第四章 電動機及其驅(qū)動電路

第四章電動機及其驅(qū)動電路電動機基本知識一、分類常用電動機固定磁阻電動機

變磁阻電動機無磁電動機

直流伺服電機

交流伺服電機

反應(yīng)式步進電動機

永磁式步進電動機

混合式步進電動機

直線步進電動機

——超聲波電機二、特點名稱特點直流伺服電動機可控性好、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、有電刷接觸交流伺服電動機勵磁電流小、體積較小、機械強度高、無電刷反應(yīng)式步進電動機啟動和運行頻率高、斷電時無定位轉(zhuǎn)矩、消耗功率較大。永磁式步進電動機消耗功率較反應(yīng)電機小、需正負(fù)脈沖供電、啟動和運行頻率較小、有定位轉(zhuǎn)矩混合式步進電動機啟動和運行頻率較高、需正負(fù)脈沖供電、消耗功率較小、有定位轉(zhuǎn)矩直線步進電動機提供直線運動、結(jié)構(gòu)簡單、慣量小超聲波電動機低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾、動作響應(yīng)快、無輸入自鎖電磁耦合基于兩個定理：有關(guān)電能向機械能轉(zhuǎn)化的法拉第定律有關(guān)機械能向電能轉(zhuǎn)化的電磁感應(yīng)定律三、各類電動機特點直流電動機：最先應(yīng)用于變速傳動的電動機，電流電壓關(guān)系式簡單，但價格昂貴，可靠性低交流電動機：本質(zhì)較為簡單，精確控制較復(fù)雜，由于集成電路的發(fā)展逐步取代直流電機永磁同步電動機：轉(zhuǎn)動慣量低，適用于動態(tài)速度快的場合交流感應(yīng)電動機：在長速度工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛超聲波電動機：利用壓電陶瓷逆電效應(yīng)，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾直流電動機一、工作原理NS－U＋NS＋U－NSNS＋U－＋U－電刷換向片直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動轉(zhuǎn)矩)換向機械負(fù)載Φ旋轉(zhuǎn)克服反電動勢做功電磁關(guān)系二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)

直流電機的定子

(a)主磁極

(b)機座

直流電機的轉(zhuǎn)子

(a)轉(zhuǎn)子主體

(b)電樞鋼片

直流單機的機構(gòu)直流伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服電機類型電勵磁：勵磁量容易調(diào)整，成本低，效率低永久磁鐵：不需勵磁功率，效率高，性能好驅(qū)動系統(tǒng)組成：直流伺服電機轉(zhuǎn)速或位置反饋裝置直流電源及驅(qū)動電路接口電路電樞控制原理：控制電樞繞組中的電流大小和方向，就可以控制電機的轉(zhuǎn)速和方向，輸出一定的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的大小通過轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）檢測并反饋。圖電樞控制原理二、直流伺服電機的特性

機械特性

調(diào)節(jié)特性當(dāng)控制電壓恒定時，電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩恒定時，電機的轉(zhuǎn)速與控制電壓變化的關(guān)系圖直流電機的靜態(tài)特性三、直流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計動態(tài)特性：當(dāng)在電樞上外加階躍電壓時，轉(zhuǎn)速隨時間的變化過程，即：n=f(t)或=f(t)1、直流電機的選擇2、設(shè)計的要求根據(jù)負(fù)載的大小，選擇小慣量電機或大慣量電機（也稱力矩電機）

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩滿足要求折算到電機軸的負(fù)載總轉(zhuǎn)動慣量小于或等于電機的轉(zhuǎn)動慣量啟動、制動、加速、減速穩(wěn)定運行，低速或重載滿足穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求1、2、滿足動態(tài)轉(zhuǎn)矩要求四、直流伺服電機的調(diào)速其中：Tq為啟動轉(zhuǎn)矩TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩加速過程近似線性過程，則加速轉(zhuǎn)矩為：其中：nm為最高轉(zhuǎn)速為最高角速度頻繁啟制動或負(fù)載經(jīng)常變化時，轉(zhuǎn)矩均方根值小于電機額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)等效發(fā)熱準(zhǔn)則，有：其中：Tn為額定轉(zhuǎn)速t為整個工作時間（或周期）Tt為瞬時轉(zhuǎn)矩有三種調(diào)速方法：

