电气式驱动装置的知识模块二

机电一体化系统常使用电气式执行装置，包括各种直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机等。电气式执行装置的产品类型非常丰富，结构各异，额定功率千差万别，物理特性各不相同，但工作原理都是利用电磁感应和电磁力的作用实现能量的转换。

直流伺服电机的工作原理

一、直流伺服电动机

1.直流伺服电动机的工作原理

使用直流电源的电动机为直流电动机。直流伺服电动机将输入的受控电压或电流转换为电枢轴上的角位移或角速度输出，转轴的转向和转速随输入的受控电压或电流的方向和大小而改变。

直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同。直流伺服电动机的基本工作原理可以用直流电动机的物理模型来说明，如图4-1所示。N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，线圈两端分别接在两个相互绝缘的半圆形换向片上，换向片和线圈可一起绕轴旋转，电刷固定不动。接通电源后，通电线圈在磁场中受到电磁转矩的作用，按一定的方向旋转。由于换向片随同一起旋转，使得无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向外，N极有效边的电流方向向内，因此电磁转矩方向不变，线圈可在此电磁转矩的作用下连续旋转。

图4-1　直流电动机的物理模型

1—换向片；2—电刷；3—磁极；4—线圈

2.直流伺服电动机的结构

直流伺服电动机的基本结构也与普通直流电动机相同，所不同的是它制造得比较细长一些，以便满足快速响应的要求。直流电动机由定子、转子两大部分组成。图4-2所示为普通直流电动机的结构。直流电动机运行时静止不动的部分称为定子，其主要作用是产生磁场。定子部分包括机座、主磁极、换向磁极、电刷装置。电动机运行时转动的部分为转子，也称为电枢，包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等。

图4-2　直流电动机的结构

（a）直流电动机的组成结构；
1—端盖；2—风扇；3—机座；4—电枢；5—主磁极；
6—电刷架；7—换向器；8—接线板；9—出线盒；10—换向磁极
（b）直流电动机的磁极与磁路
1—电枢；2—主磁极铁芯；3—励磁绕组；4—换向磁极铁芯；5—换向磁极绕组；6—机座

（1）机座。机座一般用导磁性能较好的铸钢件或钢板焊接而成。机座有两方面的作用：一方面起导磁作用，作为电动机磁路的一部分；另一方面起安装、支撑作用。

（2）主磁极。主磁极是产生直流电动机工作磁场的主要部件。产生磁场有两种方法，一是采用永久磁铁，二是采用电磁原理。采用稀土永磁材料产生磁通的直流电动机称为永磁直流电动机，其主磁极由永磁体构成；采用电磁原理产生磁通的直流电动机一般称为直流电动机，其主磁极由绕有励磁绕组的主磁极铁芯构成。

（3）换向磁极。换向磁极是位于两个相邻主磁极之间的小磁极，又称为附加磁极，其作用是产生换向磁场，改善电动机的换向性能，减小电动机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花。它由换向磁极铁芯和换向磁极绕组组成。

（4）电刷装置。电刷装置的作用是通过电刷与换向器的滑动接触，把转动的电枢与静止的外电路相连接，使电流经电刷进入或离开电枢。

（5）电枢铁芯。电枢铁芯一般采用硅钢片叠压而成，通常在铁芯槽中嵌放电枢绕组。

（6）电枢绕组。电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，以实现能量转换。

（7）换向器。换向器的作用是将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。

（8）转轴。转轴的作用是传递转矩。为了使电动机能可靠地运行，转轴一般用合金钢锻压加工而成。

（9）风扇。风扇用来降低电动机运行时的温升。

3.直流伺服电动机的分类

直流伺服电动机根据产生主磁场方式的不同，分为励磁式和永磁式两类。励磁式直流伺服电动机的主磁场由励磁绕组产生，励磁绕组与电枢绕组是分离的，分别由两个直流电源供电，如图4-3所示，是典型的他励式直流电动机。永磁式直流伺服电动机的主磁场由永磁材料产生。

