第四章 電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路課件

1、第四章第四章 電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路電動(dòng)機(jī)基本知識(shí)一、分類常用電動(dòng)機(jī)固定磁阻電動(dòng)機(jī) 變磁阻電動(dòng)機(jī)無磁電動(dòng)機(jī) 直流伺服電機(jī) 交流伺服電機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 超聲波電機(jī)二、特點(diǎn)電磁耦合基于兩個(gè)定理：有關(guān)電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的法拉第定律有關(guān)機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化的電磁感應(yīng)定律三、各類電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)直流電動(dòng)機(jī)：最先應(yīng)用于變速傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，電流電壓關(guān)系式簡單，但價(jià)格昂貴，可靠性低交流電動(dòng)機(jī)：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(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，適用于動(dòng)態(tài)速度快 的場合 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)：在長速度工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛超

2、聲波電動(dòng)機(jī)：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(dòng)機(jī)一、工作原理NSUNSUNSNSUU電刷電刷換向片換向片直流直流電流電流交流交流電流電流電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩(拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩)換向換向機(jī)械機(jī)械負(fù)載負(fù)載旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)克克 服服反電反電動(dòng)勢動(dòng)勢 電磁關(guān)系電磁關(guān)系二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的定子直流電機(jī)的定子 (a) 主磁極主磁極 (b) 機(jī)座機(jī)座 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子 (a) 轉(zhuǎn)子主體轉(zhuǎn)子主體 (b) 電樞鋼片電樞鋼片 直流單機(jī)的機(jī)構(gòu)直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電勵(lì)磁：勵(lì)磁量容易調(diào)整，成本低，效率低永久磁鐵：不需勵(lì)磁功率，效率高，性能好 直流直流伺服

3、電機(jī) 轉(zhuǎn)速或位置反饋裝置 直流電源及驅(qū)動(dòng)電路 接口電路控制電樞繞組中的電流大小和控制電樞繞組中的電流大小和方向，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速方向，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，輸出一定的電磁轉(zhuǎn)矩，和方向，輸出一定的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的大小通過轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速的大小通過轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）檢測并反饋。（編碼器）檢測并反饋。圖 電樞控制原理二、直流伺服電機(jī)的特性二、直流伺服電機(jī)的特性當(dāng)控制電壓恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制電壓變化的關(guān)系圖 直流電機(jī)的靜態(tài)特性三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)在電樞上外加階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化過程，即：n=f(t)

4、或 =f(t) 根據(jù)負(fù)載的大小，選擇小慣量電機(jī)或大慣量電機(jī)（也稱力矩電機(jī)） 和滿足要求 折算到電機(jī)軸的負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于或等于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速穩(wěn)定運(yùn)行，低速或重載 滿足穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求nLMTT轉(zhuǎn)子JJLM 滿足動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求四、直流伺服電機(jī)的調(diào)速四、直流伺服電機(jī)的調(diào)速fLqTTTT其中：Tq為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩T加速過程近似線性過程，則加速轉(zhuǎn)矩為：amamtnJtJdtdJT602其中：nm為最高轉(zhuǎn)速m為最高角速度 頻繁啟制動(dòng)或負(fù)載經(jīng)常變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩均方根值小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)等效發(fā)熱準(zhǔn)則，有：nttTdtTt021其中：Tn為額定轉(zhuǎn)速t為整個(gè)工作時(shí)間

5、（或周期）Tt為瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩有三種調(diào)速方法： （即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)， （即恒功率調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)， 即恒功率調(diào)速），如主軸伺服驅(qū)動(dòng)，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.constITL如進(jìn)給伺服系統(tǒng)如小慣量高速伺服系統(tǒng).constIP三、直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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v1、脈沖寬度調(diào)制功率放大器永磁同步電動(dòng)機(jī)一、結(jié)構(gòu)原理與普通小型直流電動(dòng)機(jī)相同；與普通小型直流電動(dòng)機(jī)相同；SM+Ua IaEIf+Uf SM+Ua IaE永磁式永磁式二、工作原理施加施加 Ua主磁通：主磁通： TnE電磁轉(zhuǎn)

