特種電機(jī)及其控制（第二版）

• 將特種電機(jī)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)其機(jī)電一體化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)。

• 突出夯實(shí)基礎(chǔ)、拓寬視野的特點(diǎn)，以適應(yīng)新時(shí)期高水平研究型大學(xué)的教學(xué)要求。

• 融入啟發(fā)式教學(xué)和研究型學(xué)習(xí)的教學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

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)和材料科學(xué)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)的進(jìn)步于一體的新技術(shù)。

在編寫(xiě)《特種電機(jī)及其控制（第二版）》一書(shū)時(shí)，作者嘗試將特種電機(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)其機(jī)電一體化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)；突出夯實(shí)基礎(chǔ)、拓寬視野的特點(diǎn)，以適應(yīng)新時(shí)期高水平研究型大學(xué)的教學(xué)要求；將啟發(fā)式教學(xué)和探究型學(xué)習(xí)的教學(xué)思想融入教材中，采用提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的寫(xiě)作方式，希望學(xué)生能夠從中領(lǐng)會(huì)各類(lèi)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)和超聲波電機(jī)這些新型的機(jī)電一體化電機(jī)的原理、分析、設(shè)計(jì)與控制，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，有重點(diǎn)地選擇其中一種或幾種電機(jī)組織教學(xué)。

針對(duì)大部分學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)從下手的現(xiàn)象，本書(shū)通過(guò)剖析電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生掌握電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。從電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和系統(tǒng)構(gòu)成方法講起，通過(guò)對(duì)基于單片機(jī)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)和基于單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)三個(gè)實(shí)例的分析，采用自上而下、由內(nèi)到外、逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后給出完整的軟、硬件設(shè)計(jì)實(shí)例。給出的實(shí)例全部是作者多年從事相關(guān)研究的成果，學(xué)生不僅可以通過(guò)實(shí)例學(xué)習(xí)掌握電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，還可以將其直接應(yīng)用于工程實(shí)踐。

本書(shū)由大連理工大學(xué)孫建忠教授和白鳳仙副教授共同編寫(xiě)。綜合了作者多年從事特種電機(jī)及其控制相關(guān)研究的成果，特別是本書(shū)第2章吸收了作者主持的自然科學(xué)基金項(xiàng)目“新型轉(zhuǎn)子無(wú)齒槽開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：50977005）的部分成果。作者歷年指導(dǎo)的研究生宋偉官、邵長(zhǎng)久、盛瑞明、熊慧文、鄒喜、韓笑、施飛、張淑興、王瑩、許偉、劉博強(qiáng)、羅亞琴、李默竹、婁偉、劉杰、魯浩、何月飛、張凱等人在讀期間均為本書(shū)做出了貢獻(xiàn)。本書(shū)第一版出版后，許多讀者來(lái)信、來(lái)電探討特種電機(jī)的相關(guān)問(wèn)題，并對(duì)本書(shū)提出了許多有益的建議，在此對(duì)熱心的讀者深表感謝。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。

由于作者學(xué)識(shí)有限，書(shū)中難免存在失誤或不當(dāng)之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指教。