電樞控制調(diào)速（即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時，

磁場控制調(diào)速（即恒功率調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時，

混合調(diào)速（即恒功率調(diào)速），如主軸伺服驅(qū)動，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率調(diào)速.如進給伺服系統(tǒng)如小慣量高速伺服系統(tǒng)三、直流電動機的驅(qū)動電路1、線性直流功率放大器雙極型功率放大器a)T形b)H橋型H形PWM功率放大器控制原理圖1、脈沖寬度調(diào)制功率放大器永磁同步電動機一、結(jié)構(gòu)原理與普通小型直流電動機相同；SM+Ua－IaEIf+Uf－

SM+Ua－IaE永磁式二、工作原理施加

Ua主磁通：

ΦT→n→E電磁轉(zhuǎn)矩：T

=CTΦ

Ia

電動勢：E

=CEΦ

n電樞電路電壓方程：Ua

=E+Ra

Ia三、控制方式及其特性①電樞控制式

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制電壓）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TOTn

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1機械特性T1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性O(shè)Ucn②磁場控制式Ua

=UaN，Uf

=Uc（控制電壓）忽略磁路飽和、不計電樞反應(yīng)，則Φ=CφUf=CφUcn=UaNCECφUc

－RaCECTCφ2Uc2T

Uc3Uc2Uc1UC3＞Uc2＞Uc1機械特性

控制特性是非線性。直流伺服電動機的功率1~600W。OTn6.4交流伺服電動機一、基本結(jié)構(gòu)空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)子內(nèi)定子外定子繞組轉(zhuǎn)軸二、工作原理當(dāng)兩相繞組分別加上相位相差90o的額定電壓時：

對稱兩相運行→ic和if產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場→產(chǎn)生T→轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果uc反相，即改變ic和if的相序→旋轉(zhuǎn)磁場改變方向→n的方向改變。同時減小uc和uf而保持其90o的相位差→圓形磁通勢的幅值→T→n

。SM~控制繞組勵磁繞組＋Uc－＋Uf－cfIcIf一、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成由伺服電機和伺服驅(qū)動器組成伺服電機包括永磁同步電機、鼠籠式異步電機、無刷直流電機伺服驅(qū)動器采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）三相逆變器、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)按照伺服電機類型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類：轉(zhuǎn)速公式同步型交流伺服系統(tǒng)（SM）正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)矩形波電流驅(qū)動的無刷直流伺服系統(tǒng)二、異步交流伺服電機轉(zhuǎn)速公式：其中：f為電源頻率s為轉(zhuǎn)差率p為極對數(shù)n0為同步轉(zhuǎn)速：通常采取恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：即在調(diào)速時，轉(zhuǎn)矩維持在Tmax,氣隙磁通也在f為加在定子繞組的電源頻率E為定子繞組的電勢C為常數(shù)其中：U為電機的外加電壓控制方式當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的，有三種方式：

幅值控制：調(diào)節(jié)控制電壓幅值大小，改變轉(zhuǎn)速

相位控制：調(diào)節(jié)控制電壓的相位角，改變轉(zhuǎn)速

幅值相位控制（電容控制）：調(diào)節(jié)控制電壓時，相位角隨之改變，達到改變轉(zhuǎn)速目的工作特性1、機械特性：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線

