1、第四章第四章 電動機及其驅動電路電動機及其驅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、特點電磁耦合基于兩個定理：有關電能向機械能轉化的法拉第定律有關機械能向電能轉化的電磁感應定律三、各類電動機特點直流電動機：最先應用于變速傳動的電動機，電流電壓關系式簡單，但價格昂貴，可靠性低交流電動機：本質較為簡單，精確控制較復雜，由于集成電路的發展逐步取代直流電機永磁同步電動機：轉動慣量低，適用于動態速度快 的場合 交流感應電動機：在長速度工業領域中應用最廣泛超

2、聲波電動機：利用壓電陶瓷逆電效應，適應低速大轉矩、無電磁干擾 直流電動機一、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矩電磁轉矩(拖動轉矩拖動轉矩)換向換向機械機械負載負載旋轉旋轉克克 服服反電反電動勢動勢 電磁關系電磁關系二、直流電機的基本結構 直流電機的定子直流電機的定子 (a) 主磁極主磁極 (b) 機座機座 直流電機的轉子直流電機的轉子 (a) 轉子主體轉子主體 (b) 電樞鋼片電樞鋼片 直流單機的機構直流伺服電機及其驅動系統直流伺服電機及其驅動系統電勵磁：勵磁量容易調整，成本低，效率低永久磁鐵：不需勵磁功率，效率高，性能好 直流直流伺服

3、電機 轉速或位置反饋裝置 直流電源及驅動電路 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，就可以控制電機的轉速方向，就可以控制電機的轉速和方向，輸出一定的電磁轉矩，和方向，輸出一定的電磁轉矩，轉速的大小通過轉速傳感器轉速的大小通過轉速傳感器（編碼器）檢測并反饋。（編碼器）檢測并反饋。圖 電樞控制原理二、直流伺服電機的特性二、直流伺服電機的特性當控制電壓恒定時，電機的轉速與轉矩變化的關系當電磁轉矩恒定時，電機的轉速與控制電壓變化的關系圖 直流電機的靜態特性三、直流伺服電機驅動系統設計三、直流伺服電機驅動系統設計當在電樞上外加階躍電壓時，轉速隨時間的變化過程，即：n=f(t)

4、或 =f(t) 根據負載的大小，選擇小慣量電機或大慣量電機（也稱力矩電機） 和滿足要求 折算到電機軸的負載總轉動慣量小于或等于電機的轉動慣量啟動、制動、加速、減速穩定運行，低速或重載 滿足穩態轉矩要求nLMTT轉子JJLM 滿足動態轉矩要求四、直流伺服電機的調速四、直流伺服電機的調速fLqTTTT其中：Tq為啟動轉矩TL為負載轉矩為加速轉矩Tf為摩擦轉矩T加速過程近似線性過程，則加速轉矩為：amamtnJtJdtdJT602其中：nm為最高轉速m為最高角速度 頻繁啟制動或負載經常變化時，轉矩均方根值小于電機額定轉矩根據等效發熱準則，有：nttTdtTt021其中：Tn為額定轉速t為整個工作時間

5、（或周期）Tt為瞬時轉矩有三種調速方法： （即恒轉矩調速）：不同的轉速時， （即恒功率調速）：不同的轉速時， 即恒功率調速），如主軸伺服驅動，在額定轉速以下為恒 轉矩調速，在額定轉速以上為恒功率調速.constITL如進給伺服系統如小慣量高速伺服系統.constIP三、直流電動機的驅動電路 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v1、脈沖寬度調制功率放大器永磁同步電動機一、結構原理與普通小型直流電動機相同；與普通小型直流電動機相同；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

6、矩：電磁轉矩： T = CT Ia 電動勢：電動勢： 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 機械特性機械特性T1 T2 T3 T3T2T1 控制特性控制特性OUcn 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、不計電樞反應，則忽略磁路飽和、不計電樞反應，則 = CUf = C Ucn =UaNCECUc Ra CE