編 者

2013年4月

再版前言

緒論 1
1 特種電機(jī)的定義與類(lèi)型 1
2 特種電機(jī)的應(yīng)用 2
3 特種電機(jī)的發(fā)展方向 3
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
學(xué)習(xí)指導(dǎo) 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 10
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 電機(jī)本體的基本問(wèn)題 16
1.2.1 永磁材料特性與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 16
1.2.2 定子繞組 23
1.3 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路及其
工作方式 26
1.3.1 星形連接三相半橋主電路 27
1.3.2 星形連接三相橋式主電路 28
1.3.3 角形連接三相橋式主電路 30
1.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng) 32
1.5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的分析 33
1.5.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 33
1.5.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) 35
1.5.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的
動(dòng)態(tài)模擬 35
1.5.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的
簡(jiǎn)化分析 37
1.6 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 38
1.6.1 機(jī)械特性 38
1.6.2 調(diào)節(jié)特性 39
1.6.3 工作特性 39
1.7 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 39
1.7.1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的定義及引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)
的原因 39
1.7.2 換相與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 41
1.8 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè) 45
1.8.1 轉(zhuǎn)子位置傳感器 45
1.8.2 常用的無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)方法 48
1.8.3 利用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置 50
1.9 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制原理及其實(shí)現(xiàn) 53
1.9.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理 53
1.9.2 PWM調(diào)制方式 55
1.9.3 正反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制 61
1.9.4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 64
1.10 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制專(zhuān)用集成電路
及其應(yīng)用 67
1.10.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用集成電路 67
1.10.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器MC33033
的應(yīng)用 69
1.10.3 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)
控制器ML4428的應(yīng)用 72
1.11 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 76
1.11.1 電機(jī)控制用微控制器的選擇 76
1.11.2 基于AVR單片機(jī)的電動(dòng)車(chē)用無(wú)刷
直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 77
1.11.3 基于AVR單片機(jī)的電動(dòng)車(chē)用無(wú)刷
直流電動(dòng)機(jī)控制軟件設(shè)計(jì) 81
1.11.4 基于AVR單片機(jī)的電動(dòng)車(chē)用無(wú)刷
直流電動(dòng)機(jī)控制例程 88
1.12 基于DSP的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置
傳感器控制 97
1.12.1 TMS320LF2407的事件管理器簡(jiǎn)介 98
1.12.2 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè) 99
1.12.3 無(wú)位置傳感器控制中無(wú)刷直流
電動(dòng)電機(jī)的起動(dòng) 103
1.12.4 IR2130驅(qū)動(dòng)器及其與DSP和
逆變器的接口 104
1.12.5 電流信號(hào)的檢測(cè) 105
1.12.6 故障處理與保護(hù)電路 107
1.12.7 控制方法與軟件 109
本章小結(jié) 110
練習(xí)與思考 110
技能擴(kuò)展 110
參考文獻(xiàn) 111
第2章 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及其控制系統(tǒng) 113
學(xué)習(xí)指導(dǎo) 113
2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng) 113
2.1.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的組成 113
2.1.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理 114
2.1.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)與結(jié)構(gòu) 116
2.1.4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 119
2.1.5 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 120
2.1.6 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向 121
2.2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本方程與性能分析 124
2.2.1 SR電機(jī)的基本方程 124
2.2.2 基于理想線性模型的SR電動(dòng)機(jī)
分析 126
2.2.3 考慮磁路飽和時(shí)SR電動(dòng)機(jī)的分析 130
2.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制原理 132
2.3.1 SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 132
2.3.2 SR電動(dòng)機(jī)的基本控制方式 133
2.3.3 SR電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行 136
2.3.4 SR電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行控制 137
2.4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的功率變換器 138
2.4.1 功率變換器常見(jiàn)的主電路形式 139
2.4.2 功率開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管
的選用 142
2.4.3 SR電動(dòng)機(jī)的功率變換器設(shè)計(jì)實(shí)例 143
2.5 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè) 147
2.5.1 位置信號(hào)檢測(cè) 147
2.5.2 速度檢測(cè) 152
2.5.3 電流檢測(cè) 155
2.6 基于TMS320LF2407 DSP的開(kāi)關(guān)磁阻
電動(dòng)機(jī)控制器 158
2.6.1 基于TMS320LF2407 DSP的
SRD控制器硬件 158
2.6.2 基于TMS320LF2407 DSP的
SRD控制策略及其實(shí)現(xiàn) 165
2.7 基于TMS320LF2407 DSP的開(kāi)關(guān)磁阻
電動(dòng)機(jī)控制軟件 167
2.7.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 167
2.7.2 軟件抗干擾措施 170
2.7.3 SRD控制軟件C語(yǔ)言例程 171
2.8 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電磁設(shè)計(jì) 198