6、矩：電磁轉(zhuǎn)矩： T = CT Ia 電動(dòng)勢：電動(dòng)勢： E = CE n電樞電路電壓方程：電樞電路電壓方程： Ua = E + Ra Ia三、控制方式及其特性 電樞控制式電樞控制式 Uf = UfN ， Ua = Uc（控制電壓）（控制電壓） n =UcCENRaCECTN2TOTn Uc3 Uc2Uc1Uc3Uc2Uc1 機(jī)械特性機(jī)械特性T1 T2 T3 T3T2T1 控制特性控制特性O(shè)Ucn 磁場控制式磁場控制式 Ua = UaN ， Uf = Uc（控制電壓）（控制電壓）忽略磁路飽和、不計(jì)電樞反應(yīng)，則忽略磁路飽和、不計(jì)電樞反應(yīng)，則 = CUf = C Ucn =UaNCECUc Ra CE

7、CT C2Uc2 T Uc3Uc2 Uc1UC3Uc2Uc1 機(jī)械特性機(jī)械特性 控制特性是非線性?？刂铺匦允欠蔷€性。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率 1 600 W。OTn6.4 交流伺服電動(dòng)機(jī)一、基本結(jié)構(gòu)空心杯形轉(zhuǎn)子交空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 內(nèi)定子內(nèi)定子 外定子外定子 繞組繞組 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 二、工作原理當(dāng)兩相繞組分別加上相位相差當(dāng)兩相繞組分別加上相位相差 90o 的額定電壓時(shí)：的額定電壓時(shí)： 對(duì)稱兩相運(yùn)行對(duì)稱兩相運(yùn)行 ic 和和 if 產(chǎn)生產(chǎn)生 圓形旋轉(zhuǎn)磁場圓形旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生產(chǎn)生 T 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 如果如果 uc 反相，即改變反相

8、，即改變 ic 和和 if 的相序的相序旋轉(zhuǎn)磁場改變方向旋轉(zhuǎn)磁場改變方向 n 的方向改變。的方向改變。 同時(shí)減小同時(shí)減小 uc 和和 uf 而保持其而保持其 90o 的相位差的相位差圓形磁通勢圓形磁通勢 的幅值的幅值 T n 。SM 控制繞組控制繞組 勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組 Uc Uf cfIcIf一、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成一、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成包括永磁同步電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)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(jī)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(dòng)的永磁交流伺

9、服系統(tǒng)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的無刷直流伺服系統(tǒng)二、異步交流伺服電機(jī)二、異步交流伺服電機(jī)160fnp轉(zhuǎn)速公式：)1 (60sfnp00nnns其中：f為電源頻率s為轉(zhuǎn)差率p為極對(duì)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(shí)，轉(zhuǎn)矩維持在Tmax,氣隙磁通也在maxfUCfECmaxf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(jī)的外加電壓當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，通過調(diào)節(jié)控制電壓的大小或相位達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，有三種方式：fnp600 調(diào)節(jié)控制電壓幅值大小，改變轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)控制電壓的相位角，改變轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)控制電壓時(shí)，相位角隨之改變，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速目的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)速和控制電壓的關(guān)

10、系曲線圖 交流電機(jī)的靜態(tài)特性控制繞組勵(lì)磁繞組四、交流伺服電機(jī)的矢量控制四、交流伺服電機(jī)的矢量控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，轉(zhuǎn)矩的控制容易，動(dòng)態(tài)性好，而交流電機(jī)的電樞電流不容易得到，轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制較困難，進(jìn)行矢量控制的目的就是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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制五、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇五、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī) 超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)（Ultrasonic Motor USMUltrasonic Motor USM）是）是 2020世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它的基本結(jié)世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它

11、的基本結(jié)構(gòu)及工作原理與傳統(tǒng)電機(jī)完全不同，沒有繞組和磁路，構(gòu)及工作原理與傳統(tǒng)電機(jī)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不以電磁相互作用來傳遞能量，而是基于壓電材料的逆逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)（即（即電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)），利用超聲波振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)），利用超聲波振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 由于這種新型電機(jī)的工作頻率一般在由于這種新型電機(jī)的工作頻率一般在20kHz20kHz以上，所以稱為超聲波電機(jī)。以上，所以稱為超聲波電機(jī)。 超聲波電機(jī)打破了傳統(tǒng)電機(jī)必須由電磁效應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)打破了傳統(tǒng)電機(jī)必須由電磁效應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的固有概念，矩和轉(zhuǎn)速的固有概念，與電磁式