7、CT C2Uc2 T Uc3Uc2 Uc1UC3Uc2Uc1 機械特性機械特性 控制特性是非線性。控制特性是非線性。 直流伺服電動機的功率直流伺服電動機的功率 1 600 W。OTn6.4 交流伺服電動機一、基本結構空心杯形轉子交空心杯形轉子交流伺服電動機的流伺服電動機的結構示意圖結構示意圖轉子轉子 內定子內定子 外定子外定子 繞組繞組 轉軸轉軸 二、工作原理當兩相繞組分別加上相位相差當兩相繞組分別加上相位相差 90o 的額定電壓時：的額定電壓時： 對稱兩相運行對稱兩相運行 ic 和和 if 產生產生 圓形旋轉磁場圓形旋轉磁場產生產生 T 轉子旋轉。轉子旋轉。 如果如果 uc 反相，即改變反相

8、，即改變 ic 和和 if 的相序的相序旋轉磁場改變方向旋轉磁場改變方向 n 的方向改變。的方向改變。 同時減小同時減小 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 勵磁繞組勵磁繞組 Uc Uf cfIcIf一、交流伺服驅動系統組成一、交流伺服驅動系統組成由伺服電機和伺服驅動器組成包括永磁同步電機、鼠籠式異步電機、無刷直流電機采用電流型脈寬調制（PWM）三相逆變器、電流環為內環、速度環為外環的多環閉環控制系統按照伺服電機類型將交流伺服系統分為兩大類：轉速公式同步型交流伺服系統（SM）正弦波電流驅動的永磁交流伺

9、服系統矩形波電流驅動的無刷直流伺服系統二、異步交流伺服電機二、異步交流伺服電機160fnp轉速公式：)1 (60sfnp00nnns其中：f為電源頻率s為轉差率p為極對數n0為同步轉速：通常采取恒轉矩調速：即在調速時，轉矩維持在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為常數其中：U為電機的外加電壓當負載轉矩一定時，通過調節控制電壓的大小或相位達到改變電機轉速的目的，有三種方式：fnp600 調節控制電壓幅值大小，改變轉速 調節控制電壓的相位角，改變轉速 調節控制電壓時，相位角隨之改變，達到改變轉速目的轉速和電磁轉矩的關系曲線轉速和控制電壓的關

10、系曲線圖 交流電機的靜態特性控制繞組勵磁繞組四、交流伺服電機的矢量控制四、交流伺服電機的矢量控制直流電機轉矩與電樞電流成正比，轉矩的控制容易，動態性好，而交流電機的電樞電流不容易得到，轉矩的動態控制較困難，進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現轉矩和轉速控制五、交流伺服驅動系統的選擇五、交流伺服驅動系統的選擇超聲波電動機超聲波電動機 超聲波電動機超聲波電動機（Ultrasonic Motor USMUltrasonic Motor USM）是）是 2020世紀末發展起來的一種新的微型驅動電機，它的基本結世紀末發展起來的一種新的微型驅動電機，它

11、的基本結構及工作原理與傳統電機完全不同，沒有繞組和磁路，構及工作原理與傳統電機完全不同，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壓電效應（即（即電致伸縮效應電致伸縮效應），利用超聲波振動來實現），利用超聲波振動來實現機電能量轉換。機電能量轉換。 由于這種新型電機的工作頻率一般在由于這種新型電機的工作頻率一般在20kHz20kHz以上，所以稱為超聲波電機。以上，所以稱為超聲波電機。 超聲波電機打破了傳統電機必須由電磁效應產生轉超聲波電機打破了傳統電機必須由電磁效應產生轉矩和轉速的固有概念，矩和轉速的固有概念，與電磁式

