第四章 電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路

第四章電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路電動(dòng)機(jī)基本知識(shí)一、分類(lèi)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(wú)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)名稱(chēng)特點(diǎn)直流伺服電動(dòng)機(jī)可控性好、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、有電刷接觸交流伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流小、體積較小、機(jī)械強(qiáng)度高、無(wú)電刷反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高、斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩、消耗功率較大。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)消耗功率較反應(yīng)電機(jī)小、需正負(fù)脈沖供電、啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較小、有定位轉(zhuǎn)矩混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高、需正負(fù)脈沖供電、消耗功率較小、有定位轉(zhuǎn)矩直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供直線運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣量小超聲波電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩、無(wú)電磁干擾、動(dòng)作響應(yīng)快、無(wú)輸入自鎖電磁耦合基于兩個(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(lèi)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(jiǎn)單，但價(jià)格昂貴，可靠性低交流電動(dòng)機(jī)：本質(zhì)較為簡(jiǎn)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(chǎng)合交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)：在長(zhǎng)速度工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛超聲波電動(dòng)機(jī)：利用壓電陶瓷逆電效應(yīng)，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩、無(wú)電磁干擾直流電動(dòng)機(jī)一、工作原理NS－U＋NS＋U－NSNS＋U－＋U－電刷換向片直流電流交流電流電磁轉(zhuǎn)矩(拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩)換向機(jī)械負(fù)載Φ旋轉(zhuǎn)克服反電動(dòng)勢(shì)做功電磁關(guān)系二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)的定子

(a)主磁極

(b)機(jī)座

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子

(a)轉(zhuǎn)子主體

(b)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)類(lèi)型電勵(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，性能好驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成：直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速或位置反饋裝置直流電源及驅(qū)動(dòng)電路接口電路電樞控制原理：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)速和方向，輸出一定的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的大小通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）檢測(cè)并反饋。圖電樞控制原理二、直流伺服電機(jī)的特性

機(jī)械特性

調(diào)節(jié)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)系靜態(tài)特性：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)動(dòng)態(tài)特性：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(guò)程，即：n=f(t)或=f(t)1、直流電機(jī)的選擇2、設(shè)計(jì)的要求根據(jù)負(fù)載的大小，選擇小慣量電機(jī)或大慣量電機(jī)（也稱(chēng)力矩電機(jī)）

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩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1、2、滿足動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩要求四、直流伺服電機(jī)的調(diào)速其中：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)矩加速過(guò)程近似線性過(guò)程，則加速轉(zhuǎn)矩為：其中：nm為最高轉(zhuǎn)速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：其中：Tn為額定轉(zhuǎn)速t為整個(gè)工作時(shí)間（或周期）Tt為瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩有三種調(diào)速方法：

電樞控制調(diào)速（即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，

磁場(chǎng)控制調(diào)速（即恒功率調(diào)速）：不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，

混合調(diào)速（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.如進(jìn)給伺服系統(tǒng)如小慣量高速伺服系統(tǒng)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1、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；SM+Ua－IaEIf+Uf－

SM+Ua－IaE永磁式二、工作原理施加

Ua主磁通：

ΦT→n→E電磁轉(zhuǎn)矩：T

=CTΦ

Ia

電動(dòng)勢(shì)：E

=CEΦ

n電樞電路電壓方程：Ua

=E+Ra

Ia三、控制方式及其特性①電樞控制式

Uf

=UfN，Ua

=Uc（控制電壓）n=UcCEΦN－RaCECTΦN2TOTn

Uc3

Uc2Uc1Uc3＞Uc2＞Uc1機(jī)械特性T1

T2

T3T3＞T2＞T1控制特性O(shè)Ucn②磁場(chǎng)控制式Ua

=UaN，Uf

=Uc（控制電壓）忽略磁路飽和、不計(jì)電樞反應(yīng)，則Φ=CφUf=CφUcn=UaNCECφUc

－RaCECTCφ2Uc2T

Uc3Uc2Uc1UC3＞Uc2＞Uc1機(jī)械特性

控制特性是非線性。直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率1~600W。OTn6.4交流伺服電動(dòng)機(jī)一、基本結(jié)構(gòu)空心杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)子內(nèi)定子外定子繞組轉(zhuǎn)軸二、工作原理當(dāng)兩相繞組分別加上相位相差90o的額定電壓時(shí)：