12、電機(jī)相比，超聲波電機(jī)與電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有以下特點(diǎn)：具有以下特點(diǎn)： (1) (1) 體積小，重量輕。體積小，重量輕。 (2) (2) 低速大轉(zhuǎn)矩。低速大轉(zhuǎn)矩。 (3) (3) 響應(yīng)迅速，控制特性好。響應(yīng)迅速，控制特性好。 (4) (4) 有斷電自鎖功能。有斷電自鎖功能。 (5) (5) 與外界無相互電磁干擾。與外界無相互電磁干擾。 (6) (6) 結(jié)構(gòu)形式多樣化。結(jié)構(gòu)形式多樣化。超聲波電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)超聲波電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 超聲波電動(dòng)機(jī)的分類還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按照驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)的分類還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按照驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的機(jī)理可分為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的機(jī)理可分為駐波型駐波型和和行波型行波型兩種。

13、駐波型是兩種。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(dòng)轉(zhuǎn)子利用與壓電材料相連的彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，屬間斷驅(qū)動(dòng)方式；行波型則是在彈性體內(nèi)產(chǎn)生單運(yùn)動(dòng)，屬間斷驅(qū)動(dòng)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(diǎn)的振動(dòng)軌跡來傳遞能量，向的行波，利用行波表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡來傳遞能量，屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)方式。屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)方式。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的基目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)均較為成熟。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(dòng)機(jī)環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖的基本結(jié)構(gòu)如圖9-19-1所示，所示，主要包括定子、轉(zhuǎn)子、壓力彈簧和轉(zhuǎn)軸等部件

14、。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(dòng)機(jī)的工作原理超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理一、逆壓電效應(yīng)簡介一、逆壓電效應(yīng)簡介 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 是是 在在18801880年由法國的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生極化，但是某些電介質(zhì)晶體也可以在純相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生極化，但是某些電介質(zhì)晶體也可以在純機(jī)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)機(jī)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。這種極性相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正

15、比。這種由于機(jī)械應(yīng)力的作用而使晶體發(fā)生極化的現(xiàn)象，稱之為由于機(jī)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)正壓電效應(yīng)。 反之，將一塊晶體置于外電場中，反之，將一塊晶體置于外電場中， 在電場的作用在電場的作用下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會(huì)發(fā)生位移，這一極化位下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會(huì)發(fā)生位移，這一極化位移又會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。這種由于外電場的作用而使移又會(huì)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，稱之為晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱之為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)，也稱為，也稱為電致電致伸縮效應(yīng)伸縮效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 超

16、聲波電動(dòng)機(jī)就是利用逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的超聲波電動(dòng)機(jī)就是利用逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的，圖，圖9-29-2進(jìn)一步說明了逆壓電效應(yīng)的作用。進(jìn)一步說明了逆壓電效應(yīng)的作用。 當(dāng)外電場的交變當(dāng)外電場的交變頻率與壓電體的機(jī)械諧振頻率一致時(shí)，壓電體就進(jìn)入機(jī)頻率與壓電體的機(jī)械諧振頻率一致時(shí)，壓電體就進(jìn)入機(jī)械諧振狀態(tài)，成為械諧振狀態(tài)，成為壓電振子壓電振子。 當(dāng)振動(dòng)頻率在當(dāng)振動(dòng)頻率在20kHz20kHz以上以上時(shí)，就屬于超聲振動(dòng)時(shí)，就屬于超聲振動(dòng)。 二、橢圓運(yùn)動(dòng)及其作用二、橢圓運(yùn)動(dòng)及其作用 超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)機(jī)工作的最基本條件，起驅(qū)機(jī)工作的最基本條件，起驅(qū)動(dòng)源的作用。但是，并不是動(dòng)源的作用。但是，

17、并不是任意超聲振動(dòng)都具有驅(qū)動(dòng)作任意超聲振動(dòng)都具有驅(qū)動(dòng)作用，用， 它必須具備一定的形它必須具備一定的形態(tài)，即態(tài)，即振動(dòng)位移的軌跡是一振動(dòng)位移的軌跡是一橢圓時(shí)，才具有連續(xù)的定向橢圓時(shí)，才具有連續(xù)的定向驅(qū)動(dòng)作用驅(qū)動(dòng)作用。 那么，怎樣才能形成橢圓運(yùn)動(dòng)呢？那么，怎樣才能形成橢圓運(yùn)動(dòng)呢？設(shè)有兩個(gè)空間相設(shè)有兩個(gè)空間相互垂直的振動(dòng)位移互垂直的振動(dòng)位移u ux x和和u uy y，均是由簡諧振動(dòng)形成，均是由簡諧振動(dòng)形成， 振動(dòng)振動(dòng)角頻率角頻率0 0為，振幅分別為為，振幅分別為x和和y，時(shí)間相位差為，時(shí)間相位差為， 即即有有 （9-1）)sin()sin(0yy0 xxtutu（9-2）22y2yyxyx2x2x