12、電機相比，超聲波電機與電磁式電機相比，超聲波電機具有以下特點：具有以下特點： (1) (1) 體積小，重量輕。體積小，重量輕。 (2) (2) 低速大轉矩。低速大轉矩。 (3) (3) 響應迅速，控制特性好。響應迅速，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) 結構形式多樣化。結構形式多樣化。超聲波電動機的基本結構超聲波電動機的基本結構 超聲波電動機的分類還沒有統一的標準，按照驅動超聲波電動機的分類還沒有統一的標準，按照驅動轉子運動的機理可分為轉子運動的機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激發的駐波來推動轉子利用與壓電材料相連的彈性體內激發的駐波來推動轉子運動，屬間斷驅動方式；行波型則是在彈性體內產生單運動，屬間斷驅動方式；行波型則是在彈性體內產生單向的行波，利用行波表面質點的振動軌跡來傳遞能量，向的行波，利用行波表面質點的振動軌跡來傳遞能量，屬連續驅動方式。屬連續驅動方式。目前，環形行波型超聲波電動機的基目前，環形行波型超聲波電動機的基礎理論和應用技術均較為成熟。礎理論和應用技術均較為成熟。 環形行波型超聲波電動機環形行波型超聲波電動機的基本結構如圖的基本結構如圖9-19-1所示，所示，主要包括定子、轉子、壓力彈簧和轉軸等部件

14、。主要包括定子、轉子、壓力彈簧和轉軸等部件。 超聲波電動機的工作原理超聲波電動機的工作原理一、逆壓電效應簡介一、逆壓電效應簡介 壓電效應壓電效應 是是 在在18801880年由法國的居里兄弟首先發現年由法國的居里兄弟首先發現的。一般在電場作用下，可以引起電介質中帶電粒子的的。一般在電場作用下，可以引起電介質中帶電粒子的相對運動而發生極化，但是某些電介質晶體也可以在純相對運動而發生極化，但是某些電介質晶體也可以在純機械應力作用下發生極化，并導致介質兩端表面內出現機械應力作用下發生極化，并導致介質兩端表面內出現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。這種由于機械應力的作用而使晶體發生極化的現象，稱之為由于機械應力的作用而使晶體發生極化的現象，稱之為正壓電效應正壓電效應。 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，晶體內部正負電荷的重心會發生位移，這一極化位下，晶體內部正負電荷的重心會發生位移，這一極化位移又會導致晶體發生形變。這種由于外電場的作用而使移又會導致晶體發生形變。這種由于外電場的作用而使晶體發生形變的現象，稱之為晶體發生形變的現象，稱之為逆壓電效應逆壓電效應，也稱為，也稱為電致電致伸縮效應伸縮效應。正壓電效應和逆壓電效應統稱為。正壓電效應和逆壓電效應統稱為壓電效應壓電效應。 超

16、聲波電動機就是利用逆壓電效應進行工作的超聲波電動機就是利用逆壓電效應進行工作的，圖，圖9-29-2進一步說明了逆壓電效應的作用。進一步說明了逆壓電效應的作用。 當外電場的交變當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，成為械諧振狀態，成為壓電振子壓電振子。 當振動頻率在當振動頻率在20kHz20kHz以上以上時，就屬于超聲振動時，就屬于超聲振動。 二、橢圓運動及其作用二、橢圓運動及其作用 超聲振動是超聲波電動超聲振動是超聲波電動機工作的最基本條件，起驅機工作的最基本條件，起驅動源的作用。但是，并不是動源的作用。但是，

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

18、sincos2uuuu 在上式中，當在上式中，當 時，兩個位移為時，兩個位移為同向運動，合成軌跡為一條直線；當同向運動，合成軌跡為一條直線；當 時，其軌跡時，其軌跡為一橢圓，并且在為一橢圓，并且在 時為一規則橢圓。時為一規則橢圓。), 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動的旋的取值就決定了橢圓運動的旋轉方向，當轉方向，當0 時橢圓運動為順時針方向，時橢圓運動為順時針方向， 當當0時橢時橢圓運動為逆時針方向。圓運動為逆時針方向。由于橢圓運動的旋轉方向決定了由于橢圓運動的旋轉方向決定了定子對轉子的撥動方向，所以也就決定了超聲波電動機定子對轉子的撥動