對(duì)稱(chēng)兩相運(yùn)行→ic和if產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)→產(chǎn)生T→轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果uc反相，即改變ic和if的相序→旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改變方向→n的方向改變。同時(shí)減小uc和uf而保持其90o的相位差→圓形磁通勢(shì)的幅值→T→n

。SM~控制繞組勵(lì)磁繞組＋Uc－＋Uf－cfIcIf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)器組成伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器采用電流型脈寬調(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(lèi)型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類(lèi)：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)的永磁交流伺服系統(tǒng)矩形波電流驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)二、異步交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：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f為加在定子繞組的電源頻率E為定子繞組的電勢(shì)C為常數(shù)其中：U為電機(jī)的外加電壓控制方式當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，通過(guò)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：

幅值控制：調(diào)節(jié)控制電壓幅值大小，改變轉(zhuǎn)速

相位控制：調(diào)節(jié)控制電壓的相位角，改變轉(zhuǎn)速

幅值相位控制（電容控制）：調(diào)節(jié)控制電壓時(shí)，相位角隨之改變，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速目的工作特性1、機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線

2、調(diào)節(jié)特性：轉(zhuǎn)速和控制電壓的關(guān)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模擬直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律三相交流量?jī)上嘟涣髁拷涣?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)的選擇電機(jī)選擇成本轉(zhuǎn)矩慣量比功率密度調(diào)速范圍對(duì)傳感器要求轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性轉(zhuǎn)矩速度曲線超聲波電動(dòng)機(jī)超聲波電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制超聲波電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

超聲波電動(dòng)機(jī)（UltrasonicMotor—USM）是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種新的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它的基本結(jié)構(gòu)及工作原理與傳統(tǒng)電機(jī)完全不同，沒(méi)有繞組和磁路，不以電磁相互作用來(lái)傳遞能量，而是基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)（即電致伸縮效應(yīng)），利用超聲波振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)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20kHz以上，所以稱(chēng)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)矩和轉(zhuǎn)速的固有概念，與電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1)體積小，重量輕。(2)低速大轉(zhuǎn)矩。(3)響應(yīng)迅速，控制特性好。(4)有斷電自鎖功能。(5)與外界無(wú)相互電磁干擾。(6)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)的分類(lèi)還沒(méi)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)理可分為駐波型和行波型兩種。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(lái)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)生單向的行波，利用行波表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡來(lái)傳遞能量，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)的基本結(jié)構(gòu)如圖9-1所示，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)的工作原理一、逆壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介壓電效應(yīng)是在1880年由法國(guó)的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。一般在電場(chǎng)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(chēng)之為正壓電效應(yīng)。反之，將一塊晶體置于外電場(chǎng)中，在電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷的重心會(huì)發(fā)生位移，這一極化位移又會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。這種由于外電場(chǎng)的作用而使晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱(chēng)之為逆壓電效應(yīng)，也稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱(chēng)為壓電效應(yīng)。

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9-2進(jìn)一步說(shuō)明了逆壓電效應(yīng)的作用。當(dāng)外電場(chǎng)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)械諧振狀態(tài)，成為壓電振子。當(dāng)振動(dòng)頻率在20kHz以上時(shí)，就屬于超聲振動(dòng)。二、橢圓運(yùn)動(dòng)及其作用超聲振動(dòng)是超聲波電動(dòng)機(jī)工作的最基本條件，起驅(qū)動(dòng)源的作用。但是，并不是任意超聲振動(dòng)都具有驅(qū)動(dòng)作用，它必須具備一定的形態(tài)，即振動(dòng)位移的軌跡是一橢圓時(shí)，才具有連續(xù)的定向驅(qū)動(dòng)作用。

那么，怎樣才能形成橢圓運(yùn)動(dòng)呢？設(shè)有兩個(gè)空間相互垂直的振動(dòng)位移ux和uy，均是由簡(jiǎn)諧振動(dòng)形成，振動(dòng)角頻率ω0為，振幅分別為ζx和ζy，時(shí)間相位差為φ，即有（9-1）（9-2）在上式中，當(dāng)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)時(shí)，其軌跡為一橢圓，并且在時(shí)為一規(guī)則橢圓。由此可見(jiàn)，相位差φ

