特种电机及其控制（第二版）

• 将特种电机及其驱动控制系统作为一个整体来讲解，以适应其机电一体化和智能化的发展趋势。

• 突出夯实基础、拓宽视野的特点，以适应新时期高水平研究型大学的教学要求。

• 融入启发式教学和研究型学习的教学思想，培养学生分析问题和解决问题的能力。

微电子技术、电子计算机技术、电力电子技术和材料科学的飞速发展推动了特种电机的发展。电机技术所依托的理论和技术基础已远不限于电磁理论，还包括控制理论、系统理论、计算机技术、信号处理技术、电力电子技术和材料科学等，形成了各学科互相渗透、互相交叉甚至互相融合的现象。可以说，现代特种电机技术是集电机技术、材料科学、计算机技术、现代控制理论、微电子技术和电力电子技术等现代科学技术的进步于一体的新技术。

在编写《特种电机及其控制（第二版）》一书时，作者尝试将特种电机本体及其驱动控制系统作为一个整体来讲解，以适应其机电一体化和智能化的发展趋势；突出夯实基础、拓宽视野的特点，以适应新时期高水平研究型大学的教学要求；将启发式教学和探究型学习的教学思想融入教材中，采用提出问题、分析问题、解决问题的写作方式，希望学生能够从中领会各类知识的综合应用技巧，培养分析问题和解决问题的能力。

本书主要介绍了无刷直流电动机、开关磁阻电动机、步进电动机和超声波电机这些新型的机电一体化电机的原理、分析、设计与控制，并介绍了直线电机和盘式电机的原理及其结构特殊性。为了便于教学，在保持全书系统性和完整性的基础上，各章自成体系，各院校可以根据具体需要，有重点地选择其中一种或几种电机组织教学。

针对大部分学生对控制系统设计无从下手的现象，本书通过剖析电机控制系统开发实例，引导学生掌握电机控制系统的设计方法。从电机控制系统的设计原则和系统构成方法讲起，通过对基于单片机的无刷直流电动机控制系统、基于DSP的开关磁阻电机控制系统和基于单片机的步进电动机控制系统三个实例的分析，采用自上而下、由内到外、逐步细化的设计方法和实现过程，最后给出完整的软、硬件设计实例。给出的实例全部是作者多年从事相关研究的成果，学生不仅可以通过实例学习掌握电机控制系统的设计方法，还可以将其直接应用于工程实践。

本书由大连理工大学孙建忠教授和白凤仙副教授共同编写。综合了作者多年从事特种电机及其控制相关研究的成果，特别是本书第2章吸收了作者主持的自然科学基金项目“新型转子无齿槽开关磁阻电机伺服系统的研究”（项目编号：50977005）的部分成果。作者历年指导的研究生宋伟官、邵长久、盛瑞明、熊慧文、邹喜、韩笑、施飞、张淑兴、王莹、许伟、刘博强、罗亚琴、李默竹、娄伟、刘杰、鲁浩、何月飞、张凯等人在读期间均为本书做出了贡献。本书第一版出版后，许多读者来信、来电探讨特种电机的相关问题，并对本书提出了许多有益的建议，在此对热心的读者深表感谢。本书在编写中参考了国内外有关的研究成果和文献，对这些文献的作者也一并致谢。

