作者：陈先锋
出版社：人民邮电出版社
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伺服控制技术自学手册试读：
前言
运动控制作为控制领域的一个分支，获得越来越深入的发展，而伺服控制技术是运动控制的关键技术。随着运动控制系统的应用复杂化和控制性能要求的提高，伺服控制技术的优势显得越来越突出。深入掌握伺服控制技术也成为构建一个优秀的运动控制系统的关键。从简单的单机设备到高端的总线式运动控制系统，伺服控制有不同的应用特点。通常经济型的运动控制系统会选择脉冲形式伺服驱动，而总线式运动控制系统往往需要支持诸如CAN总线、PROFIBUS-DP等。
伺服控制技术日益蓬勃发展，无论是企业还是高等院校都非常重视这方面的研究。国内外涌现了大量的伺服产品，其应用也越来越广泛和深入，而如何根据应用需求选择合适的伺服驱动，如何让设备的伺服系统发挥出最优的性能，以及如何让系统的调试时间和故障停机时间最小化，甚至如何深入理解伺服控制技术，这些都是广大工程技术人员关注的焦点，也符合读者想成为伺服控制技术高级应用工程师的需求。
通常，工程技术人员在设计、安装、调试和维护过程中也常常遇到疑问，他们遇到的不是公式的推导、理论的证明的问题，而是遇到一个问题如何解答，遇到某个现象，如何解释它的“所以然”。
本书从脉冲式和总线式伺服驱动出发，抛开烦琐的理论分析和证明推导，以简洁明了的形式分析概念，用简单的例子说明问题，用实际中的应用案例把读者带入最终的应用实践，揭开伺服控制的技术“内幕”。编者结合设计开发、工程实践以及技术培训经验编写，理论精简、通俗、叙述到位；结合大量图形详尽地分析并配以相应的操作步骤，做到图文并茂；直接根据工程实际需求编写，删繁就简，实用性强。
本书由上海第二工业大学陈先锋老师编写，在编写的过程中参考和引用了国内外许多专家的论文和著作，以及一些厂商的网站资料、产品说明书以及产品测试手册和培训资料，作者在此一并致谢。
由于编者的水平有限，书中难免存在一些不足之处，希望广大读者能够批评指正，将不胜感激。编者第1章伺服控制技术在典型行业的应用分析1.1 概述
伺服产品在我国还属于技术含量较高的领域，目前主要应用在机床、工业机器人、印刷机械、包装机械、塑料机械和纺织机械等行业。20世纪末，国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本自主开发成功，然而，由于产业化滞后，产品的应用还依靠进口。从2004年起，我国的伺服控制系统无论是在应用或是在市场研讨方面均渐成关注点。
伺服产品的运用以机械配套使用为主，目前在机床工具、包装、纺织、印刷、电子设备等行业的运用相对较多，2005年这几个行业的伺服市场占到整个市场的一半以上。
在所有的行业中，机床行业依然是伺服产品用量最多的行业，这种状况在未来几年内将持续。包装是潜力最大的行业市场，中国包装行业装备水平与国外水平差距最大，是伺服产品潜力巨大的市场。此外，印刷也是潜力较大的行业。同时，伺服产品在玻璃加工、汽车、医疗设备、通信、安防、仪器和试验装置上也大量使用。“伺服机构系统”源自英文“servomechanism system”，指经由闭环控制方式达到一个机械系统的位置、速度或加速度的控制。伺服的概念应该从控制任务的层面去理解，伺服的任务就是要求执行机构能够快速、平滑、精确地执行上位控制装置的指令要求。
一个伺服系统的构成通常包含被控对象（plant）、执行器（actuator）、控制器（controller）等几部分，机械手臂、机械工作平台通常作为被控对象。执行器的功能在于主要提供被控对象的动力，执行器包含了电机与功率放大器，特别设计应用于伺服系统的电机称之为伺服电机（servo motor），通常内含位置反馈装置，如光电编码器（optical encoder）、旋转变压器（resolver），目前主要应用于工业界的伺服电机包括直流伺服电机、永磁交流伺服电机、感应交流伺服电机，其中又以永磁交流伺服电机占绝大多数。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制、位置控制等。目前一般工业用伺服驱动器（servo drive）通常包含了控制器与功率放大器。图1-1所示为一般工业用伺服系统组成框图。图1-1 一般工业用伺服系统组成框图
目前，高性能电伺服系统，大多采用永磁同步交流伺服电机，控制驱动器大多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。国外主要生产永磁交流伺服系统的生产商及其系列产品列表如表1-1所示，其中Kollmorgen公司工业驱动分部的“金系列”（Goldline）代表了当前永磁交流伺服技术的最新水平。
中国伺服驱动发展迅速，市场潜力巨大，应用广泛，不断有新的企业进入到这一行业来，但目前在国内市场上比较有影响的产品却不是非常多。市场的占有量以日本品牌为主，达到40％～50％，其次是欧美伺服产品，再者就是中国自产的伺服产品。这些厂家的伺服产品各有特色：日本伺服进入中国市场较早，产品性能、质量较好，价位较高；而欧美的伺服产品性能和功能最好，价格最高；国产伺服产品在性能和功能方面暂时逊色很多，只能跟在欧美和日本的后面走，但是具有明显的价格优势。