的取值就決定了橢圓運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)φ>0時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為順時(shí)針?lè)较?，?dāng)φ<0時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)為逆時(shí)針?lè)较颉Ｓ捎跈E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)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。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)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，而應(yīng)該依靠一系列質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)這些質(zhì)點(diǎn)需要進(jìn)行行波性質(zhì)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)間和空間均相差π/2的兩相駐波疊加后，將形成一個(gè)合成行波。如圖9-5(a)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)，壓電體在長(zhǎng)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9-5(b)所示的駐波。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（9-3）設(shè)在彈性體上同時(shí)存在兩相駐波A和B，它們的頻率同為ω0，波幅同為ζ，波長(zhǎng)同為λ，并且在時(shí)間和空間上均相差π/2，即（9-4）其合成為（9-5）這是一個(gè)頻率為ω0、波幅為ζ、波長(zhǎng)為λ的行波。

在環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)中，定子上的壓電陶瓷環(huán)是行波形成的核心，它的電極配置如圖9-6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)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論有諸多相似之處。由第四章“伺服電動(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)生的是脈振磁場(chǎng)，如果有兩個(gè)匝數(shù)相同、空間互差90o電角度的繞組，當(dāng)在其中通入幅值相等、時(shí)間相位互差90o的對(duì)稱(chēng)交流電流時(shí)，所產(chǎn)生的兩個(gè)脈振磁場(chǎng)的合成就是一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向取決于電流的相序。在這里，彈性體中的駐波與單相脈振磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，而合成行波與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。四、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度下面通過(guò)分析彈性體表面上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，來(lái)確定轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度。根據(jù)式（9-5），在任意時(shí)刻，彈性體表面上某點(diǎn)P的縱向振動(dòng)位移為（9-6）設(shè)彈性體的厚度為h，則P點(diǎn)的橫向振動(dòng)位移為（9-7）由以上兩式，得（9-8）由此可見(jiàn)，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)生連續(xù)的定向撥動(dòng)作用，且轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反，如圖9-7所示。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。根據(jù)式（9-7），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，此時(shí)的表面質(zhì)點(diǎn)沒(méi)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(méi)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（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設(shè)行波在定子彈性體中的傳播速度為v，這樣，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度又可寫(xiě)為

（9-12）（9-11）激振電壓頻率可見(jiàn)，在行波傳播速度v為恒值的情況下，改變激振電壓的頻率f0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ζ，也可以改變轉(zhuǎn)速。如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)變壓調(diào)速的特點(diǎn)。

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伺服電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，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)域，如圖9-8所示。因此，超聲波電動(dòng)機(jī)非常適合低速運(yùn)行?？傮w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)的效率一般不超過(guò)50%。超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制一、調(diào)速控制方法（1）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)工作在諧振點(diǎn)附近，通過(guò)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)跟蹤頻率變化的反饋回路。

（2）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@種方案低速時(shí)轉(zhuǎn)矩小，不易起動(dòng)。如果電壓過(guò)低壓電體有可能不起振，而電壓過(guò)高又有可能擊穿壓電體。

（3）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)超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，必須采用閉環(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，實(shí)際上超聲波電動(dòng)機(jī)的控制是十分復(fù)雜的，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。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（1）基礎(chǔ)理論超聲波電動(dòng)機(jī)是基于剛體的波動(dòng)理論，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。由于超聲波電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有氣隙，其能量完全是通過(guò)剛體的變形和接觸來(lái)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)是基于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)理論，其能量是通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙來(lái)傳遞的，即電磁轉(zhuǎn)矩是由勵(lì)磁磁場(chǎng)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(chǎng)理論。

（2）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)矩的負(fù)載運(yùn)行，但其缺點(diǎn)也比較明顯，主要是超聲波電動(dòng)機(jī)是依靠機(jī)械摩擦來(lái)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)的平均壽命大約為2000小時(shí)，與電磁式電動(dòng)機(jī)相比，長(zhǎng)時(shí)間工作的能力還較欠缺。

（3）控制特性從理論上來(lái)說(shuō)，目前超聲波電動(dòng)機(jī)還沒(méi)有一個(gè)能準(zhǔn)確描述其定子振動(dòng)過(guò)程和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。由于壓電材料的非線性、摩擦發(fā)熱、摩