19、方向，所以也就決定了超聲波電動機的轉子轉向。的轉子轉向。 三、行波的形成及特點三、行波的形成及特點 上面討論的是一個質點橢圓運動的作用。單靠一個上面討論的是一個質點橢圓運動的作用。單靠一個質點的橢圓運動還不足以推動轉子并驅動一定的負載，質點的橢圓運動還不足以推動轉子并驅動一定的負載，而而 應該依靠一系列質點的連續橢圓運動來推動轉子旋應該依靠一系列質點的連續橢圓運動來推動轉子旋轉轉，也就是說這些質點需要進行，也就是說這些質點需要進行行波性質行波性質的運動。的運動。 根據波動學理論，兩路幅值相等、頻率相同、時間根據波動學理論，兩路幅值相等、頻率相同、時間和空間均相差和空間均相差/2/2的兩相駐波疊

20、加后，將形成一個合成的兩相駐波疊加后，將形成一個合成行波。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，當在壓電體極化方向施加交變電壓時，貼在彈性體上，當在壓電體極化方向施加交變電壓時，壓電體在長度方向將產生交替伸縮形變，在一定的激振壓電體在長度方向將產生交替伸縮形變，在一定的激振電壓頻率下，彈性體上將產生如圖電壓頻率下，彈性體上將產生如圖9-5(b)9-5(b)所示的駐波。所示的駐波。其數學表達式為其數學表達式為 txy0sin2sin（9-3） 設在彈性體上同時存在兩相駐波設在彈性體上同時存在兩相駐波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，并且在時間和空間，并且在時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）這是一個頻率為這是一個頻率為0 0、波幅為、波幅為、波長為、波長為的行波。的行波。 在環形行波型超聲波電動機中，定子上的在環形行波型超聲波電動機中，定子上的壓電陶瓷壓電陶瓷環是行波形成的核心，它的電極配置如圖環是行波形成的核心，它的電極配置如圖9-69-6所示。所示。 由兩個駐波疊加而形成行波，這在機理上與電機學由兩

22、個駐波疊加而形成行波，這在機理上與電機學中的旋轉磁場理論有諸多相似之處。中的旋轉磁場理論有諸多相似之處。由第四章由第四章“伺服電伺服電動機動機”知道，當在單相繞組中通入單相交流電流時產生知道，當在單相繞組中通入單相交流電流時產生的是脈振磁場，如果有兩個匝數相同、空間互差的是脈振磁場，如果有兩個匝數相同、空間互差9090電電角度的繞組，當在其中通入幅值相等、時間相位互差角度的繞組，當在其中通入幅值相等、時間相位互差9090的對稱交流電流時，所產生的兩個脈振磁場的合成的對稱交流電流時，所產生的兩個脈振磁場的合成就是一個圓形的旋轉磁場，旋轉磁場的轉向取決于電流就是一個圓形的旋轉磁場，旋轉磁場的轉向取

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在這里，彈性體中的駐波與單相脈振磁場相對應，而合成行波與旋轉磁場相對應。應，而合成行波與旋轉磁場相對應。四、轉子運動速度四、轉子運動速度 下面通過分析彈性體表面上任意一點的運動軌跡，下面通過分析彈性體表面上任意一點的運動軌跡，來確定轉子運動的速度。來確定轉子運動的速度。 根據式（根據式（9-59-5），在任意時刻，彈性體表面上某點），在任意時刻，彈性體表面上某點P P的的縱向振動位移縱向振動位移為為（9-6）)2cos(),(0ytxtxu設彈性體的厚度為設彈性體的厚度為h h，則，則P P點的點的橫向振動位移橫向振動位移為為 )

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的運動軌跡為橢由此可見，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點對轉子產生連圓形，這種橢圓運動使得彈性體表面質點對轉子產生連續的續的定向撥動作用定向撥動作用， 且轉子的運動方向與行波方向相且轉子的運動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，便可以改變轉子的運動方向。性，便可以改變轉子的運動方向