国内广泛采用的通用伺服品牌如下。
日系：三菱、安川、松下、三洋、富士、日立等。
欧系：Lenze、AMK、Rexroth、KEB等。
美系：Danaher（原Kollmorgen）、Baldor、Parker、Rockwell等。
数控和高端运控伺服品牌：Siemens、Fanuc、三菱、Rexroth等。
数控伺服情况与数控系统状况相当，Siemens和Fanuc为主，三菱次之。
国产通用伺服主要有台达、东元、和利时、埃斯顿、时光、珠海运控、星辰伺服、步进科技等；国产数控伺服主要有华中数控、广州数控、大森数控、凯奇数控等；国产伺服电机主要有华大、登奇、强磁（苏强）、中源等。
以下3个方向可以说是伺服发展的突破口：
第1个方向是伺服的功能最简单实用、价格成本最低，这部分伺服可以适应国内对低成本设备的大量需求及部分步进电机的市场。
第2个方向就是专用伺服领域，在某些特殊行业中，伺服的用量非常大，如袜机、绣花机、喷绘机等行业。由于这些行业只需要伺服的个别功能，因此可以专用伺服打开这部分行业的市场。
第3个方向也是以后发展的主要方向，即发展高端、高性能的伺服市场。表1-1 国外永磁交流伺服系统厂商及其系列产品一览表续表
除了上述公司的永磁伺服系统产品外，尚有日本东芝精机公司（SM系列）、信浓电机公司（CC系列）、大隈铁工所（BL系列）、三洋电气公司（BL系列）、立石电机公司（S系列）等厂商也在角逐永磁交流伺服系统的市场份额。
我国微特电机工业在新世纪要由生产大国转向既是生产大国又是技术强国，开发自主技术产权的永磁交流伺系统，也是一个非常重要的途径和举措。1.2 伺服控制在机床行业的应用
在数控机床中，伺服驱动接收数控系统发出的位移或速度指令，经驱动器之后，由伺服电机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架运动，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出图纸所要求的工件，如图1-2所示。
机床上所有设计到的电机驱动按照功能可以分为进给轴驱动、主轴驱动以及辅助驱动。
进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。进给轴驱动有两个任务：①快速进给；②工件或刀具的工进。工进时进给轴按照编程的轮廓运行，运行速度较低。对于进给轴需要具有以下特点：宽的调速范围；高转矩；转矩、转速波动范围小；驱动及电机的物理尺寸小，也就是功率密度高；易于维护。进给轴电机一般采用永磁同步电机、直线电机，电机控制技术通常称为伺服控制，相应的电机也称为伺服电机。图1-2 伺服控制在机床中的应用
主轴驱动用于带动刀具或工件旋转运动，它的主要任务就是去除工件的加工余量。对于主轴驱动要求能够长时间运行，因此要求主轴驱动能够具有恒定的输出功率，以快速地去除毛坯的加工余量；需要在恒定输出功率情况下的宽调速范围；在不同的切削工况下的速度调整平滑性能；切削小工件时具有较高的最大转速。
另外，要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动，零速信号等功能。通常主轴电机采用异步电机、电主轴，异步电机需要在非负载端集成编码器作为反馈测量系统，电主轴有异步式电机或永磁同步式电机，异步式主轴电机也可以称为异步伺服电机。
辅助电机驱动主要用于控制，例如传送装置、液压泵、空压机、风扇、排屑装置等。通常使用的是异步电机，或使用变频器，或直接连接到主电源，通过PLC来控制。
目前，机床的伺服控制技术主要有模拟式和数字式。在数控机床中，位置环通常是由数控系统来实现的，伺服控制器主要实现速度环和电流环的控制。
作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服控制技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电机及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。1.3 伺服控制在纺织行业的应用
纺织是典型的物理加工生产工艺，整个生产过程就是纤维之间结构的整理和再组织的过程，在化纤的产生和织物的处理方面也包括一些工艺流程。传动是纺织行业控制的重点。纺织行业的环境特点是高湿度和多粉尘，现场使用的自动化产品都必须考虑到以上两点，否则难以长期稳定运行。