2.8.1 電磁負(fù)荷與主要尺寸的關(guān)系 198
2.8.2 主要尺寸的確定 200
2.8.3 平均轉(zhuǎn)矩計(jì)算 202
2.8.4 繞組連接 203
2.8.5 算例 204
2.9 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī) 209
2.9.1 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的組成 209
2.9.2 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的工作原理 211
2.9.3 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的能量傳遞 212
2.9.4 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制策略 213
本章小結(jié) 214
練習(xí)與思考 216
技能擴(kuò)展 216
參考文獻(xiàn) 216
第3章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制 219
學(xué)習(xí)指導(dǎo) 219
3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理 219
3.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 219
3.1.2 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 221
3.1.3 永磁式和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 223
3.1.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 225
3.2 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性 225
3.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性 225
3.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單步運(yùn)行 228
3.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行和
動(dòng)態(tài)特性 229
3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的構(gòu)成 233
3.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路 234
3.4.1 單極性驅(qū)動(dòng)電路 234
3.4.2 雙極性驅(qū)動(dòng)電路 237
3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角度細(xì)分控制 240
3.5.1 角度細(xì)分控制原理 240
3.5.2 角度細(xì)分控制的電路實(shí)現(xiàn) 241
3.5.3 細(xì)分控制專(zhuān)用集成電路 243
3.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 244
3.6.1 脈沖分配 244
3.6.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制 248
3.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速與
定位控制 248
3.7 基于AVR單片機(jī)的兩相混合式步進(jìn)
電動(dòng)機(jī)控制實(shí)例 250
3.7.1 控制系統(tǒng)硬件 250
3.7.2 控制軟件例程 253
本章小結(jié) 261
練習(xí)與思考 261
參考文獻(xiàn) 262
第4章 直線電動(dòng)機(jī) 263
學(xué)習(xí)指導(dǎo) 263
4.1 直線電動(dòng)機(jī)概述 263
4.1.1 直線電動(dòng)機(jī)的原理與分類(lèi) 263
4.1.2 直線電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的特點(diǎn) 265
4.1.3 直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展 265
4.2 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 266
4.2.1 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本原理 266
4.2.2 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 267
4.3 直線直流電動(dòng)機(jī) 268
4.3.1 永磁式 268
4.3.2 電磁式 269
本章小結(jié) 269
練習(xí)與思考 270
技能擴(kuò)展 270
參考文獻(xiàn) 270
第5章 盤(pán)式電機(jī) 271
學(xué)習(xí)指導(dǎo) 271
5.1 盤(pán)式電機(jī)概況 271
5.2 盤(pán)式直流電機(jī) 272
5.2.1 盤(pán)式直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 272
5.2.2 盤(pán)式直流電機(jī)的基本電磁關(guān)系 274
5.3 盤(pán)式永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 275
5.3.1 盤(pán)式永磁同步電機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu) 275
5.3.2 盤(pán)式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 277
本章小結(jié) 277
練習(xí)與思考 278
技能擴(kuò)展 278
參考文獻(xiàn) 278
第6章 超聲波電動(dòng)機(jī) 279
學(xué)習(xí)指導(dǎo) 279
6.1 超聲波電動(dòng)機(jī)概況 279
6.1.1 超聲波電動(dòng)機(jī)的基本原理 279
6.1.2 超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展 280
6.1.3 超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用 281
6.1.4 超聲波電機(jī)存在的問(wèn)題及
研究重點(diǎn) 282
6.2 超聲波電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)與分類(lèi) 283
6.2.1 超聲波電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)結(jié)構(gòu) 283
6.2.2 超聲波電動(dòng)機(jī)的分類(lèi) 286
6.3 行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理 287
6.3.1 行波的形成 287
6.3.2 超聲波電動(dòng)機(jī)的調(diào)速機(jī)理 288
6.4 行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 290
6.4.1 行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的調(diào)速
控制方法 290
6.4.2 逆變器主回路 291
6.4.3 頻率跟蹤技術(shù) 291
本章小結(jié) 292
練習(xí)與思考 293
技能擴(kuò)展 293
參考文獻(xiàn) 293

1. 1000MW級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)方案圖集 [張斌　孫立剛]
2. 600MW級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)方案圖集 [張斌　孫立剛]
3. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝調(diào)試與運(yùn)行 [張燕 李蘭云 王愛(ài)林]
4. 飛行控制系統(tǒng)與設(shè)備（活頁(yè)式） [主編　鄢立]
5. 汽車(chē)電控技術(shù)（第二版） [主編 王林超 徐剛]
6. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù) [李敏 鹿業(yè)勃 許洪龍]
7. 交直流調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)試與維護(hù) [主編 梁強(qiáng) 邱陽(yáng) 許洪龍]
8. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝與調(diào)試 [主編 田浩鵬]
9. 生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試 [主編 許郢]
10. PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝與調(diào)試 [趙偉]
11. 特種電機(jī)及其控制 [孫建忠 白鳳仙 編著]
12. 電機(jī)拖動(dòng)與電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) [苑尚尊 賀春玲 主編]