第四章 电动机及其驱动电路

第四章电动机及其驱动电路电动机基本知识一、分类常用电动机固定磁阻电动机

变磁阻电动机无磁电动机

直流伺服电机

交流伺服电机

反应式步进电动机

永磁式步进电动机

混合式步进电动机

直线步进电动机

——超声波电机二、特点名称特点直流伺服电动机可控性好、稳定性好、响应快、有电刷接触交流伺服电动机励磁电流小、体积较小、机械强度高、无电刷反应式步进电动机启动和运行频率高、断电时无定位转矩、消耗功率较大。永磁式步进电动机消耗功率较反应电机小、需正负脉冲供电、启动和运行频率较小、有定位转矩混合式步进电动机启动和运行频率较高、需正负脉冲供电、消耗功率较小、有定位转矩直线步进电动机提供直线运动、结构简单、惯量小超声波电动机低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、无输入自锁电磁耦合基于两个定理：有关电能向机械能转化的法拉第定律有关机械能向电能转化的电磁感应定律三、各类电动机特点直流电动机：最先应用于变速传动的电动机，电流电压关系式简单，但价格昂贵，可靠性低交流电动机：本质较为简单，精确控制较复杂，由于集成电路的发展逐步取代直流电机永磁同步电动机：转动惯量低，适用于动态速度快的场合交流感应电动机：在长速度工业领域中应用最广泛超声波电动机：利用压电陶瓷逆电效应，适应低速大转矩、无电磁干扰直流电动机一、工作原理NS－U＋NS＋U－NSNS＋U－＋U－电刷换向片直流电流交流电流电磁转矩(拖动转矩)换向机械负载Φ旋转克服反电动势做功电磁关系二、直流电机的基本结构

直流电机的定子

(a)主磁极

(b)机座

直流电机的转子

(a)转子主体

(b)电枢钢片

直流单机的机构直流伺服电机及其驱动系统直流伺服电机类型电励磁：励磁量容易调整，成本低，效率低永久磁铁：不需励磁功率，效率高，性能好驱动系统组成：直流伺服电机转速或位置反馈装置直流电源及驱动电路接口电路电枢控制原理：控制电枢绕组中的电流大小和方向，就可以控制电机的转速和方向，输出一定的电磁转矩，转速的大小通过转速传感器（编码器）检测并反馈。图电枢控制原理二、直流伺服电机的特性

机械特性

调节特性当控制电压恒定时，电机的转速与转矩变化的关系静态特性：当电磁转矩恒定时，电机的转速与控制电压变化的关系图直流电机的静态特性三、直流伺服电机驱动系统设计动态特性：当在电枢上外加阶跃电压时，转速随时间的变化过程，即：n=f(t)或=f(t)1、直流电机的选择2、设计的要求根据负载的大小，选择小惯量电机或大惯量电机（也称力矩电机）

稳态转矩和动态转矩满足要求折算到电机轴的负载总转动惯量小于或等于电机的转动惯量启动、制动、加速、减速稳定运行，低速或重载满足稳态转矩要求1、2、满足动态转矩要求四、直流伺服电机的调速其中：Tq为启动转矩TL为负载转矩为加速转矩Tf为摩擦转矩加速过程近似线性过程，则加速转矩为：其中：nm为最高转速为最高角速度频繁启制动或负载经常变化时，转矩均方根值小于电机额定转矩根据等效发热准则，有：其中：Tn为额定转速t为整个工作时间（或周期）Tt为瞬时转矩有三种调速方法：

电枢控制调速（即恒转矩调速）：不同的转速时，

磁场控制调速（即恒功率调速）：不同的转速时，

混合调速（即恒功率调速），如主轴伺服驱动，在额定转速以下为恒转矩调速，在额定转速以上为恒功率调速.如进给伺服系统如小惯量高速伺服系统三、直流电动机的驱动电路1、线性直流功率放大器双极型功率放大器a)T形b)H桥型H形PWM功率放大器控制原理图1、脉冲宽度调制功率放大器永磁同步电动机一、结构原理与普通小型直流电动机相同；SM+Ua－IaEIf+Uf－

SM+Ua－IaE永磁式二、工作原理施加

Ua主磁通：

ΦT→n→E电磁转矩：T

=CTΦ

Ia

电动势：E

=CEΦ

n电枢电路电压方程：Ua

=E+Ra

Ia三、控制方式及其特性①电枢控制式

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制电压）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TOTn

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1机械特性T1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性OUcn②磁场控制式Ua