纺织机械行业使用的伺服控制产品主要用于张力控制，在纺机中的精梳机、粗纱机、细纱机、并条机、捻线机，织机中的无梭织机和印染设备上的应用量都非常大。细纱机的集体落纱和电子凸轮用到伺服电机，对于用户而言是可选功能。无梭织机的电子选纬、电子送经、电子卷曲也用到伺服控制产品，主要应用于喷气织机和剑杆织机。部分无梭织机的主轴也采用伺服控制系统。纺机中的精梳机、粗纱机、并条机、捻线机都开始使用伺服产品来控制张力，只不过使用的比例还非常低，不超过20％，电子提花使用较多的步进产品。另外，纺织产品的染整工序也会使用到伺服产品，尤其是在印染设备上会使用到高端伺服控制产品。伺服控制产品在化纤行业的应用仍然较少，只在一些试验设备上使用。
纺织机械上应用伺服控制技术是为了提高设备的性能和生产效率，满足高精度控制的要求。但是，相对而言纺织机械对伺服控制产品的技术要求较低，对精确度和响应速度的要求远远低于机床加工行业。因此，价格成为国内纺织机械制造厂家的首要参考标准。很多伺服控制厂家开发出专用的伺服控制驱动和电机，有些比较具有规模的纺织机械厂家也自行研发专用于纺织机械的伺服驱动，这样既满足应用要求，又降低成本。
促进伺服控制产品在纺织行业应用的主要因素有：①市场竞争的加剧要求生产灵活性增加，要求设备能生产多品种的产品并能迅速更换工艺；②市场全球化需要更多高质量的产品来生产更高质量的产品；③伺服产品价格的降低。1.4 伺服控制在包装行业的应用
日常生活中使用到大量的日常用品和食品，如方便面、冰激凌、肥皂、挂面等，这些用品和食品有一个共同点，就是都有一个漂亮的热塑性塑料包装袋，给人以赏心悦目的感觉。所有这些产品的包装都是由包装机进行的。随着自动化行业的发展，包装机的应用范围越来越广，需求量也越来越大，并且对包装机的质量和生产效率也提出了更高的要求。伺服控制技术应用于包装机上，对于提高包装机精度，减小设备调整和维护时间，提高生产效率等各方面都有非常大的优势。
包装行业衡量设备工艺水平的主要参数包括产量（生产速度）、消耗（效率）、品种适应性、质量（精度）、设备投资成本。伺服产品的使用能够不同程度地提高上述前4点的指标，因此从技术上来看，将伺服产品广泛应用在包装机械上是必然的趋势。相对于采用伺服产品的电子凸轮、电子齿轮而言，采用机械凸轮和机械齿轮的方案零部件加工难度大，设备占用更多空间，系统复杂，设计难度大，维护量较大，能源利用效率也较低。目前已经有越来越多的用户开始认可用伺服产品的设备方案。更为重要的是，伺服产品的价格在最近3年有较大幅度的下降，采用伺服产品独立驱动方案的总体价格己经接近采用机械同步的方案。伺服产品在包装机械上的应用，目前以大型设备和连续性生产线为主，而使用量最大的中低端单机设备对运动控制产品的需求增长缓慢。
在很多情况下，包装机械的生产速度必须保持与产品产量的同步，包装机的速度要求能够根据产量进行调整。由于伺服驱动能迅速、准确地更改生产速度，在包装机械上将取代机械调速方式并大量使用。1.5 伺服控制在印刷行业的应用
伺服控制产品很早就开始应用于印刷机械，主要是在印中机械上，包括卷筒纸印刷中的张力控制、彩色印刷的自动套色、墨刀控制和给水控制，其中自动套色的位置控制需求量最大。
伺服驱动技术去除了机械传动的影响，使得机速可以达到213.36m/min（700英尺／分）。可以对机器进行特定的功能组合：前面是印刷部分、模切、涂胶折叠、堆码等，背后是由伺服电机连接。可以完成模切、折叠和堆码过程，而不用任何的人力操作。
因为其闭环控制系统，伺服电机提高了机器对各种印刷承印物的传动精度并具有更高的动态套印精度，消除了因印版滚筒和承印滚筒齿轮连接而产生的共振以及表面线速度不精确的影响。
使用伺服驱动印刷机，从完全的停机状态到正常的印刷生产速度——91.44m/min（300英尺／分）或者121.92m/min（400英尺／分），或者其他任何需要的速度，可以有更好的动态套印、更稳定的生产套印以及更好的套印恢复。
准备速度快，极少甚至没有标签原材料浪费，允许预套印等，机器起动就可以达到很好的套印。运作一个工件一次，下次即可完全调出此工单的设置，从而快速投入生产。套印的快速反应和操作简单直接带来了印刷损耗的降低。通常情况下，机器起动过程中的材料损耗非常小，有一个机器长度那么长，而一般的机械传动印刷机大概需要3～4个机器长度。关于减少了浪费的具体数据，会随着操作人员的不同而不同，随着机器的不同而不同。但总体来讲，准备过程更快了，达到生产套印的过程更快了，材料损耗降低了。
应用伺服驱动技术，除了能够提高套印精度和反应速度外，张力控制也得到极大的改善，使得机器在生产重复性订单时显得更加高效。除了控制印刷密度、缩短准备时间、减少材料浪费等优点外，通过使用伺服技术，还可消除机器使用过程中老化带来的产品质量问题，比如版滚齿轮和压印滚齿轮的啮合不好带来的墨杠等。这也大大拓宽了印刷机的承印范围，而不需要印刷操作人员花大量的时间来更换机器的传动装置。除此之外，市场对组合式印刷机的需求量也越来越大，包括柔印、丝印、凹印和平版印刷的组合。
然而，由于价格的原因，目前国产印刷机基本上没有采用全自动套色功能，而是采用了半自动的套色方案，使用步进产品和人工校准的办法。国内只有国家级的新闻出版单位的印刷厂和外资印刷厂会采购全自动套色印刷机，这类设备的价格都接近1000万元或者更高，通常采用进口品牌的设备，如海德堡和罗兰。