25、。 根據式（根據式（9-79-7），彈性體表面質點的橫向運動速度為），彈性體表面質點的橫向運動速度為 （9-9） 橫向速度的最大值應出現在行波的波峰或波谷處，橫向速度的最大值應出現在行波的波峰或波谷處，此時的表面質點沒有縱向速度，且橫向速度與行波方向此時的表面質點沒有縱向速度，且橫向速度與行波方向相反。若定、轉子接觸面之間沒有滑動，則轉子的運動相反。若定、轉子接觸面之間沒有滑動，則轉子的運動速度與波峰處質點的橫向速度相等，其值為速度與波峰處質點的橫向速度相等，其值為 )2cos(),(),(00 xxtxhttxutxv0rxmaxhvv （9-10）負號表示轉子的運動方向與行波方向相反負號表

26、示轉子的運動方向與行波方向相反 設行波在定子彈性體中的傳播速度為設行波在定子彈性體中的傳播速度為v v，這樣，轉子運動速度又可寫為這樣，轉子運動速度又可寫為 （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可以快速改變轉速，但存在一定的非線可以快速改變轉速，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，也可以改變轉速?？梢愿淖冝D速。如果忽略壓電體逆壓電效應的非線性，如

27、果忽略壓電體逆壓電效應的非線性，則轉速可以隨激振電壓作線性變化，這是超聲波電動機則轉速可以隨激振電壓作線性變化，這是超聲波電動機變壓調速的特點。變壓調速的特點。 五、工作特性五、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，伺服電動機類似， 電動機的轉速隨著轉矩的增大而下電動機的轉速隨著轉矩的增大而下降，并且呈現一定的非線性。而超聲波電動機的效率則降，并且呈現一定的非線性。而超聲波電動機的效率則與電磁式電機不同，與電磁式電機不同， 最大效率出現在低速、大轉矩區最大效率出現在低速、大轉矩區域域，如圖，如圖9-89-8所示。因此，

28、所示。因此， 超聲波電動機非常適合低速超聲波電動機非常適合低速運行運行。 總體而言，超聲波電動機的效率較低，這是它的一總體而言，超聲波電動機的效率較低，這是它的一個缺點。目前，環形行波型超聲波電動機的效率一般不個缺點。目前，環形行波型超聲波電動機的效率一般不超過超過50%50%。超聲波電動機的驅動控制超聲波電動機的驅動控制一、調速控制方法一、調速控制方法 （1 1）變頻控制）變頻控制 變頻調速超聲波電動機最為合適，因為電動機工作變頻調速超聲波電動機最為合適，因為電動機工作在諧振點附近，通過調節諧振點附近的頻率可以快速控在諧振點附近，通過調節諧振點附近的頻率可以快速控制電機的轉矩和轉速，并且易于

29、實現低速起動。由于工制電機的轉矩和轉速，并且易于實現低速起動。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。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，從而達到調速的目的，并且調節特性線性度較好。但在實而達到調速的目的，并且調節特性線性度較好。但在實際應用中一般不采用變壓調速方案，因為這種方案低速際應用中一般不采用變壓調速方案，因為這種方案低速時轉矩小，不易起動。如果電壓過低壓電體有可能不起時轉矩小，不易起動。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點的橢圓運動軌跡，從而改變電動機的轉速。這種面質點的橢圓運動軌跡，從而改變電動機的轉速。這種方案的優點是可以方便地控制電動機的轉向，但缺點是方案的優點是可以方便地控制電動機的轉向，但缺點是低速起動困難，并且實現電路較為復雜。低速起動困難，并且實現電路較為復雜。二、驅動控制電路二、驅動控制電路 超聲波電動機利用摩擦傳動，定、轉子間的滑動情超聲波電動機利用摩擦傳動，定、轉子間的滑動情況不能完全確定。因此，要實現對