图4-3　励磁式直流伺服电动机励磁绕组与电枢绕组的连接关系

4.直流伺服电动机的机械特性

直流伺服电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机转速与电磁转矩之间的关系。永磁式直流电动机的机械特性类似于他励直流电动机，下面以他励直流电动机为例讨论直流伺服电动机的机械特性。

电枢绕组通电后，电枢电流Ia与磁通Φ相互作用，产生电磁转矩，使电枢转动。电枢转矩常用式（4-1）表示：

式中：T——电磁转矩（N·m）；

KT——与电动机结构有关的常数；

Φ——磁通（Wb）；

Ia——电枢电流（A）。

当电枢在磁场中转动时，电枢绕组中产生感应电动势，这个感应电动势的方向与外加电源电压的方向总是相反，也称为反电动势。电枢的感应电动势常用式（4-2）表示：

式中：E——电枢感应电动势（V）；

KE——与电动机结构有关的常数；

Φ——磁通（Wb）；

n——电枢转速（r／min）。

电枢的电压平衡方程为

式中：Ua——电枢电压（V）；

E——电枢感应电动势（V）；

Ra——电枢电阻（Ω）；

Ia——电枢电流（A）。

由式（4-2）和式（4-3）可得电枢的转速方程：

根据式（4-1）用T替代Ia，则式（4-4）可写成：

当励磁电压和励磁电阻保持不变时，励磁电流以及由励磁电流所产生的磁通Φ也保持不变，式（4-5）可写成：

式中：即电磁转矩T＝0时的转速，实际上n0是不存在的，因为即使电动机轴上没有加负载，电动机的转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩。所以，通常n0称为理想空载转速；

当Ra、Φ保持不变时，β是一个常数。

因此，直流伺服电动机的机械特性曲线为一条直线，如图4-4所示。

图4-4　直流伺服电动机的机械特性曲线

图4-4中nN为电动机的额定转速，TN为额定转矩。他励电动机机械特性曲线的斜率，由于电枢电阻Ra很小，因此斜率也很小。当负载变化时，电动机转速变化不大，所以他励直流伺服电动机的机械特性是硬特性，电动机稳定性好。在直流伺服系统中，总是希望电动机的机械特性硬一些，这样，当带动的负载变化时，引起的电动机转速变化小，有利于提高直流电动机的速度稳定性。

5.直流伺服电动机的调速

对直流伺服电动机的调速主要是指对电动机转速大小、方向的控制，即对电动机工作状态的控制。由式（4-6）n＝n0-βT可知，当改变电枢电压时，随着电枢电压Ua的改变而改变，的值不变。改变电枢电压得到的电动机的机械特性曲线如图4-5所示。机械特性是一组平行线，改变电枢电压可以得到不同的空载转速，其机械特性曲线只是上下移动，电动机的机械特性硬度不变，这就使得调速幅度较大，可均匀调节电枢电压，以得到平滑的无级调速。所以直流伺服电动机的调速主要采用调压调速。

图4-5　改变电枢电压时的机械特性曲线

控制电枢电压的大小和方向就可以调节直流伺服电动机的转速和方向。在一定负载转矩下，当磁通不变时，如果升高电枢电压，则电动机的转速升高；反之，降低电枢电压，则转速下降；当电枢电压为零时，电动机立即停止转动；若改变电枢电压的极性，可使电动机反转。为保证电动机的绝缘不受损害，电枢电压的变化只能在小于额定电压的范围内适当调节。

目前直流伺服电动机的控制电路较多采用晶闸管调速和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）调速。

1）晶闸管直流调速

由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统称为晶闸管—电动机系统，简称V-M系统，其原理框图如图4-6所示。通过改变给定电压Us来改变晶闸管触发装置GT的触发脉冲的相位，从而可改变晶闸管整流装置V的输出电压Ud的平均值，进而达到改变直流电动机转速的目的。

图4-6　晶闸管直流调速原理

晶闸管整流装置经济、可靠，控制功率小。但由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成了困难。另一个问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并会产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。

