特種電機(jī)及其控制

嘗試將特種電機(jī)本體及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)講解，以適應(yīng)特種電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，力求貫徹理論聯(lián)系實(shí)際的原則；既講清基本原理和基本概念，又注重解決問(wèn)題的方法

微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和材料科學(xué)的飛速發(fā)展推動(dòng)了特種電機(jī)的

發(fā)展。電機(jī)技術(shù)所依托的理論和技術(shù)基礎(chǔ)已遠(yuǎn)不限于電磁理論，還包括控制理論、系統(tǒng)理

論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電力電子技術(shù)等，形成了各學(xué)科互相滲透、互相交叉，甚至互

相融合的現(xiàn)象。可以說(shuō)，現(xiàn)代特種電機(jī)技術(shù)是集電機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制

理論、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)于一體的新技術(shù)。

《特種電機(jī)及其控制》教材在編寫(xiě)時(shí)，嘗試將特種電機(jī)本體及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)作為一個(gè)

整體來(lái)講解，以適應(yīng)特種電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，并力求貫徹理論聯(lián)系實(shí)際的原則，既講清基本原

理和基本概念，又注重解決問(wèn)題的方法。希望學(xué)生能夠從中領(lǐng)會(huì)各類知識(shí)的綜合應(yīng)用技巧，

培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

本書(shū)主要介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和超聲波電動(dòng)機(jī)這些新

型的機(jī)電一體化電機(jī)的原理、分析與控制方法，并介紹了直線電機(jī)和盤(pán)式電機(jī)的原理及其結(jié)

構(gòu)特殊性。為了便于教學(xué)，在保持全書(shū)系統(tǒng)性和完整性的基礎(chǔ)上，各章自成體系，各院校可

以根據(jù)具體需要有選擇地講授其中一種或幾種電機(jī)。

本書(shū)由大連理工大學(xué)孫建忠教授和白鳳仙老師共同編寫(xiě)。太原理工大學(xué)張春鎬教授擔(dān)

任本書(shū)主審，張春鎬教授和大連理工大學(xué)楊振強(qiáng)副教授對(duì)教材內(nèi)容的取舍和寫(xiě)法提出了許

多寶貴意見(jiàn)，并對(duì)全書(shū)進(jìn)行了仔細(xì)審閱；大連理工大學(xué)劉鳳春副教授、董恩源博士和武漢工

業(yè)學(xué)院秦士宏博士、周龍博士、李智博士參加了本書(shū)內(nèi)容的討論，并對(duì)部分章節(jié)的修改提出

了寶貴意見(jiàn)；研究生宋偉官、邵長(zhǎng)久、盛瑞明、李丹等參與了本書(shū)的資料收集與整理、文字輸

入、圖形繪制和校對(duì)工作，在此表示深切的謝意。本書(shū)在編寫(xiě)中參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)的研究成