=UaN，Uf

=Uc（控制电压）忽略磁路饱和、不计电枢反应，则Φ=CφUf=CφUcn=UaNCECφUc

－RaCECTCφ2Uc2T

Uc3Uc2Uc1UC3＞Uc2＞Uc1机械特性

控制特性是非线性。直流伺服电动机的功率1~600W。OTn6.4交流伺服电动机一、基本结构空心杯形转子交流伺服电动机的结构示意图转子内定子外定子绕组转轴二、工作原理当两相绕组分别加上相位相差90o的额定电压时：

对称两相运行→ic和if产生圆形旋转磁场→产生T→转子旋转。如果uc反相，即改变ic和if的相序→旋转磁场改变方向→n的方向改变。同时减小uc和uf而保持其90o的相位差→圆形磁通势的幅值→T→n

。SM~控制绕组励磁绕组＋Uc－＋Uf－cfIcIf一、交流伺服驱动系统组成由伺服电机和伺服驱动器组成伺服电机包括永磁同步电机、鼠笼式异步电机、无刷直流电机伺服驱动器采用电流型脉宽调制（PWM）三相逆变器、电流环为内环、速度环为外环的多环闭环控制系统按照伺服电机类型将交流伺服系统分为两大类：转速公式同步型交流伺服系统（SM）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统矩形波电流驱动的无刷直流伺服系统二、异步交流伺服电机转速公式：其中：f为电源频率s为转差率p为极对数n0为同步转速：通常采取恒转矩调速：即在调速时，转矩维持在Tmax,气隙磁通也在f为加在定子绕组的电源频率E为定子绕组的电势C为常数其中：U为电机的外加电压控制方式当负载转矩一定时，通过调节控制电压的大小或相位达到改变电机转速的目的，有三种方式：

幅值控制：调节控制电压幅值大小，改变转速

相位控制：调节控制电压的相位角，改变转速

幅值相位控制（电容控制）：调节控制电压时，相位角随之改变，达到改变转速目的工作特性1、机械特性：转速和电磁转矩的关系曲线

2、调节特性：转速和控制电压的关系曲线图交流电机的静态特性控制绕组励磁绕组四、交流伺服电机的矢量控制直流电机转矩与电枢电流成正比，转矩的控制容易，动态性好，而交流电机的电枢电流不容易得到，转矩的动态控制较困难，进行矢量控制的目的就是模拟直流电机的转矩控制规律三相交流量两相交流量交流/直流变换逆变换等效直流量还原三相交流量实现转矩和转速控制五、交流伺服驱动系统的选择电机选择成本转矩惯量比功率密度调速范围对传感器要求转矩脉动性转矩速度曲线超声波电动机超声波电动机的基本结构超声波电动机的工作原理超声波电动机的驱动控制超声波电动机的应用

超声波电动机（UltrasonicMotor—USM）是20世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它的基本结构及工作原理与传统电机完全不同，没有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的逆压电效应（即电致伸缩效应），利用超声波振动来实现机电能量转换。由于这种新型电机的工作频率一般在20kHz以上，所以称为超声波电机。超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念，与电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点：(1)体积小，重量轻。(2)低速大转矩。(3)响应迅速，控制特性好。(4)有断电自锁功能。(5)与外界无相互电磁干扰。(6)结构形式多样化。超声波电动机的基本结构超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转子运动的机理可分为驻波型和行波型两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动方式；行波型则是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。目前，环形行波型超声波电动机的基础理论和应用技术均较为成熟。

环形行波型超声波电动机的基本结构如图9-1所示，主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。超声波电动机的工作原理一、逆压电效应简介压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称之为正压电效应。反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称之为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。

超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的，图9-2进一步说明了逆压电效应的作用。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态，成为压电振子。当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。二、椭圆运动及其作用超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。但是，并不是任意超声振动都具有驱动作用，它必须具备一定的形态，即振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。

那么，怎样才能形成椭圆运动呢？设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成，振动角频率ω0为，振幅分别为ζx和ζy，时间相位差为φ，即有（9-1）（9-2）在上式中，当时，两个位移为同向运动，合成轨迹为一条直线；当时，其轨迹为一椭圆，并且在时为一规则椭圆。由此可见，相位差φ

的取值就决定了椭圆运动的旋转方向，当φ>0时椭圆运动为顺时针方向，当φ<0时椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，所以也就决定了超声波电动机的转子转向。三、行波的形成及特点上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转，也就是说这些质点需要进行行波性质的运动。

根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空间均相差π/2的两相驻波叠加后，将形成一个合成行波。如图9-5(a)所示，将极化方向相反的压电体依次粘贴在弹性体上，当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率下，弹性体上将产生如图9-5(b)所示的驻波。其数学表达式为（9-3）设在弹性体上同时存在两相驻波A和B，它们的频率同为ω0，波幅同为ζ，波长同为λ，并且在时间和空间上均相差π/2，即（9-4）其合成为（9-5）这是一个频率为ω0、波幅为ζ、波长为λ的行波。