2、調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)速和控制電壓的關(guān)系曲線圖交流電機的靜態(tài)特性控制繞組勵磁繞組四、交流伺服電機的矢量控制直流電機轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩的控制容易，動態(tài)性好，而交流電機的電樞電流不容易得到，轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制較困難，進行矢量控制的目的就是模擬直流電機的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律三相交流量兩相交流量交流/直流變換逆變換等效直流量還原三相交流量實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制五、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選擇電機選擇成本轉(zhuǎn)矩慣量比功率密度調(diào)速范圍對傳感器要求轉(zhuǎn)矩脈動性轉(zhuǎn)矩速度曲線超聲波電動機超聲波電動機的基本結(jié)構(gòu)超聲波電動機的工作原理超聲波電動機的驅(qū)動控制超聲波電動機的應(yīng)用

超聲波電動機（UltrasonicMotor—USM）是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新的微型驅(qū)動電機，它的基本結(jié)構(gòu)及工作原理與傳統(tǒng)電機完全不同，沒有繞組和磁路，不以電磁相互作用來傳遞能量，而是基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)（即電致伸縮效應(yīng)），利用超聲波振動來實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。由于這種新型電機的工作頻率一般在20kHz以上，所以稱為超聲波電機。超聲波電機打破了傳統(tǒng)電機必須由電磁效應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的固有概念，與電磁式電機相比，超聲波電機具有以下特點：(1)體積小，重量輕。(2)低速大轉(zhuǎn)矩。(3)響應(yīng)迅速，控制特性好。(4)有斷電自鎖功能。(5)與外界無相互電磁干擾。(6)結(jié)構(gòu)形式多樣化。超聲波電動機的基本結(jié)構(gòu)超聲波電動機的分類還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按照驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的機理可分為駐波型和行波型兩種。駐波型是利用與壓電材料相連的彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來推動轉(zhuǎn)子運動，屬間斷驅(qū)動方式；行波型則是在彈性體內(nèi)產(chǎn)生單向的行波，利用行波表面質(zhì)點的振動軌跡來傳遞能量，屬連續(xù)驅(qū)動方式。目前，環(huán)形行波型超聲波電動機的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)均較為成熟。

環(huán)形行波型超聲波電動機的基本結(jié)構(gòu)如圖9-1所示，主要包括定子、轉(zhuǎn)子、壓力彈簧和轉(zhuǎn)軸等部件。超聲波電動機的工作原理一、逆壓電效應(yīng)簡介壓電效應(yīng)是在1880年由法國的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。一般在電場作用下，可以引起電介質(zhì)中帶電粒子的相對運動而發(fā)生極化，但是某些電介質(zhì)晶體也可以在純機械應(yīng)力作用下發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比。這種由于機械應(yīng)力的作用而使晶體發(fā)生極化的現(xiàn)象，稱之為正壓電效應(yīng)。反之，將一塊晶體置于外電場中，在電場的作用下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會發(fā)生位移，這一極化位移又會導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。這種由于外電場的作用而使晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱之為逆壓電效應(yīng)，也稱為電致伸縮效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。

超聲波電動機就是利用逆壓電效應(yīng)進行工作的，圖9-2進一步說明了逆壓電效應(yīng)的作用。當(dāng)外電場的交變頻率與壓電體的機械諧振頻率一致時，壓電體就進入機械諧振狀態(tài)，成為壓電振子。當(dāng)振動頻率在20kHz以上時，就屬于超聲振動。二、橢圓運動及其作用超聲振動是超聲波電動機工作的最基本條件，起驅(qū)動源的作用。但是，并不是任意超聲振動都具有驅(qū)動作用，它必須具備一定的形態(tài)，即振動位移的軌跡是一橢圓時，才具有連續(xù)的定向驅(qū)動作用。

那么，怎樣才能形成橢圓運動呢？設(shè)有兩個空間相互垂直的振動位移ux和uy，均是由簡諧振動形成，振動角頻率ω0為，振幅分別為ζx和ζy，時間相位差為φ，即有（9-1）（9-2）在上式中，當(dāng)時，兩個位移為同向運動，合成軌跡為一條直線；當(dāng)時，其軌跡為一橢圓，并且在時為一規(guī)則橢圓。由此可見，相位差φ