果和文獻(xiàn)，對(duì)這些文獻(xiàn)的作者也一并致謝。

編者學(xué)識(shí)有限，難免存在失誤或不當(dāng)之處，懇請(qǐng)廣大讀者不吝批評(píng)指教。

編 者

2005年1月

目 錄
前言
緒論…………………………………………………………………………………………(1)
O．1特種電機(jī)的定義與類型……………………………………………………………(1)
0．2特種電機(jī)的應(yīng)用……………………………………………………………………(2)
0．3特種電機(jī)的發(fā)展方向………………………………………………………………(3)
0．4本課程的內(nèi)容簡(jiǎn)介和使用說(shuō)明……………………………………………………(5)
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………(5)
第1章無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)…………………………………………………(6)
1．1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)………………………………………………………………(6)
· 1．1．1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的組成………………………………………………………(6)
1．1．2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理…………………………………………(11)
1．1．3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與永磁同步電動(dòng)機(jī)………………………………………(12)
1．1．4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)……………………………………………………(14)
1．1．5無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況………………………………………………(15)
1．1．6無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向………………………………………(15)
1．2三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路及其工作方式…………………………………(16)
1．2．1星形連接三相半橋主電路…………………………………………………(17)
1．2．2星形連接三相橋式主電路…………………………………………………(18)
1．2．3角形連接三相橋式主電路…………………………………………………(20)
1．3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)……………………………………………………(22)
1．4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本公式……………………………………………………(23)
1．4．1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型………………………………………………(23)
1．4．2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)………………………………………………(24)
1．4．3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的動(dòng)態(tài)模擬……………………………………(25)
1．4．4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的簡(jiǎn)化分析……………………………………(26)
1．5無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性……………………………………………………(28)
1．5．1機(jī)械特性……………………………………………………………………(28)
1．5．2調(diào)節(jié)特性……………………………………………………………………(28)
1．5．3工作特性……………………………………………………………………(28)
1．6無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)……………………………………………………(29)
1．6．1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的定義及引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因…………………………………(29)
1．6．2換相與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)……………………………………………………………(30)
1．7無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)…………………………………………(34)
1．7．1轉(zhuǎn)子位置傳感器……………………………………………………………(34)
1．7．2常用的無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)方法………………………………………(36)
1．7．3利用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置………………………………………………(37)
1．8無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制原理及其實(shí)現(xiàn)…………………………………………(41)
1．8．1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理……………………………………………(41)
1．8．2數(shù)字控制系統(tǒng)中PID控制算法的實(shí)現(xiàn)……………………………………(41)
1．8．3 PWM調(diào)制方式………………………………………………………………f42)
1．8．4正反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制……………………………………………………………(44)
1．8．5控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)……………………………………………………………(47)
1．9無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制專用集成電路及其應(yīng)用…………………………………(50)
1．9．1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)專用集成電路……………………………………………(50)
1．9．2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器MC33033的應(yīng)用…………………………………(52)
1．9．3無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器ML,4428的應(yīng)用……………………(54)
1．10無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制…………………………………………………(58)
1．10．1 電機(jī)控制用單片機(jī)的選擇…………………………………………………(58)
1．10．2基于C8051單片機(jī)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制………………………………(58)
1．10．3基于MCS一96系列單片機(jī)的控制系統(tǒng)……………………………………(60)
1．11 基于I)SP’的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制………………………………(67)
1．11．1‘FMS320LF2407的事件管理器簡(jiǎn)介………………………………………(68)
1．11．2反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)………………………………………………………(69)
1．11．3無(wú)位置傳感器控制中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)……………………………(73)
1．11．4電流信號(hào)的檢測(cè)……………………………………………………………f74)
1．11．5故障處理與保護(hù)電路………………………………………………………(75)
1．11．6控制方法與軟件、……………………………………………………………f76)
本章小結(jié)………．………………………………………………………………………．．r77、
練習(xí)與思考………：……………………………………………………………………．．f78)
技能擴(kuò)展…………………………………………………………………………………f78)
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………f781
第2章開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及其控制系統(tǒng)……………………………………………………(80)
2．1開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)………………………………………………………(80)
2．1．1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的組成…………………………………………(80)
2．1．2開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理………………………………………………(81)
2．1．3開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)與結(jié)構(gòu)……………………………………………(83)
2．1．4開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)…………………………………………(86)
2．1．5開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況………………………………………………(87)
2．1．6開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向…………………………………………(88)
2．2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本方程與性能分析…………………………………………(89)
2．2．1 SR電機(jī)的基本方程…………………………………………．……………．．(89)
2．2．2基于理想線性模型的SR電動(dòng)機(jī)分析………………………………………(91)
2．2．3考慮磁路飽和時(shí)SR電動(dòng)機(jī)的分析…………………………………………(95)
2．3開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制原理……………………………………………………f97)
2．3．1 SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性………………………………………………………(97)
2．3．2 SR電動(dòng)機(jī)的基本控制方式…………………………………………………f98)
2．3．3 SR電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行……………………………………………………(101)
2．3．4 SR電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行控制……………………………………………(102)
2．4開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的功率變換器…………………………………………………f103)
2．4．1功率變換器常見(jiàn)的主電路形式…………………．．………………………．f104)
2．4．2功率開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管的選用………………………………………f107)
2．4．3主電路設(shè)計(jì)實(shí)例……………………………………………………………f108)
2．5開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的反饋信號(hào)檢測(cè)……………………………………(110)
2．5．1位置信號(hào)檢測(cè)………………………………………………………………fll0)
2．5．2速度檢測(cè)……………………………………………………………………f115)
2．5．3電流檢測(cè)……………………………………………………………………f118)
2．6開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)原理及其實(shí)現(xiàn)……………………………………f121)