由于作者学识有限，书中难免存在失误或不当之处，恳请广大读者批评指教。

编 者

2013年4月

再版前言

绪论 1
1 特种电机的定义与类型 1
2 特种电机的应用 2
3 特种电机的发展方向 3
4 本课程的内容简介和使用说明 5
参考文献 5
第1章 无刷直流电动机及其控制系统 6
学习指导 6
1.1 无刷直流电动机系统 6
1.1.1 无刷直流电动机的组成 6
1.1.2 无刷直流电动机的基本工作原理 10
1.1.3 无刷直流电动机与永磁同步电动机 12
1.1.4 无刷直流电动机的特点 14
1.1.5 无刷直流电动机的发展概况 15
1.1.6 无刷直流电动机的应用与研究动向 15
1.2 电机本体的基本问题 16
1.2.1 永磁材料特性与转子结构 16
1.2.2 定子绕组 23
1.3 三相无刷直流电动机的主电路及其
工作方式 26
1.3.1 星形连接三相半桥主电路 27
1.3.2 星形连接三相桥式主电路 28
1.3.3 角形连接三相桥式主电路 30
1.4 无刷直流电动机的电枢反应 32
1.5 无刷直流电动机的分析 33
1.5.1 无刷直流电动机的数学模型 33
1.5.2 无刷直流电动机的反电动势 35
1.5.3 无刷直流电动机稳态性能的
动态模拟 35
1.5.4 无刷直流电动机稳态性能的
简化分析 37
1.6 无刷直流电动机的运行特性 38
1.6.1 机械特性 38
1.6.2 调节特性 39
1.6.3 工作特性 39
1.7 无刷直流电动机的转矩脉动 39
1.7.1 转矩脉动的定义及引起转矩脉动
的原因 39
1.7.2 换相与转矩脉动 41
1.8 无刷直流电动机转子位置信号的检测 45
1.8.1 转子位置传感器 45
1.8.2 常用的无位置传感器位置检测方法 48
1.8.3 利用反电动势检测转子位置 50
1.9 无刷直流电动机的控制原理及其实现 53
1.9.1 无刷直流电动机控制系统原理 53
1.9.2 PWM调制方式 55
1.9.3 正反转运行控制 61
1.9.4 控制系统的实现 64
1.10 无刷直流电动机控制专用集成电路
及其应用 67
1.10.1 无刷直流电动机专用集成电路 67
1.10.2 无刷直流电动机控制器MC33033
的应用 69
1.10.3 无位置传感器无刷直流电动机
控制器ML4428的应用 72
1.11 无刷直流电动机的单片机控制 76
1.11.1 电机控制用微控制器的选择 76
1.11.2 基于AVR单片机的电动车用无刷
直流电动机控制系统 77
1.11.3 基于AVR单片机的电动车用无刷
直流电动机控制软件设计 81
1.11.4 基于AVR单片机的电动车用无刷
直流电动机控制例程 88
1.12 基于DSP的无刷直流电动机无位置
传感器控制 97
1.12.1 TMS320LF2407的事件管理器简介 98
1.12.2 反电动势过零点检测 99
1.12.3 无位置传感器控制中无刷直流
电动电机的起动 103
1.12.4 IR2130驱动器及其与DSP和
逆变器的接口 104
1.12.5 电流信号的检测 105
1.12.6 故障处理与保护电路 107
1.12.7 控制方法与软件 109
本章小结 110
练习与思考 110
技能扩展 110
参考文献 111
第2章 开关磁阻电机及其控制系统 113
学习指导 113
2.1 开关磁阻电动机传动系统 113
2.1.1 开关磁阻电动机传动系统的组成 113
2.1.2 开关磁阻电动机的工作原理 114
2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构 116
2.1.4 开关磁阻电动机传动系统的特点 119
2.1.5 开关磁阻电动机的发展概况 120
2.1.6 开关磁阻电机的应用与研究动向 121
2.2 开关磁阻电机的基本方程与性能分析 124
2.2.1 SR电机的基本方程 124
2.2.2 基于理想线性模型的SR电动机
分析 126
2.2.3 考虑磁路饱和时SR电动机的分析 130
2.3 开关磁阻电动机的控制原理 132
2.3.1 SR电动机的运行特性 132
2.3.2 SR电动机的基本控制方式 133
2.3.3 SR电动机的起动运行 136
2.3.4 SR电动机的四象限运行控制 137
2.4 开关磁阻电动机的功率变换器 138
2.4.1 功率变换器常见的主电路形式 139
2.4.2 功率开关器件和续流二极管
的选用 142
2.4.3 SR电动机的功率变换器设计实例 143
2.5 开关磁阻电动机传动系统的信号检测 147
2.5.1 位置信号检测 147
2.5.2 速度检测 152
2.5.3 电流检测 155
2.6 基于TMS320LF2407 DSP的开关磁阻