18、sincos2uuuu 在上式中，當(dāng)在上式中，當(dāng) 時(shí)，兩個(gè)位移為時(shí)，兩個(gè)位移為同向運(yùn)動(dòng)，合成軌跡為一條直線；當(dāng)同向運(yùn)動(dòng)，合成軌跡為一條直線；當(dāng) 時(shí)，其軌跡時(shí)，其軌跡為一橢圓，并且在為一橢圓，并且在 時(shí)為一規(guī)則橢圓。時(shí)為一規(guī)則橢圓。), 2, 1, 0(nnn2 n 由此可見，相位差由此可見，相位差 的取值就決定了橢圓運(yùn)動(dòng)的旋的取值就決定了橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)轉(zhuǎn)方向，當(dāng)0 時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為順時(shí)針方向，時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為順時(shí)針方向， 當(dāng)當(dāng)0時(shí)橢時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為逆時(shí)針方向。圓運(yùn)動(dòng)為逆時(shí)針方向。由于橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向決定了由于橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向決定了定子對(duì)轉(zhuǎn)子的撥動(dòng)方向，所以也就決定了超聲波電動(dòng)機(jī)定子對(duì)轉(zhuǎn)子的撥動(dòng)

19、方向，所以也就決定了超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。 三、行波的形成及特點(diǎn)三、行波的形成及特點(diǎn) 上面討論的是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的作用。單靠一個(gè)上面討論的是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的作用。單靠一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)還不足以推動(dòng)轉(zhuǎn)子并驅(qū)動(dòng)一定的負(fù)載，質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)還不足以推動(dòng)轉(zhuǎn)子并驅(qū)動(dòng)一定的負(fù)載，而而 應(yīng)該依靠一系列質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)橢圓運(yùn)動(dòng)來推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋應(yīng)該依靠一系列質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)橢圓運(yùn)動(dòng)來推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，也就是說這些質(zhì)點(diǎn)需要進(jìn)行，也就是說這些質(zhì)點(diǎn)需要進(jìn)行行波性質(zhì)行波性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。的運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)波動(dòng)學(xué)理論，兩路幅值相等、頻率相同、時(shí)間根據(jù)波動(dòng)學(xué)理論，兩路幅值相等、頻率相同、時(shí)間和空間均相差和空間均相差/2/2的兩相駐波疊

20、加后，將形成一個(gè)合成的兩相駐波疊加后，將形成一個(gè)合成行波。行波。 如圖如圖9-5(a)9-5(a)所示，將極化方向相反的壓電體依次粘所示，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(shí)，貼在彈性體上，當(dāng)在壓電體極化方向施加交變電壓時(shí)，壓電體在長度方向?qū)a(chǎn)生交替伸縮形變，在一定的激振壓電體在長度方向?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)生如圖電壓頻率下，彈性體上將產(chǎn)生如圖9-5(b)9-5(b)所示的駐波。所示的駐波。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 txy0sin2sin（9-3） 設(shè)在彈性體上同時(shí)存在兩相駐波設(shè)在彈性體上同時(shí)存在兩相駐波A A和和B

21、B，它們的頻率，它們的頻率同為同為0 0，波幅同為，波幅同為，波長同為，波長同為，并且在時(shí)間和空間，并且在時(shí)間和空間上均相差上均相差/2/2，即，即 txytxy0B0Acos2cossin2sin（9-4）其合成為其合成為 AB02( , )cos()y x tyyxt（9-5）這是一個(gè)頻率為這是一個(gè)頻率為0 0、波幅為、波幅為、波長為、波長為的行波。的行波。 在環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)中，定子上的在環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)中，定子上的壓電陶瓷壓電陶瓷環(huán)是行波形成的核心，它的電極配置如圖環(huán)是行波形成的核心，它的電極配置如圖9-69-6所示。所示。 由兩個(gè)駐波疊加而形成行波，這在機(jī)理上與電機(jī)學(xué)由兩