目前在印刷行业表现最好的品牌为Mitsubishi，它为一些重点企业提供成套解决方案，包括PLC、CC-Link组件、伺服、变频器及电器产品。其他品牌如Sanyo、和利时电机、Panasonic等也拥有一定的客户。
由于广告、包装、新闻出版等印刷市场的逐步成熟，中国对印刷机械的需求将保持稳定增长，尤其是对中高端产品的需求增长较快。因此，印刷行业对伺服控制产品的需求也将快速持续增长。第2章伺服电机基础
按照“伺服”的概念，伺服电机并非单指某一类型的电机，只要是在伺服控制系统中能够满足任务所要求的精度、快速响应性以及抗干扰性，就可以称之为伺服电机。通常，控制电机为能够达到伺服控制的性能要求，都需要具有位置／速度检测部件。表2-1和表2-2所示为电机的不同分类形式。表2-1 按照原理分类表2-2 按照结构分类续表
伺服电机可以是交流异步电机、永磁同步电机，也可以是直流电机或步进电机，当然还可以是直线电机，但是通常所说的伺服电机多半指的是永磁同步电机。2.1 伺服电机基本原理
理解伺服电机的基本原理还是从最基本的直流电机分析起。普通的直流电机是带有电刷的，严格说应该称为直流整流子电机。它比较能够实现高精度的速度控制，控制实现起来比较容易、效率比较高并且成本较低。而控制电机的最终目的也就是希望能够达到高精度、高动态性能、控制容易且效率高。因此，理解直流电机是分析伺服电机的基础。
直流电机的基本原理就是利用洛仑兹力定律（F＝iBl）产生转矩。图2-1为洛仑兹力的示意图，一个载流导体位于一个磁场中，空间上与磁力线垂直，这样会产生一个力（洛仑兹力），它与磁力线垂直，与导体垂直。图2-1 洛仑兹力
为了连续旋转的实现，需要电刷和换向器，换向器也常称为整流子。如图2-2部分所描述的，换向器是由相互绝缘的2片整流子片构成，而线圈的2个引出线分别接到整流子片上。线圈的上下2个边产生的洛仑兹力让线圈逆时针转起来，当线圈转过90°时，在电刷和整流子的作用下，流过线圈的电流反向，根据洛仑兹力的原理，产生的力继续维持逆时针方向旋转。图2-2 直流电机旋转的基本原理
事实上，用图2-3能够进一步描述励磁电流与电枢电流之间的关系。洛仑兹力可以用下面这个公式来表示：f＝iBl＠sinθ，θ角度表示磁场方向与电流方向的夹角。如果这个角度为90°，则显然得出的洛仑兹力最大，也就是说电流方向与磁场方向垂直的时候能够有最大出力。这也就解释了为什么在设计电机时，会让电枢电流与磁场相互正交，因为这样可以使得电机得到最大出力。
结合图2-2的第3部分，假设外加的电枢电压为V，在导体中会感应出一个相反的电动势，方向与导体上原来的电流方向相反。这个电动势称为反电动势EMF，在分析电机运行时尤为重要。
假设E为反电动势，，N为电枢绕组的匝数，Φ为每g极下的磁通。
根据直流电机的等效电路（如图2-4所示），V＝I（r＋r）＋Eg。afa式中r＋r为电枢绕组阻抗，I为电枢电流，V为电枢电压。faa图2-3 励磁电流与电枢电流之间的关系图2-4 直流电机的等效电路
在直流电机中，电流—转矩图以及电压—速度图是理解直流电机运行的关键，如图2-5、图2-6所示。图2-5 电流—转矩图图2-6 电压—速度图
电流与电磁转矩之间互为正比例，电机产生的电磁转矩：，z为电枢的导体数，a为并联回路对数，P为极数，K为转矩常数。T
在空载理想状态下，电枢电流I≈0，因此V＝E。ag
电机转速可以用公式表示。
直流电机是一种控制性能非常优越的电机，因为在直流电机调速系统中，由励磁电流所产生的主磁通与电枢电流产生的电枢磁动势在空间是互相垂直的，两者之间没有耦合关系。在正常运行条件下，励磁电流维持电机的磁场磁通，电枢电流来改变转矩，由于两者是相互解耦的，所以在静态和动态2种情况下，都能保持转矩的调节具有很高的灵敏度，使系统的动态特性得以优化。图2-7所示为直流电机调速原理框图。2-7 直流电机调速原理框图2.2 永磁同步伺服电机
永磁同步电机的运行原理和电励磁同步电机相同，但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁，电机结构较为简单，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。2.2.1 永磁体技术基础
19世纪20年代出现的第1台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机，当时所用的永磁材料为天然磁铁矿石（FeO），磁能密度34很低，因此制成的电机体积庞大，没有太大的实用价值，很快被电励磁取代。
随着对永磁材料的机理、构成和制造技术的深入研究，相继发现3了碳钢、钨钢（最大磁能积约为2.7kJ/m）、钴钢（最大磁能积约为37.2kJ/m）。到20世纪30年代，出现了铝镍钴永磁体（最大磁能积可3达85kJ/m）；到20世纪50年代，出现了铁氧体永磁（最大磁能积约3为40kJ/m）。随着永磁体的磁性能大大提高，各种微型和小型电机又开始转向使用永磁体励磁。永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术也迅速发展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的分析研究方法。
铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36～160kA/m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0.2～0.44T），这都限制了它们在电机中的应用范围。到20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合制造电机。
稀土永磁材料的发展大致分为以下3个阶段。
第1阶段：1967年美国K.J.Strnat教授发现的钐钴永磁（RC），o53产品的最大磁能积超过199kJ/m（25MGs·Oe）。
第2阶段：1973年出现的钐钴永磁（RCo），产品的最大磁能2173积达到258kJ/m（32.5MGs·Oe）。
第3阶段：1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功的钕铁硼（NdFeB）永磁，实验室最大磁能积达到3431.3kJ/m（54.2MGs·Oe），产品的最大磁能积达到397.9kJ/3m（50MGs·Oe）。钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料，也是目前磁性能最高的永磁材料，室温下剩余磁感应强度B可达r1.47T，磁感应矫顽力可达992kA/m（12.4kOe），最大磁能积可达3397.9kJ/m（50MGs·Oe）。
钕铁硼永磁材料不足之处在于它的居里温度较低，一般为310～410℃，因此，在高温下使用时磁损失较大。另外，钕铁硼永磁材料存在着易锈蚀的弱点，所以要对其表面涂层进行处理。常用的涂层有环氧树脂喷涂、电泳、电镀，一般涂层厚度为10～40µm，需根据永磁体的使用条件来选择合适的保护涂层。
钕铁硼永磁材料的温度系数较高，其磁性能的热稳定性较差，因此在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲。为此使用普通钕铁硼永磁材料时，要校核永磁体的最大去磁工作点，以增强其可靠性。
与稀土永磁体的发展相对应，稀土永磁电机在20世纪60、70年代由于永磁体价格昂贵，主要用于航空航天等领域。到20世纪80年代，稀土永磁电机开始转入到工业和民用领域。进入20世纪90年代，由于永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性不断改善，价格不断下降，稀土永磁电机逐步应用在国防、工农业生产、日常生活等各种领域，稀土永磁电机的发展进入一个全新的阶段。
永磁同步电机与感应电机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗。永磁同步电机在25％～120％额定负载范围内均可以保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。与传统的电励磁电机相比，永磁电机（尤其是稀土永磁电机）具有结构简单、运行可靠、体积小、质量小、损耗少、效率高、电机形状和尺寸灵活多样等特点，其应用涉及航空航天、国防、工业、农业、日常生活等各个领域。
下面从设计制造电机的需要出发，扼要介绍电机中常用永磁材料的基本性能，包括磁性能、物理性能，另外介绍选用时的基本事项。（1）退磁曲线
永磁材料首先用磁滞回线来反映和描绘其磁化过程的特点和磁特性，即用B＝f（H）曲线来表示永磁体的磁感应强度B随磁场强度H改变的特性。该回线包含的面积随最大充磁磁场强度H的大小而改max变，H越大，回线面积就越大。当H达到或超过饱和磁场强度maxmaxH时，回线面积渐进地达到一个最大值，而磁性能最稳定。此时回s线称为饱和磁滞回线（简称磁滞回线）。
磁滞回线在第2象限的部分称为退磁曲线，是永磁材料的基本特性曲线；它表明永磁体是一个磁源，作用于永磁体的是退磁磁场强度。退磁曲线的2个极限位置是表征永磁材料磁性能的重要参数。退磁曲线上磁场强度H为零时相应的磁感应强度称为剩余磁感应强度，又称剩余磁通密度，简称剩磁密度，符号为B，单位为T（特斯拉）或r-4Gs（高斯），IGs＝10T。退磁曲线上磁感应强度B为零时相应的磁场强度称为感应强度矫顽力，简称矫顽力，单位为A/m（安／米）或Oe（奥斯特），1Oe≈80A/m。
国际单位制中，磁场能量密度ω＝BH/2，因此退磁曲线上任意m一点的磁通密度与磁场强度的乘积称为磁能积，它的大小与该永磁体在给定工作状态下所具有的磁能密度成正比。最大磁能积是表征永磁材料性能的重要参数，对于退磁曲线为直线的永磁材料，最大磁能积33为，单位为J/m或Gs·Oe（1MGs·Oe≈8kJ/m）。（2）回复线