在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心，它的电极配置如图9-6所示。

由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学中的旋转磁场理论有诸多相似之处。由第四章“伺服电动机”知道，当在单相绕组中通入单相交流电流时产生的是脉振磁场，如果有两个匝数相同、空间互差90º电角度的绕组，当在其中通入幅值相等、时间相位互差90º的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序。在这里，弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应，而合成行波与旋转磁场相对应。四、转子运动速度下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹，来确定转子运动的速度。根据式（9-5），在任意时刻，弹性体表面上某点P的纵向振动位移为（9-6）设弹性体的厚度为h，则P点的横向振动位移为（9-7）由以上两式，得（9-8）由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续的定向拨动作用，且转子的运动方向与行波方向相反，如图9-7所示。显然，如果改变激振电源的电压极性，便可以改变转子的运动方向。根据式（9-7），弹性体表面质点的横向运动速度为

（9-9）

横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处，此时的表面质点没有纵向速度，且横向速度与行波方向相反。若定、转子接触面之间没有滑动，则转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为（9-10）负号表示转子的运动方向与行波方向相反设行波在定子弹性体中的传播速度为v，这样，转子运动速度又可写为

（9-12）（9-11）激振电压频率可见，在行波传播速度v为恒值的情况下，改变激振电压的频率f0可以快速改变转速，但存在一定的非线性。而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅ζ，也可以改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转速可以随激振电压作线性变化，这是超声波电动机变压调速的特点。

五、工作特性一般而言，超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，电动机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率则与电磁式电机不同，最大效率出现在低速、大转矩区域，如图9-8所示。因此，超声波电动机非常适合低速运行。总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一个缺点。目前，环形行波型超声波电动机的效率一般不超过50%。超声波电动机的驱动控制一、调速控制方法（1）变频控制变频调速超声波电动机最为合适，因为电动机工作在谐振点附近，通过调节谐振点附近的频率可以快速控制电机的转矩和转速，并且易于实现低速起动。由于工作时谐振频率可能有漂移，要求有自动跟踪频率变化的反馈回路。

（2）变压控制改变激振电压的幅值可以直接改变行波的振幅，从而达到调速的目的，并且调节特性线性度较好。但在实际应用中一般不采用变压调速方案，因为这种方案低速时转矩小，不易起动。如果电压过低压电体有可能不起振，而电压过高又有可能击穿压电体。

（3）相位差控制改变两相激振电压的相位差可以改变定子弹性体表面质点的椭圆运动轨迹，从而改变电动机的转速。这种方案的优点是可以方便地控制电动机的转向，但缺点是低速起动困难，并且实现电路较为复杂。二、驱动控制电路超声波电动机利用摩擦传动，定、转子间的滑动情况不能完全确定。因此，要实现对超声波电动机转速的精确控制，必须采用闭环控制系统。由于超声波电动机强烈的非线性，其控制不同于常规的电磁式电动机，这主要是因为超声波电动机靠磨擦传动，定、转子之间的滑动率不能完全确定，并且谐振频率本身又会随着温度而变化，导致系统参数及其控制特性都会改变。因此，实际上超声波电动机的控制是十分复杂的，其控制策略的研究吸引了不少学者，目前仍处于探索与发展之中。超声波电动机的应用

一、超声波电动机与电磁式电动机的比较（1）基础理论超声波电动机是基于刚体的波动理论，利用压电晶体的逆压电效应实现电能到机械能的转换。由于超声波电动机的定、转子之间没有气隙，其能量完全是通过刚体的变形和接触来传递的，所以超声波电动机的基础理论是机械波动理论；电磁式电动机是基于传统的电磁感应理论，其能量是通过定、转子之间的气隙来传递的，即电磁转矩是由励磁磁场中的通电电枢导体而产生，所以电磁式电动机的基础理论是电磁场理论。

（2）运行特性超声波电动机的突出优点就是能实现低转速、大转矩的负载运行，但其缺点也比较明显，主要是超声波电动机是依靠机械摩擦来传递能量，不仅电动机的效率较低，而且使用寿命也较短。据统计，超声波电动机的平均寿命大约为2000小时，与电磁式电动机相比，长时间工作的能力还较欠缺。

（3）控制特性从理论上来说，目前超声波电动机还没有一个能准确描述其定子振动过程和转子运动过程的数学模型。由于压电材料的非线性、摩擦发热、摩