22、個(gè)駐波疊加而形成行波，這在機(jī)理上與電機(jī)學(xué)中的旋轉(zhuǎn)磁場理論有諸多相似之處。中的旋轉(zhuǎn)磁場理論有諸多相似之處。由第四章由第四章“伺服電伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)”知道，當(dāng)在單相繞組中通入單相交流電流時(shí)產(chǎn)生知道，當(dāng)在單相繞組中通入單相交流電流時(shí)產(chǎn)生的是脈振磁場，如果有兩個(gè)匝數(shù)相同、空間互差的是脈振磁場，如果有兩個(gè)匝數(shù)相同、空間互差9090電電角度的繞組，當(dāng)在其中通入幅值相等、時(shí)間相位互差角度的繞組，當(dāng)在其中通入幅值相等、時(shí)間相位互差9090的對(duì)稱交流電流時(shí)，所產(chǎn)生的兩個(gè)脈振磁場的合成的對(duì)稱交流電流時(shí)，所產(chǎn)生的兩個(gè)脈振磁場的合成就是一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于電流就是一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取

23、決于電流的相序。的相序。在這里，彈性體中的駐波與單相脈振磁場相對(duì)在這里，彈性體中的駐波與單相脈振磁場相對(duì)應(yīng)，而合成行波與旋轉(zhuǎn)磁場相對(duì)應(yīng)。應(yīng)，而合成行波與旋轉(zhuǎn)磁場相對(duì)應(yīng)。四、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度四、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度 下面通過分析彈性體表面上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，下面通過分析彈性體表面上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，來確定轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度。來確定轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度。 根據(jù)式（根據(jù)式（9-59-5），在任意時(shí)刻，彈性體表面上某點(diǎn)），在任意時(shí)刻，彈性體表面上某點(diǎn)P P的的縱向振動(dòng)位移縱向振動(dòng)位移為為（9-6）)2cos(),(0ytxtxu設(shè)彈性體的厚度為設(shè)彈性體的厚度為h h，則，則P P點(diǎn)的點(diǎn)的橫向振動(dòng)位移橫向振動(dòng)位移為為 )

24、2sin(),(2),(0 xtxhxtxyhtxu（9-7）由以上兩式，得由以上兩式，得 （9-8）22yx22( , )( , )1(/ )ux tux th 由此可見，彈性體表面上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢由此可見，彈性體表面上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形，這種橢圓運(yùn)動(dòng)使得彈性體表面質(zhì)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連圓形，這種橢圓運(yùn)動(dòng)使得彈性體表面質(zhì)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的續(xù)的定向撥動(dòng)作用定向撥動(dòng)作用， 且轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相且轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反，如圖反，如圖9-79-7所示。所示。 顯然，如果改變激振電源的電壓極顯然，如果改變激振電源的電壓極性，便可以改變轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向。性，便可以改變轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向

25、。 根據(jù)式（根據(jù)式（9-79-7），彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)速度為），彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)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，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(shí)的表面質(zhì)點(diǎn)沒有縱向速度，且橫向速度與行波方向此時(shí)的表面質(zhì)點(diǎn)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(dòng)，則轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)相反。若定、轉(zhuǎn)子接觸面之間沒有滑動(dòng)，則轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)速度與波峰處質(zhì)點(diǎn)的橫向速度相等，其值為速度與波峰處質(zhì)點(diǎn)的橫向速度相等，其值為 )2cos(),(),(00 xxtxhttxutxv0rxmaxhvv （9-10）負(fù)號(hào)表示轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反負(fù)號(hào)表

26、示轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)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設(shè)行波在定子彈性體中的傳播速度為v v，這樣，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度又可寫為這樣，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度又可寫為 （9-12）200 fv（9-11）激振電壓頻率激振電壓頻率 002f22r02hvfv 可見，在行波傳播速度可見，在行波傳播速度v v為恒值的情況下，為恒值的情況下， 改變激改變激振電壓的頻率振電壓的頻率f f0 0可以快速改變轉(zhuǎn)速，但存在一定的非線可以快速改變轉(zhuǎn)速，但存在一定的非線性。而改變激振電壓的大小，即改變行波的振幅性。而改變激振電壓的大小，即改變行波的振幅，也，也可以改變轉(zhuǎn)速。可以改變轉(zhuǎn)速。如果忽略壓電體逆壓電效應(yīng)的非線性，如