31、超聲波電動機轉速的況不能完全確定。因此，要實現對超聲波電動機轉速的精確控制，必須采用精確控制，必須采用閉環控制系統閉環控制系統。 由于超聲波電動機強烈的非線性，其控制不同于常由于超聲波電動機強烈的非線性，其控制不同于常規的電磁式電動機，這主要是因為超聲波電動機靠磨擦規的電磁式電動機，這主要是因為超聲波電動機靠磨擦傳動，定、轉子之間的滑動率不能完全確定，并且諧振傳動，定、轉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，導致系統參數及其控制頻率本身又會隨著溫度而變化，導致系統參數及其控制特性都會改變。因此，特性都會改變。因此，實際上超聲波電動機的控制是十實際上超聲波電動機的控制是

32、十分復雜的分復雜的，其控制策略的研究吸引了不少學者，目前仍，其控制策略的研究吸引了不少學者，目前仍處于探索與發展之中。處于探索與發展之中。 超聲波電動機的應用超聲波電動機的應用 一、超聲波電動機與電磁式電動機的比較一、超聲波電動機與電磁式電動機的比較 （1 1）基礎理論）基礎理論 超聲波電動機是超聲波電動機是基于剛體的波動理論基于剛體的波動理論，利用壓電晶，利用壓電晶體的逆壓電效應實現電能到機械能的轉換。由于超聲波體的逆壓電效應實現電能到機械能的轉換。由于超聲波電動機的定、轉子之間沒有氣隙，其能量完全是通過剛電動機的定、轉子之間沒有氣隙，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

33、機的基礎理體的變形和接觸來傳遞的，所以超聲波電動機的基礎理論是機械波動理論；電磁式電動機是論是機械波動理論；電磁式電動機是基于傳統的電磁感基于傳統的電磁感應理論應理論，其能量是通過定、轉子之間的氣隙來傳遞的，其能量是通過定、轉子之間的氣隙來傳遞的，即電磁轉矩是由勵磁磁場中的通電電樞導體而產生，所即電磁轉矩是由勵磁磁場中的通電電樞導體而產生，所以電磁式電動機的基礎理論是電磁場理論。以電磁式電動機的基礎理論是電磁場理論。 （2 2）運行特性）運行特性 超聲波電動機的突出優點就是能實現低轉速、大轉超聲波電動機的突出優點就是能實現低轉速、大轉矩的負載運行，但其缺點也比較明顯，主要是超聲波電矩的負載運行

34、，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。據統計，超聲波電動機的平低，而且使用壽命也較短。據統計，超聲波電動機的平均壽命大約為均壽命大約為20002000小時，小時，與電磁式電動機相比，長時間與電磁式電動機相比，長時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，目前超聲波電動機還沒有一個能準目前超聲波電動機還沒有一個能準確描述其定子振動過程和轉子運動過程的數學模型。確描述其定子振動過程和轉子運動過程的數學模型。由由于壓電材料的

35、非線性、摩擦發熱、摩擦滑動和環境溫度于壓電材料的非線性、摩擦發熱、摩擦滑動和環境溫度等的影響，驅動轉子的摩擦力將產生嚴重的非線性變化，等的影響，驅動轉子的摩擦力將產生嚴重的非線性變化，這種變化使得精確控制電機轉速的難度大大增加。另外，這種變化使得精確控制電機轉速的難度大大增加。另外，由于壓電材料特性的不同，每臺超聲波電動機的驅動電由于壓電材料特性的不同，每臺超聲波電動機的驅動電源都不相同，這樣電機和電源必須一一配套，不利于大源都不相同，這樣電機和電源必須一一配套，不利于大規模生產。規模生產。二、超聲波電動機應用實例二、超聲波電動機應用實例 盡管超聲波電動機在一些方面還不盡人意，各類標盡管超聲波電動機在一些方面還不盡人意，各類標準還沒有統一，但是由于其特色鮮明，優點突出，經過準還沒有統一，但是由于其特色鮮明，優點突出，經過2020多年的研究和發開，已經在航空航天、機器人、精密多年的研究和發開，已經在航空航天、