电动机控制器 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控制策略及其实现 165
2.7 基于TMS320LF2407 DSP的开关磁阻
电动机控制软件 167
2.7.1 控制系统程序设计结构 167
2.7.2 软件抗干扰措施 170
2.7.3 SRD控制软件C语言例程 171
2.8 开关磁阻电机的电磁设计 198
2.8.1 电磁负荷与主要尺寸的关系 198
2.8.2 主要尺寸的确定 200
2.8.3 平均转矩计算 202
2.8.4 绕组连接 203
2.8.5 算例 204
2.9 开关磁阻发电机 209
2.9.1 开关磁阻发电机系统的组成 209
2.9.2 开关磁阻发电机的工作原理 211
2.9.3 开关磁阻发电机的能量传递 212
2.9.4 开关磁阻发电机的控制策略 213
本章小结 214
练习与思考 216
技能扩展 216
参考文献 216
第3章 步进电动机及其控制 219
学习指导 219
3.1 步进电动机的结构与工作原理 219
3.1.1 步进电动机的工作原理 219
3.1.2 反应式步进电动机 221
3.1.3 永磁式和混合式步进电动机 223
3.1.4 步进电动机的特点 225
3.2 反应式步进电动机的特性 225
3.2.1 步进电动机的静态特性 225
3.2.2 步进电动机的单步运行 228
3.2.3 步进电动机的连续运行和
动态特性 229
3.3 步进电动机驱动控制器的构成 233
3.4 步进电动机的功率驱动电路 234
3.4.1 单极性驱动电路 234
3.4.2 双极性驱动电路 237
3.5 步进电动机的角度细分控制 240
3.5.1 角度细分控制原理 240
3.5.2 角度细分控制的电路实现 241
3.5.3 细分控制专用集成电路 243
3.6 步进电动机的单片机控制 244
3.6.1 脉冲分配 244
3.6.2 步进电动机的速度控制 248
3.6.3 步进电动机的加减速与
定位控制 248
3.7 基于AVR单片机的两相混合式步进
电动机控制实例 250
3.7.1 控制系统硬件 250
3.7.2 控制软件例程 253
本章小结 261
练习与思考 261
参考文献 262
第4章 直线电动机 263
学习指导 263
4.1 直线电动机概述 263
4.1.1 直线电动机的原理与分类 263
4.1.2 直线电动机传动的特点 265
4.1.3 直线电动机的发展 265
4.2 直线感应电动机 266
4.2.1 直线感应电动机的基本原理 266
4.2.2 直线感应电动机的结构特点 267
4.3 直线直流电动机 268
4.3.1 永磁式 268
4.3.2 电磁式 269
本章小结 269
练习与思考 270
技能扩展 270
参考文献 270
第5章 盘式电机 271
学习指导 271
5.1 盘式电机概况 271
5.2 盘式直流电机 272
5.2.1 盘式直流电机的结构特点 272
5.2.2 盘式直流电机的基本电磁关系 274
5.3 盘式永磁同步电机的结构和特点 275
5.3.1 盘式永磁同步电机的常见结构 275
5.3.2 盘式无刷直流电动机 277
本章小结 277
练习与思考 278
技能扩展 278
参考文献 278
第6章 超声波电动机 279
学习指导 279
6.1 超声波电动机概况 279
6.1.1 超声波电动机的基本原理 279
6.1.2 超声波电动机的发展 280
6.1.3 超声波电动机的优点及其应用 281
6.1.4 超声波电机存在的问题及
研究重点 282
6.2 超声波电动机的常见结构与分类 283
6.2.1 超声波电动机的常见结构 283
6.2.2 超声波电动机的分类 286
6.3 行波型超声波电动机的运行机理 287
6.3.1 行波的形成 287
6.3.2 超声波电动机的调速机理 288
6.4 行波型超声波电动机的驱动控制 290
6.4.1 行波型超声波电动机的调速
控制方法 290
6.4.2 逆变器主回路 291
6.4.3 频率跟踪技术 291
本章小结 292
练习与思考 293
技能扩展 293
参考文献 293

1. 运动控制系统安装调试与运行 [张燕 李兰云 王爱林]
2. 飞行控制系统与设备（活页式） [主编　鄢立]
3. 汽车电控技术（第二版） [主编 王林超 徐刚]
4. PLC控制系统的设计与维护 [李敏 鹿业勃 许洪龙]
5. 交直流调速控制系统调试与维护 [主编 梁强 邱阳 许洪龙]
6. 单片机应用系统设计安装与调试 [主编 田浩鹏]
7. 生产过程控制系统安装与调试 [主编 许郢]
8. PLC控制系统设计安装与调试 [赵伟]
9. 特种电机及其控制 [孙建忠 白凤仙 编著]
10. 电机拖动与电气技术实验指导书 [苑尚尊 贺春玲 主编]