，控制方 历史相 典型应用领域： 电机便，但功率和精度较差。 对较短 机器人等、只提供直流电源的设备中 1
1 第二章：伺服电机 1、概论 2、直流电机和直流伺服电机 3、交流伺服电机 4、步进电机 5、其它电机 2.1 概述 关于电机的几个名称： 微特电机（<100W），微电机 （<750W） 控制电机：通常用于闭环控制中 的电机，主要完成控制信号的传 递和变换（有别于一般电机的能 量变换），其职能有执行（功 率）和测量两种。 伺服电机（用于伺服驱动目的， 具有调节功能） 现状： 中国微电机 产量占全世 界总产量的 70％左右 国内：微电 机产量已达 80亿台（08 年） 普通电机与伺服电机 普通电机（传动电机）：主要用来完成能 量的变换（力量型） 伺服电机：主要用来完成控制信号的传递 和变换（技能型） FANUC目前最大的伺服电机a3000HVis规格如下： 额定输出功率250kW，最大功率530kW， 堵转转矩3000Nm，最大输出转矩为5300Nm， 最高转速为2000r/min。 这种电机主要应用在数控注塑机和冲压机上，原先，这 些机械主要采用液压驱动。 2.1.1 对伺服电机的一般要 求 宽的调速范围（最大最小速比），良好的 低速平稳性 机械特性和调节特性均为线性 9 机械特性：控制电压一定时，转速随转矩 的变化关系 9 调节特性：电机转矩一定时，转速随控制 电压的变化关系 满足使用要求的动态性能 其他：如重量轻、体积小、过载能力强等 2.1.2、三类伺服电机的特点 历史相 对较短 运动距离和输入脉冲成正比，控制方 便，但功率和精度较差。 步进 电机 目前发 展势头 较好 用交流电源，克服了直流电机的缺点， 现代交流调速技术的发展使其成为主 流。 交流 电机 历史较 长 用直流电源，调速特性好，但换向电刷 影响其寿命、使用范围和容量。 直流 电机 电机 特点 发展 类型 2.1.3、伺服电机的应用特点 使机电设备或系统具有伺服调节能力 直线驱动能力薄弱，一般须经螺母丝杆 转换 单位重量下的功率小于液压，效率相对 较高 典型应用领域： 机器人等、只提供直流电源的设备中
2.2、直流电机和直流伺服电机 2.2.1、概要 本节讨论： 直流伺服电机： ◆概要 伺服电机中最传统和较典型的一种 ◆直流电机的基本原理 ◆直流伺服电机的常见结构类型与应用 直流电机应用案例 轮子驱动：20W 直流电机的特点 火星探测器 有刷直流电机 ◆机械特性(o(Te》和调节特性(o(UA)较 单兵突击车 ◆传统放大器较为简便 ◆成本较低，能做到大容量（较交流电机 而言的传统评价) ◆过载能力强 ◆换向器和电刷带来的问题（使容量受限 制、使用寿命下降) 直流电机：行走机械驱动的首选。例如： 电动自行车(20km/hr)匀速载人的平均 ◆可连续调节（与步进电机比较） 功率约105W,电机功率在200W以内。 直流电机和直流伺服电机 分类(1) 工作原理、结构和基本特性方面：二者电机 ◆传统类直流电机 没有原则区别： ◆改进型直流电机 在结构性能上后者较前者作了一些改进，动 √低惯量型 态性能更为改善，调节范围更宽 √宽调速型 √低速大扭矩力矩电机 2
2 2.2、直流电机和直流伺服电机 本节讨论： 概要 直流电机的基本原理 直流伺服电机的常见结构类型与应用 2.2.1、概要 直流伺服电机： 伺服电机中最传统和较典型的一种 直流电机应用案例 轮子驱动：20W 有刷直流电机 直流电机：行走机械驱动的首选。例如： 电动自行车（20km/hr）匀速载人的平均 功率约105W，电机功率在200W以内。 火星探测器 单兵突击车 直流电机的特点 机械特性(ω(Tem))和调节特性(ω(UA))较 好 传统放大器较为简便 成本较低，能做到大容量（较交流电机 而言的传统评价） 过载能力强 换向器和电刷带来的问题（使容量受限 制、使用寿命下降） 可连续调节（与步进电机比较） 直流电机和直流伺服电机 工作原理、结构和基本特性方面：二者电机 没有原则区别； 在结构性能上后者较前者作了一些改进，动 态性能更为改善，调节范围更宽 分类（1） 传统类直流电机 改进型直流电机 9低惯量型 9宽调速型 9低速大扭矩力矩电机
分类(2) 2.2.2、直流电机的基本原理 2.2.2.0基础知识的简要回顾 从是否有电刷来分类： ◆有刷直流伺服电机 两个电磁定律 ◆无刷直流伺服电机 从运动类型来分类： ◆旋转电机 ◆直线电机 电磁力定律（左手定则） 电磁感应定律（右手定则） 用于计算电磁力： 用于计算感应电动势： F=11B →直流电机原理 e=vBI →直流发电机原理 2.2.2.1、直流电机的基本原理 结构 定子部分： 7心 电磁式、永磁式 励磁绕组的功能：给 绕组通入直流电， 几个特征构件： 电 形成N、S极（产生 ◆定子 换向片 磁场) ◆转子（转子与铁心） 了镜组线国 ◆换向器与电刷 。 的 主班极 3
3 分类（2） 从运动类型来分类： 旋转电机 直线电机 从是否有电刷来分类： 有刷直流伺服电机 无刷直流伺服电机 2.2.2、直流电机的基本原理 2.2.2.0 基础知识的简要回顾 两个电磁定律 电磁力定律（左手定则） F = I l B →直流电机原理 用于计算电磁力： 电磁感应定律（右手定则） e = v B l →直流发电机原理 用于计算感应电动势： 2.2.2.1、直流电机的基本原理 结构 几个特征构件： 定子 转子（转子与铁心） 换向器与电刷 定子部分： 电磁式、永磁式 励磁绕组的功能：给 绕组通入直流电， 形成N、S极（产生 磁场）