27、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(dòng)機(jī)則轉(zhuǎn)速可以隨激振電壓作線性變化，這是超聲波電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速的特點(diǎn)。變壓調(diào)速的特點(diǎn)。 五、工作特性五、工作特性 一般而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的工作特性與電磁式直流一般而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的工作特性與電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)類似，伺服電動(dòng)機(jī)類似， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增大而下電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的效率則降，并且呈現(xiàn)一定的非線性。而超聲波電動(dòng)機(jī)的效率則與電磁式電機(jī)不同，與電磁式電機(jī)不同， 最大效率出現(xiàn)在低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)最大效率出現(xiàn)在低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)域域，如圖，如圖9-89-8所示。因此，

28、所示。因此， 超聲波電動(dòng)機(jī)非常適合低速超聲波電動(dòng)機(jī)非常適合低速運(yùn)行運(yùn)行。 總體而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的效率較低，這是它的一總體而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的效率較低，這是它的一個(gè)缺點(diǎn)。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的效率一般不個(gè)缺點(diǎn)。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的效率一般不超過超過50%50%。超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制一、調(diào)速控制方法一、調(diào)速控制方法 （1 1）變頻控制）變頻控制 變頻調(diào)速超聲波電動(dòng)機(jī)最為合適，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)工作變頻調(diào)速超聲波電動(dòng)機(jī)最為合適，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)工作在諧振點(diǎn)附近，通過調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)附近的頻率可以快速控在諧振點(diǎn)附近，通過調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)附近的頻率可以快速控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并且易于

29、實(shí)現(xiàn)低速起動(dòng)。由于工制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并且易于實(shí)現(xiàn)低速起動(dòng)。由于工作時(shí)諧振頻率可能有漂移，要求有自動(dòng)跟蹤頻率變化的作時(shí)諧振頻率可能有漂移，要求有自動(dòng)跟蹤頻率變化的反饋回路。反饋回路。 （2 2）變壓控制）變壓控制 改變激振電壓的幅值可以直接改變行波的振幅，從改變激振電壓的幅值可以直接改變行波的振幅，從而達(dá)到調(diào)速的目的，并且調(diào)節(jié)特性線性度較好。但在實(shí)而達(dá)到調(diào)速的目的，并且調(diào)節(jié)特性線性度較好。但在實(shí)際應(yīng)用中一般不采用變壓調(diào)速方案，因?yàn)檫@種方案低速際應(yīng)用中一般不采用變壓調(diào)速方案，因?yàn)檫@種方案低速時(shí)轉(zhuǎn)矩小，不易起動(dòng)。如果電壓過低壓電體有可能不起時(shí)轉(zhuǎn)矩小，不易起動(dòng)。如果電壓過低壓電體有可能不起振，而電

30、壓過高又有可能擊穿壓電體。振，而電壓過高又有可能擊穿壓電體。 （3 3）相位差控制）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(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，但缺點(diǎn)是方案的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，但缺點(diǎn)是低速起動(dòng)困難，并且實(shí)現(xiàn)電路較為復(fù)雜。低速起動(dòng)困難，并且實(shí)現(xiàn)電路較為復(fù)雜。二、驅(qū)動(dòng)控制電路二、驅(qū)動(dòng)控制電路 超聲波電動(dòng)機(jī)利用摩擦傳動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子間的滑動(dòng)情超聲波電動(dòng)機(jī)利用摩擦傳動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子間的滑動(dòng)情況不能完全確定。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)

31、超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的況不能完全確定。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，必須采用精確控制，必須采用閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 由于超聲波電動(dòng)機(jī)強(qiáng)烈的非線性，其控制不同于常由于超聲波電動(dòng)機(jī)強(qiáng)烈的非線性，其控制不同于常規(guī)的電磁式電動(dòng)機(jī)，這主要是因?yàn)槌暡妱?dòng)機(jī)靠磨擦規(guī)的電磁式電動(dòng)機(jī)，這主要是因?yàn)槌暡妱?dòng)機(jī)靠磨擦傳動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子之間的滑動(dòng)率不能完全確定，并且諧振傳動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子之間的滑動(dòng)率不能完全確定，并且諧振頻率本身又會(huì)隨著溫度而變化，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)及其控制頻率本身又會(huì)隨著溫度而變化，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)及其控制特性都會(huì)改變。因此，特性都會(huì)改變。因此，實(shí)際上超聲波電動(dòng)機(jī)的控制是十實(shí)際上超聲波電動(dòng)機(jī)的控制是