的取值就決定了橢圓運動的旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)φ>0時橢圓運動為順時針方向，當(dāng)φ<0時橢圓運動為逆時針方向。由于橢圓運動的旋轉(zhuǎn)方向決定了定子對轉(zhuǎn)子的撥動方向，所以也就決定了超聲波電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。三、行波的形成及特點上面討論的是一個質(zhì)點橢圓運動的作用。單靠一個質(zhì)點的橢圓運動還不足以推動轉(zhuǎn)子并驅(qū)動一定的負(fù)載，而應(yīng)該依靠一系列質(zhì)點的連續(xù)橢圓運動來推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，也就是說這些質(zhì)點需要進行行波性質(zhì)的運動。

根據(jù)波動學(xué)理論，兩路幅值相等、頻率相同、時間和空間均相差π/2的兩相駐波疊加后，將形成一個合成行波。如圖9-5(a)所示，將極化方向相反的壓電體依次粘貼在彈性體上，當(dāng)在壓電體極化方向施加交變電壓時，壓電體在長度方向?qū)a(chǎn)生交替伸縮形變，在一定的激振電壓頻率下，彈性體上將產(chǎn)生如圖9-5(b)所示的駐波。其數(shù)學(xué)表達式為（9-3）設(shè)在彈性體上同時存在兩相駐波A和B，它們的頻率同為ω0，波幅同為ζ，波長同為λ，并且在時間和空間上均相差π/2，即（9-4）其合成為（9-5）這是一個頻率為ω0、波幅為ζ、波長為λ的行波。

在環(huán)形行波型超聲波電動機中，定子上的壓電陶瓷環(huán)是行波形成的核心，它的電極配置如圖9-6所示。

由兩個駐波疊加而形成行波，這在機理上與電機學(xué)中的旋轉(zhuǎn)磁場理論有諸多相似之處。由第四章“伺服電動機”知道，當(dāng)在單相繞組中通入單相交流電流時產(chǎn)生的是脈振磁場，如果有兩個匝數(shù)相同、空間互差90o電角度的繞組，當(dāng)在其中通入幅值相等、時間相位互差90o的對稱交流電流時，所產(chǎn)生的兩個脈振磁場的合成就是一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于電流的相序。在這里，彈性體中的駐波與單相脈振磁場相對應(yīng)，而合成行波與旋轉(zhuǎn)磁場相對應(yīng)。四、轉(zhuǎn)子運動速度下面通過分析彈性體表面上任意一點的運動軌跡，來確定轉(zhuǎn)子運動的速度。根據(jù)式（9-5），在任意時刻，彈性體表面上某點P的縱向振動位移為（9-6）設(shè)彈性體的厚度為h，則P點的橫向振動位移為（9-7）由以上兩式，得（9-8）由此可見，彈性體表面上任意一點的運動軌跡為橢圓形，這種橢圓運動使得彈性體表面質(zhì)點對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的定向撥動作用，且轉(zhuǎn)子的運動方向與行波方向相反，如圖9-7所示。顯然，如果改變激振電源的電壓極性，便可以改變轉(zhuǎn)子的運動方向。根據(jù)式（9-7），彈性體表面質(zhì)點的橫向運動速度為

（9-9）

橫向速度的最大值應(yīng)出現(xiàn)在行波的波峰或波谷處，此時的表面質(zhì)點沒有縱向速度，且橫向速度與行波方向相反。若定、轉(zhuǎn)子接觸面之間沒有滑動，則轉(zhuǎn)子的運動速度與波峰處質(zhì)點的橫向速度相等，其值為（9-10）負(fù)號表示轉(zhuǎn)子的運動方向與行波方向相反設(shè)行波在定子彈性體中的傳播速度為v，這樣，轉(zhuǎn)子運動速度又可寫為