． 2．6．1 SRD控制系統(tǒng)原理圖………………………………………………………f 121)
2．6．2 SRD控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法…………………………………………………f1211
2．6．3 SRD系統(tǒng)中的數(shù)字PID算法……………………………………．．………．(122)
2．7基于80C196單片機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器………………………………(123)
2．7．1 MCS一96系列單片機(jī)的特點(diǎn)………………………………………………f123)
2．7．2基于80C196KC單片機(jī)的SRD控制系統(tǒng)硬件……………………………(124)
2．7．3控制系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)介……………………………………………．．…………．f129)
2．8基于’rMS320LF2407 DSF’的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器…………………………(132)
2．8．1 TMS320x24x系列DSF’控制器的特點(diǎn)……………………………………(132)
2．8．2基于‘rMS3201_。F2407：DSF’的SRD控制器硬件……………………………(133)
2．8．3基于irMS320LF2407 I)St’的SRD控制策略實(shí)現(xiàn)…………………………(135)
2．9開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)…………………………………………………………………f137)
2．9．1開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的組成………一……………………………………f137)
2．9．2開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的工作原理………………………………………………f139)
2．9．3開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的能量傳遞………………………………………………f140)
2．9．4開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制策略………………………………………………(142)
本章小結(jié)………………………………………………………………………………f143)
練習(xí)與思考……………………………………………………………………………f144)
技能擴(kuò)展………………………………………………………………………………f145)
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………f1451
第3章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制…………………………………………………………(147)
3．1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理…………………………………………………(147)
3．1．1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理……………………………………………………f147)
3．1．2反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)…………………………………………………………f149)
3．1．3永磁式和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)………………………………………………f 151)
3．1．4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)…………………………………………………………(153)
3．2反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性………………………………………………………(153)
3．2．1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性……………………………………………………(153)
3．2．2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單步運(yùn)行……………………………………………………(156)
3．2．3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行和動(dòng)特性…………………………………………(157)
3．3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的構(gòu)成…………………………………………………f161)
3．4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路……………………………………………………(162)
3．4．1單極性驅(qū)動(dòng)電路……………………………………………………………(162)
3．4．2雙極性驅(qū)動(dòng)電路……………………………………………………………(165)
3．5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角度細(xì)分控制……………………………………………………(167)
3．5．1角度細(xì)分控制原理…………………………………………………………(167)
3．5．2角度細(xì)分控制的電路實(shí)現(xiàn)…………………………………………………(169)
3．5．3細(xì)分控制專用集成電路……………………………………………………(170)
3．6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制………………………………………………………(172)
3．6．1脈沖分配……………………………………………………………………(172)
3．6．2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制……………………………………………………(175)
3．6．3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速與定位控制…………………………………………(176)
本章小結(jié)………………………………………………………………………………(178)
練習(xí)與思考……………………………………………………………………………(178)
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………f179)
第4章直線電動(dòng)機(jī)……………………………………………………………………(180)
4．1直線電動(dòng)機(jī)概述………………．．．………………………………………………(180)
4．1．1直線電動(dòng)機(jī)的原理與分類…………………………………………………(180)
4．1．2直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的特點(diǎn)……………………………………………………(182)
4．1．3直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展…………………………………………………………f182)
4．2直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)…………………………………………………………………(183)
4．2．1直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本原理………………………………………………(183)
4．2．2直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)………………………………………………(184)
4．3直線直流電動(dòng)機(jī)…………………………………………………………………f185)
4．3．1永磁式………………………………………………………………………(185)
4．3．2電磁式………………………………………………………………………f186)
本章小結(jié)…………………………………………．．…………………………………．f1871
練習(xí)與思考……………………………………………………………………………(187)
技能擴(kuò)展………………………………………………………………………………(187)
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………(188)
第5章盤(pán)式電機(jī)………………………………………………………………………(189)
5．1盤(pán)式電機(jī)概況……………………………………………………………………(189)
5．2盤(pán)式直流電機(jī)……………………………………………………………………(190)
5．2．1盤(pán)式直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)…………………………………………………(190)
5．2．2盤(pán)式直流電機(jī)的基本電磁關(guān)系……………………………………………(192)
5．3盤(pán)式永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)………………………………………………(193)
5．3．1盤(pán)式永磁同步電機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)……………………………………………(193)
5．3．2盤(pán)式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)………………………………………………………(195)
本章小結(jié)………………………………………………………………………………(196)
練習(xí)與思考……………………………………………………………………………(196)
技能擴(kuò)展………………………………………………………………………………(196)
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………(197)
第6章超聲波電動(dòng)機(jī)…………………………………………………………………(198)
6．1超聲波電動(dòng)機(jī)概況………………………………………………………………(198)
6．1．1超聲波電動(dòng)機(jī)的基本原理…………………………………………………(198)
6．1．2超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展………………………………………………………(199)
6．1．3超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用……………………………………………(200)
6．1．4超聲波電機(jī)存在的問(wèn)題及研究重點(diǎn)………………………………………(201)
6．2超聲波電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)與分類………………………………………………(202)
6．2．1超聲波電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)…………………………………………………(202)
6．2．2超聲波電動(dòng)機(jī)的分類………………………………………………………(205)
6．3行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理………………………………………………(206)
6．3．1行波的形成…………………………………………………………………(206)
6．3．2超聲波電動(dòng)機(jī)的調(diào)速機(jī)理…………………………………………………(208)
6．4行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制………………………………………………(209)
6．4．1行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方法……………………………………(209)
6．4．2逆變器主回路…………………………………………………．-．．…………(210)
6．4．3頻率跟蹤技術(shù)………………………………………………………………(210)
本章小結(jié)………………………………………………………………………………(212)
練習(xí)與思考……………………………………………………………………………(212)
技能擴(kuò)展……………………………………………吖………………………………(212)
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………(213)

1. 特種電機(jī)及其控制（第二版） [孫建忠 白鳳仙 編著]
2. 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論（第二版） [葛建梅 等編著]