退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度间的关系，只有在磁场强度单方向变化时才存在。永磁电机运行时受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。对已经充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度沿退磁曲线下降，但是到了某一点撤销外加退磁磁场强度，则磁通密度并不沿退磁曲线回复，而是沿另一曲线上升。若再次施加退磁磁场强度，则磁通密度沿新的曲线下降。如此反复形成一个局部的小回线，称为局部磁滞回线。该曲线的上升与下降曲线很接近，可以用一条直线代替，该直线称为回复线。大部分稀土永磁体的退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线相重合，可以使永磁电机的磁性能在运行过程中保持稳定，这是在电机中使用时最理想的退磁曲线。（3）内禀退磁曲线
退磁曲线和回复线表征的是永磁材料对外呈现的感应强度B和磁场强度H之间的关系。根据铁磁学理论，在均匀的磁性材料中磁感应强度与磁场强度关系为
B＝µM＋µH00
式中M为磁化强度，是单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为A/m，它是描述磁性材料被磁化程度的一个重要物理量。它表明磁性材料在外磁场作用下被磁化后大大加强了磁场，由磁性材料磁化后产生的分量µM，是物质磁化后内在的磁感应强度，称为内0禀磁感应强度B，又称磁极化强度J。描述内禀磁感应强度B与磁场ii强度H关系的曲线Bi＝f（H）称为内禀退磁曲线，简称内禀曲线。内禀退磁曲线上磁极化强度Bi为零时，相应的磁场强度称为内禀矫顽力，也称磁化强度矫顽力，符号为iH，单位为A/m。iH反映的是永cc磁材料抗去磁能力的大小。另外，内禀退磁曲线的矩形度越好，磁性能越稳定。（4）稳定性
为了保证永磁电机电气性能不发生变化，能长期可靠运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。
热稳定性是指永磁体由所处环境温度的改变而引起磁性能改变的程度，也称温度稳定性。它可以用居里温度和最高工作温度来表示。随着温度的升高，磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度（居里点），符号为T，单位为Kc或℃。将规定尺寸的样品（稀土永磁为φ10×7mm）加热到某一恒定温度，长时间放置（一般为1000h），然后将样品冷却到室温，其开路磁通不可逆损失小于5％的最高保温温度定义为该永磁材料的最高工作温度，符号为T，单位为K或℃。w
磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材料磁性能变化的大小，永磁材料内禀矫顽力越大，内禀退磁曲线的矩形度越好，则磁稳定性越好。
受酸、碱、氧气和氢气等化学因素的作用，永磁体内部或表面化学结构发生变化，影响磁性能。例如，钕铁硼永磁体中的铁和钕占成分中的大部分，容易氧化，所以在生产过程中必须采取各种工艺来防止氧化，尽力提高永磁体的密度以减少残留气隙，从而提高其抗腐蚀能力，同时要在成品表面涂敷保护层，如镀锌、镀镍、电泳等。2.2.2 永磁同步电机的结构形式
永磁同步电机的分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为常规式和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为异步起动永磁同步电机和调速永磁同步电机；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机。
永磁同步电机的定子一般与三相异步电机定子相同，必要时可以借用异步电机的机座和定子冲片。但为了减小永磁同步电机的杂散损耗，定子绕组常采用双层短距或正弦绕组形式。
永磁同步电机的结构形式一般就是指转子结构形式，转子结构是永磁同步电机的关键和核心。永磁同步电机的转子结构一般还要求转子冲片具有整体性、简单性，并能充分提高永磁体的利用率。
根据永磁体在转子上位置的不同，现在普遍使用的转子磁路结构一般有2种：表面式和内置式。
表面式转子磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，位于转子铁芯的外表面上，提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁芯内圆之间一般套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。
表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式2种，如图2-8所示。对采用稀土永磁材料的电机来说，由于永磁材料的相对可逆磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极结构；而表面插入式转子由于相邻两磁极之间有磁导率很大的铁磁材料，所以在电磁性能上属于凸极转子结构。该结构因转子表面无法安放起动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电机。图2-8 表面式转子磁路结构1—永磁体；2—转子铁芯；3—转轴