（9-12）（9-11）激振電壓頻率可見，在行波傳播速度v為恒值的情況下，改變激振電壓的頻率f0可以快速改變轉(zhuǎn)速，但存在一定的非線性。而改變激振電壓的大小，即改變行波的振幅ζ，也可以改變轉(zhuǎn)速。如果忽略壓電體逆壓電效應(yīng)的非線性，則轉(zhuǎn)速可以隨激振電壓作線性變化，這是超聲波電動機變壓調(diào)速的特點。

五、工作特性一般而言，超聲波電動機的工作特性與電磁式直流伺服電動機類似，電動機的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增大而下降，并且呈現(xiàn)一定的非線性。而超聲波電動機的效率則與電磁式電機不同，最大效率出現(xiàn)在低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)域，如圖9-8所示。因此，超聲波電動機非常適合低速運行?？傮w而言，超聲波電動機的效率較低，這是它的一個缺點。目前，環(huán)形行波型超聲波電動機的效率一般不超過50%。超聲波電動機的驅(qū)動控制一、調(diào)速控制方法（1）變頻控制變頻調(diào)速超聲波電動機最為合適，因為電動機工作在諧振點附近，通過調(diào)節(jié)諧振點附近的頻率可以快速控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并且易于實現(xiàn)低速起動。由于工作時諧振頻率可能有漂移，要求有自動跟蹤頻率變化的反饋回路。

（2）變壓控制改變激振電壓的幅值可以直接改變行波的振幅，從而達到調(diào)速的目的，并且調(diào)節(jié)特性線性度較好。但在實際應(yīng)用中一般不采用變壓調(diào)速方案，因為這種方案低速時轉(zhuǎn)矩小，不易起動。如果電壓過低壓電體有可能不起振，而電壓過高又有可能擊穿壓電體。

（3）相位差控制改變兩相激振電壓的相位差可以改變定子彈性體表面質(zhì)點的橢圓運動軌跡，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。這種方案的優(yōu)點是可以方便地控制電動機的轉(zhuǎn)向，但缺點是低速起動困難，并且實現(xiàn)電路較為復(fù)雜。二、驅(qū)動控制電路超聲波電動機利用摩擦傳動，定、轉(zhuǎn)子間的滑動情況不能完全確定。因此，要實現(xiàn)對超聲波電動機轉(zhuǎn)速的精確控制，必須采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于超聲波電動機強烈的非線性，其控制不同于常規(guī)的電磁式電動機，這主要是因為超聲波電動機靠磨擦傳動，定、轉(zhuǎn)子之間的滑動率不能完全確定，并且諧振頻率本身又會隨著溫度而變化，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)及其控制特性都會改變。因此，實際上超聲波電動機的控制是十分復(fù)雜的，其控制策略的研究吸引了不少學(xué)者，目前仍處于探索與發(fā)展之中。超聲波電動機的應(yīng)用

一、超聲波電動機與電磁式電動機的比較（1）基礎(chǔ)理論超聲波電動機是基于剛體的波動理論，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換。由于超聲波電動機的定、轉(zhuǎn)子之間沒有氣隙，其能量完全是通過剛體的變形和接觸來傳遞的，所以超聲波電動機的基礎(chǔ)理論是機械波動理論；電磁式電動機是基于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)理論，其能量是通過定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙來傳遞的，即電磁轉(zhuǎn)矩是由勵磁磁場中的通電電樞導(dǎo)體而產(chǎn)生，所以電磁式電動機的基礎(chǔ)理論是電磁場理論。

（2）運行特性超聲波電動機的突出優(yōu)點就是能實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載運行，但其缺點也比較明顯，主要是超聲波電動機是依靠機械摩擦來傳遞能量，不僅電動機的效率較低，而且使用壽命也較短。據(jù)統(tǒng)計，超聲波電動機的平均壽命大約為2000小時，與電磁式電動機相比，長時間工作的能力還較欠缺。

（3）控制特性從理論上來說，目前超聲波電動機還沒有一個能準(zhǔn)確描述其定子振動過程和轉(zhuǎn)子運動過程的數(shù)學(xué)模型。由于壓電材料的非線性、摩擦發(fā)熱、摩