32、十分復(fù)雜的分復(fù)雜的，其控制策略的研究吸引了不少學(xué)者，目前仍，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。處于探索與發(fā)展之中。 超聲波電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用超聲波電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用 一、超聲波電動(dòng)機(jī)與電磁式電動(dòng)機(jī)的比較一、超聲波電動(dòng)機(jī)與電磁式電動(dòng)機(jī)的比較 （1 1）基礎(chǔ)理論）基礎(chǔ)理論 超聲波電動(dòng)機(jī)是超聲波電動(dòng)機(jī)是基于剛體的波動(dòng)理論基于剛體的波動(dòng)理論，利用壓電晶，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。由于超聲波體的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。由于超聲波電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間沒有氣隙，其能量完全是通過剛電動(dòng)機(jī)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(dòng)

33、機(jī)的基礎(chǔ)理體的變形和接觸來傳遞的，所以超聲波電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論是機(jī)械波動(dòng)理論；電磁式電動(dòng)機(jī)是論是機(jī)械波動(dòng)理論；電磁式電動(dòng)機(jī)是基于傳統(tǒng)的電磁感基于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)理論應(yīng)理論，其能量是通過定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙來傳遞的，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(lì)磁磁場中的通電電樞導(dǎo)體而產(chǎn)生，所即電磁轉(zhuǎn)矩是由勵(lì)磁磁場中的通電電樞導(dǎo)體而產(chǎn)生，所以電磁式電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論是電磁場理論。以電磁式電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論是電磁場理論。 （2 2）運(yùn)行特性）運(yùn)行特性 超聲波電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)超聲波電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載運(yùn)行，但其缺點(diǎn)也比較明顯，主要是超聲波電矩的負(fù)載運(yùn)行

34、，但其缺點(diǎn)也比較明顯，主要是超聲波電動(dòng)機(jī)是依靠機(jī)械摩擦來傳遞能量，不僅電動(dòng)機(jī)的效率較動(dòng)機(jī)是依靠機(jī)械摩擦來傳遞能量，不僅電動(dòng)機(jī)的效率較低，而且使用壽命也較短。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超聲波電動(dòng)機(jī)的平低，而且使用壽命也較短。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超聲波電動(dòng)機(jī)的平均壽命大約為均壽命大約為20002000小時(shí)，小時(shí)，與電磁式電動(dòng)機(jī)相比，長時(shí)間與電磁式電動(dòng)機(jī)相比，長時(shí)間工作的能力還較欠缺。工作的能力還較欠缺。 （3 3）控制特性）控制特性 從理論上來說，從理論上來說，目前超聲波電動(dòng)機(jī)還沒有一個(gè)能準(zhǔn)目前超聲波電動(dòng)機(jī)還沒有一個(gè)能準(zhǔn)確描述其定子振動(dòng)過程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型。確描述其定子振動(dòng)過程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型。由由于壓電材料的

35、非線性、摩擦發(fā)熱、摩擦滑動(dòng)和環(huán)境溫度于壓電材料的非線性、摩擦發(fā)熱、摩擦滑動(dòng)和環(huán)境溫度等的影響，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性變化，等的影響，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的摩擦力將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性變化，這種變化使得精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的難度大大增加。另外，這種變化使得精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的難度大大增加。另外，由于壓電材料特性的不同，每臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電由于壓電材料特性的不同，每臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源都不相同，這樣電機(jī)和電源必須一一配套，不利于大源都不相同，這樣電機(jī)和電源必須一一配套，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。規(guī)模生產(chǎn)。二、超聲波電動(dòng)機(jī)應(yīng)用實(shí)例二、超聲波電動(dòng)機(jī)應(yīng)用實(shí)例 盡管超聲波電動(dòng)機(jī)在一些方面還不盡人意，各類標(biāo)盡管超聲波電動(dòng)機(jī)在一些方面還不盡人意，各類標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一，但是由于其特色鮮明，優(yōu)點(diǎn)突出，經(jīng)過準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一，但是由于其特色鮮明，優(yōu)點(diǎn)突出，經(jīng)過2020多年的研究和發(fā)開，已經(jīng)在航空航天、機(jī)器人、精密多年的研究和發(fā)開，已經(jīng)在航空航天、