表面凸出式转子结构具有结构简单、制造成本较低和转动惯量小等优点，而且其永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电机气隙磁密空间分布趋近于正弦形的磁极形状，可以显著提高电机的性能。
表面插入式转子结构可以充分利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较为简单，但漏磁系数和制造成本都比凸出式大。
内置式转子磁路结构的永磁体位于转子内部，永磁体表面与定子铁芯内圆之间有铁磁材料制成的极靴，极靴中可以放置铜条笼或铸铝笼，起阻尼或起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有自起动能力或动态性能高的永磁同步电机。在该结构中，永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称所产生的磁阻转矩也有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁扩速。
内置式转子磁路结构又可以分为径向式、切向式和混合式3种。（1）径向式结构
该结构的优点是漏磁系数小，转轴上不需采取隔磁措施，极弧系数易于控制，转子冲片机械强度高，安装永磁体后转子不易变形等。图2-9（a）所示的径向结构为美国专利，该结构的特点是强有力的隔磁槽有效地阻止了永磁体漏磁，提高了永磁体利用率；但其复杂的非整体结构增加了工艺难度，较差的结构强度成为这一结构的致命的弱点。图2-9（b）所示的V字形永磁体结构最早见于英国某产品中，该结构有效地利用了转子空间。图2-9 内置径向式转子磁路结构1—永磁体；2—转子导条；3—转轴；4—铁芯；5—非磁性材料（2）切向式结构
该结构的漏磁系数较大，需要相应的隔磁措施，制造工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极距下的磁通由相邻2个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机极数较多，径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出。此外，采用该结构的永磁同步电机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的40％，对提高电机的功率密度和扩展恒功率运行范围都是很有利的。
图2-10（a）所示是一种典型的4极切向式结构，永磁体内侧采用非磁性轴或非磁性套筒。图2-10（b）所示的转子结构利用空气隙隔磁，省去了图2-10（a）中的隔磁套5，转子冲片具有整体性。当永磁体励磁不足时，还可以在隔磁槽6中放置永磁体。图2-10 内置切向式转子磁路结构1—永磁体；2—转子导条；3—转轴；4—铁芯；5—隔磁套；6—隔磁槽（3）混合式结构
该结构集中了径向式和切向式的优点，但结构和制造工艺都比较复杂，制造成本也比较高。图2-11所示是德国西门子公司发明的混合式转子磁路结构，需要采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于使用剩磁密度较低的铁氧体的永磁同步电机。随着永磁材料的发展，该结构在稀土永磁同步电机中逐渐失去了优势。
在选择转子磁路结构时，还应考虑到不同转子磁路结构电机的直、交轴同步电抗X、X及其比例X/X（称为凸极率）也不同。在dqdq相同条件下，上述3类内置式转子磁路结构电机的直轴同步电抗X相d差不大，但它们的交轴同步电抗X却相差很大。切向式转子结构电q机的X最大，径向式转子结构电机的X次之。较大的X和凸极率可qqq以提高电机的牵入同步能力、磁阻转矩和电机的过载倍数，但会使得电机在起动过程中的震动和噪声变大，起动时间延长。因此，设计高过载倍数的电机时，可充分利用大的凸极率所产生的磁阻转矩；而设计高起动性能的电机时，应设法降低磁阻转矩。图2-11 混合式转子磁路结构1—永磁体；2—转子导条；3—转轴；4—铁芯；5—永磁体槽2.2.3 永磁同步伺服电机运行原理