直流电机转子组件 换向器和电刷的作用 电枢铁心：0.35-0.5mm硅钢片 (相互间绝缘，以避免涡流及迟 变换电枢绕组中电流方向 滞损失) (连续回转时使转矩方向保持不变) 作用：给主磁通提供低阻磁路和 嵌放电枢绕组 焕向器 电枢能组 电枢铁心 直流电机的工作原理 直流电机结构剖视图 ⊕⊙ 电度指肉图面电夜装出图国 ◆给两个电刷加上直流电源（左图） 则有直流电流从电刷A流入，经过线圈 abcd,从电刷B流出。 ◆根据电磁力定律，载流导体ab和cd受 到电磁力的作用，其方向可由左手定则 判定，两段导体受到的力形成了一个转 矩，使得转子逆时针转动。 换向极绕组 电机原理工作模拟 (在大中型直流电机中采用) 换向极和电枢绕组串联， 目的： ◆换向极的磁场方向必须 与电枢磁场方向相反，以 0 抵消定子主磁极几何中性 面附近的电枢磁场 ◆在换向元件中产生一个 与自感电势大小相等方向 相反的电动势。 4
4 直流电机转子组件 电枢铁心：0.35~0.5mm硅钢片 （相互间绝缘，以避免涡流及迟 滞损失） 作用：给主磁通提供低阻磁路和 嵌放电枢绕组 换向器和电刷的作用 变换电枢绕组中电流方向 （连续回转时使转矩方向保持不变） 直流电机结构剖视图 直流电机的工作原理 给两个电刷加上直流电源（左图）， 则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈 abcd，从电刷 B 流出。 根据电磁力定律，载流导体ab和cd受 到电磁力的作用，其方向可由左手定则 判定，两段导体受到的力形成了一个转 矩，使得转子逆时针转动。 电机原理工作模拟 换向极和电枢绕组串联， 目的： 换向极的磁场方向必须 与电枢磁场方向相反，以 抵消定子主磁极几何中性 面附近的电枢磁场 在换向元件中产生一个 与自感电势大小相等方向 相反的电动势。 换向极绕组 （在大中型直流电机中采用）
直流电机工作原理归纳 励磁方式： ◆电机内部有磁场存在（产生磁场的励磁 方式可以有多种)。 定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接 ◆将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使 线方式称为励磁方式。实质上就是励磁 电枢导体有电流流过。 绕组和电枢绕组如何联接。 ◆载流的转子（即电枢）导体将受到电磁 力f的作用f=BIi。(左手定则) 定子的激磁绕组通过直流电产生磁通，形 ◆所有导体产生的电磁力作用于转子，使 成N、S极。注意：该N、S极在空间是 转子以（转/分）旋转，以便拖动机械负 否旋转？ 载。 励磁形式：他励、串励、并励、复励 2.2.2.2、他励式直流电机静态 其中，他励为最常见 (稳态)的数学描述 思路： 由反电势、电枢电路的电压 平衡式、电磁转矩三个基 本式推出电机的转速表达 3① 反电势： 电枢电路的电压 平衡式 ①E 电流通过电枢绕组产生电磁力 反电势方向： 或电磁转矩，但同时，当电枢 根据右手定 在电磁转矩作用下转动起来， 则，可判定与 外加控制电压与反电势及内阻压降相平衡 电枢导体还要切割磁力线，产 电流方向相反 生感应电势。 U。=En+InR E。=Cpn=K0 电 I N 其中，中为总磁通，K为 其中，R为电枢绕组的电阻 反电势系数：C为电机的 换向 相关系数。 5
5 直流电机工作原理归纳 电机内部有磁场存在（产生磁场的励磁 方式可以有多种）。 将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使 电枢导体有电流流过。 载流的转子（即电枢）导体将受到电磁 力 f 的作用 f = B l ia （左手定则） 所有导体产生的电磁力作用于转子，使 转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负 载。 励磁方式： 定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接 线方式称为励磁方式。实质上就是励磁 绕组和电枢绕组如何联接。 定子的激磁绕组通过直流电产生磁通，形 成N、S极。注意：该N、S极在空间是 否旋转？ 励磁形式：他励、串励、并励、复励 其中，他励为最常见 2.2.2.2、他励式直流电机静态 （稳态）的数学描述 思路： 由反电势、电枢电路的电压 平衡式、电磁转矩三个基 本式推出电机的转速表达 式 Uf M If Ia Ua 反电势： 电流通过电枢绕组产生电磁力 或电磁转矩，但同时，当电枢 在电磁转矩作用下转动起来， 电枢导体还要切割磁力线，产 生感应电势。 Ea = Ceφ n = Keω φ 反电势方向： 根据右手定 则，可判定与 电流方向相反 F U F + – N S 电刷 换向片 I I Ea Ea 其中， 为总磁通，Ke为 反电势系数；Ce为电机的 相关系数。 电枢电路的电压 平衡式 外加控制电压与反电势及内阻压降相平衡 a a aRa U = E + I M Ra Ia E + – + – U 其中，Ra为电枢绕组的电阻