永磁同步伺服电机的运行原理与直流电机非常类似，永磁同步伺服电机采用电子整流取代传统直流电机的机械式整流，从而消除了电刷、换向片的机械损耗和电流限制。永磁同步电机的永磁体是在转子上，而绕组是在定子上的，这正好和传统的直流电机相反。如果仅仅这样的话，在定子绕组上供给一个直流电，在定子绕组只能产生一个固定的磁场，而无法与运行中的转子永磁场相互作用，从而以单一的方向驱动转子旋转。因此，需要由电机驱动器给电机三相提供变频变压交流电，同时需要检测电机转子位置以及电机运行时的速度和位置信息，使得电机在运行过程中，转子永磁体产生的磁场与定子绕组产生的磁场在空间上始终保持垂直，从而获得最大的转矩。三相电流在电机的三相绕组中运行可以由图2-12、图2-13来描述。永磁同步伺服电机的定子绕组设计为正弦绕组，每相绕组占有几个齿槽结构，定子绕组产生的磁通为正弦型。我们知道电机产生的转矩与磁通是成正比例关系，如图2-14所示。在转子旋转中，三相绕组在正弦磁场中，正弦电流输入给电机的三相绕组，每相绕组产生相应的转矩，每相转矩叠加形成恒定的电机转矩输出。图2-12 电机绕组中的三相电流图2-13 三相电流在定子绕组中运行图2-14 转矩与磁通关系2.3 异步伺服电机
一般来说，异步伺服电机具有位置和速度反馈测量系统，如西门子的1PH7系列主轴电机就是典型的异步伺服电机，其原理与普通的异步电机没有区别，但它的控制性能要比普通的异步电机优越得多。除了具有非常宽的调速范围和动态性能之外，还具有主轴定位等位置控制功能。
异步电机定子气隙侧的槽内嵌入三相绕组（如图2-15所示），当电机通入三相对称交流电时，产生旋转磁场。这个旋转磁场在转子绕组或转子导条中感应出电动势。由于感应电动势产生的电流和旋转磁场之间的作用产生转矩而使电机旋转。图2-16描述了异步电机运行的基本原理。定子绕组起输入电源功率和产生旋转磁场的作用。图2-15 异步电机三相绕组结构图图2-16 异步电机运行基本原理
三相绕组互相独立且互差120°，一般来说前端为U1、V1、W1，末端U2、V2、W2，三相绕组可以接成为三角形或星形，如图2-17所示。
上面提到了定子绕组起输入电源功率和产生旋转磁场的作用。因为有铁芯和磁场的作用，所以异步电机的等效电路同时也是一个电感电路，其等效电路如图2-18所示。
异步电机的等效电路是根据变压器原理导出来的，旋转磁场φd作为主磁通，耦合定子绕组和转子导条，也就是说能够被转子导条或转子绕组切割，使转子绕组产生感应电动势和感应电流而获得能量，因此主磁通是用来传递能量的。耦合在主磁通的阻抗为主阻抗。而有一部分磁场是没有穿过气隙与转子绕组或导条的，它不能传递能量，它只会让定子绕组产生自感应电动势。没有耦合到主磁通的阻抗为漏阻抗。图2-17 异步电机的三相绕组连接方式
在定子绕组中，反电动势是定子绕组切割了自己产生的主磁通而感应的自感电动势，是定子电路中和电源电压相抗衡的主要成分，所以称为反电动势。其有效值E＝4.44fNkΦ，也就是说反电动势的11Em大小与主磁通成正比例，它的大小反映了主磁通的大小，也体现了传递能量的大小。
漏磁通的自感电动势是定子绕组切割漏磁通所产生的自感电动势，其有效值E＝IL，L为定子漏磁电抗。也就是说，自感电动势011ss通常是以漏磁电抗来表述的。
转子的感应电动势是转子绕组或导条切割主磁通的结果，是转子得以产生电流的“源”。在静止状态，产生过程与定子反电动势产生过程相同，转子电动势的频率与定子反电动势频率相同，有效值E2＝4.44fNkΦ。1Em
无负载时，定子绕组加有对称的三相感应电压时，流过无负载电流I，无负载时I为励磁电流。当电源的频率为f时，在气隙中产生以00同步速f/p的旋转磁场。由于电机存在风损耗和轴承损耗等机械损耗，电机的实际转速不能达到同步转速，只有在忽略这些损耗的理想状况下才能认为转子以同步转速旋转。此时旋转磁场和转子的相对速度为0，则在转子绕组和导条中不能感应出电流，当然也不能产生转矩。但是，由于理想状况假设没有损耗，转子靠惯性以同步转速旋转。
有负载时，转子加有负载，转速下降，如果转子以n的速度旋转，2同步转速为n，则产生转差率：。所以，转子电动势、0转子漏磁电抗都与静止时的值有一个转差率s的关系。图2-18 异步电机等效电路
转子是由n根旋转的导条组成，每根导条可以看作为1相，所以转子电路是n相电路。因此，必须把转子的n相电路等效到定子三相电路中，这样才能统一到一起，等效原则就是功率一致。
转子绕组的电流可以表述为：，从这里可以解释图2-19中转子电流在不同运行状态下的值。第1种情况，电机静止时，转子电动势的频率与定子反电动势频率相同，有效值E＝4.44fN五22Φ，属于强感应阶段，电流有效值最大。第2种情况，电机在加kEm速过程中，转子以某一个频率在旋转，转子电动势与静止时的值有一个转差率s的关系，所以此时的转子电流有效值会下降。第3种情况，忽略所有损耗的理想状况下，认为转子以同步速旋转。此时旋转磁场和转子的相对速度为0，则在转子绕组和导条中不能感应出电流，转子靠惯性以同步转速旋转。此时的转子电流为0。事实上，第3种情况是不能带负载的，因为电流为0，所输出的转矩也为0。在电机正常运行时，是以一个转差率的速度运行，它除了要克服摩擦损耗的因素，还必须有带负载的能力。这也就是图2-19所示的第4种情况。
对于定子电流，它可以分解为励磁电流和一次侧负载电流，，励磁电流，从这里也就可以解释图2-19中定子电流在不同运行情况下的有效值。第1种情况，电机静止时，转子电流最大，所以相应的定子电流也最大。第2种情况，电
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