2）脉宽调制调速

直流脉宽调制调速的核心是脉冲宽度调制器，它是利用电子开关，将直流电源电压转换成一定频率的方波脉冲电压，然后再通过对方波脉冲宽度的控制来改变平均输出电压的大小与极性，从而达到对电动机进行变压调速的一种方法。简单的脉宽调制电路如图4-7所示。

图4-7　直流脉宽调制调速原理

脉宽调制调速的电流脉动小，电枢电流容易连续，不用在主回路中串入大电感，仅靠电枢电感就可以滤波；系统低速特性稳定调整范围宽，且无须另加设备就可以实现可逆调速；元件只工作在开关状态，主电路损耗小，设备效率较高；交流侧的功率因素和对电网的干扰都比晶闸管整流装置要好。

6.无刷直流电动机

之前介绍的励磁式直流电动机和永磁式直流电动机的工作原理相同，都需要电刷和换向片。由于电刷的存在使电动机结构复杂，容易形成火花，维修不便，限制了电动机的大功率应用，如果能够不要电刷，电动机结构就会大大简单，消除火花。能否采用电力电子装置取代电刷和换向器呢？答案是肯定的。永磁无刷直流电动机（BLDC）就是按照这一设想实现的。

把永磁直流电动机的结构做调整，把永磁体安装在转子上，把电枢绕组安装在定子上，用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷，就得到了永磁无刷直流电动机。

永磁无刷直流电动机既保留了直流电动机良好的运行性能，又具有交流电动机结构简单、维护方便和运行可靠等特点，在航空航天、数控装置、机器人、计算机外设、汽车电器、电动车辆和家用电器的驱动中获得了越来越广泛的应用。

永磁无刷直流电动机一般由电动机本体、逆变器、转子位置检测器和控制电路四部分组成，其结构简图如图4-8所示。

图4-8　永磁无刷直流电动机的结构简图

（1）电动机本体。永磁无刷直流电动机的本体由定子和转子两部分组成。电枢绕组安装在定子上，通常是三相绕组，绕组可以是分布式或集中式，接成星形或三角形，各相绕组分别与逆变器中的相应功率管连接，转子则由永磁体按一定的极对数安装组成。

（2）逆变器。有刷式直流电动机，转子上的电枢绕组接通直流电后，在磁场中受到电磁转矩的作用，转子按一定的方向旋转。对于永磁无刷直流电动机，定子上安装电枢绕组，转子上安装永磁体。要使转子转动，显然电枢绕组的供电源必须能够产生一个旋转磁场，在这个旋转磁场和永磁的作用下，使转子转动。三相对称交流电可以产生旋转磁场，逆变器的作用就是将直流电转换成交流电向电枢绕组供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。

（3）转子位置检测器。转子位置检测器是无刷直流电动机的重要组成部分，用来检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。

（4）控制电路。控制电路根据转子位置检测器测得的电动机转子位置来控制逆变器功率管的开关状态，保证定子绕组准确换相。除此之外，还可控制电动机的转速、转向、转矩以及保护电动机，包括过电流、过电压、过热等保护。

无刷直流电动机的机械特性与他励磁直流电动机的机械特性基本相同，具有良好的控制性能，可以通过改变电压实现无级调速。对定子绕组的导通相进行PWM脉宽调制，则绕组上的平均电压可以被控制，从而控制电动机转速。

二、交流伺服电动机

交流伺服电动机一般有两种：笼型异步交流伺服电动机和永磁同步交流伺服电动机。

1.笼型异步交流伺服电动机

1）笼型异步交流伺服电动机的结构

笼型异步交流伺服电动机的结构与普通笼型异步交流电动机相同，区别在于笼型异步交流伺服电动机输出量可调，即输入电压、电流或频率具有可控性。笼型异步交流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。

笼型异步交流伺服电动机的定子由机座、装在机座内的圆筒形定子铁芯和定子绕组组成。机座由铸铁或铸钢制成，铁芯由互相绝缘的硅钢片叠成，每片内圆周表面冲有槽，用以放置定子绕组，如图4-9所示。在定子铁芯中安放着空间互成90°的两相绕组，如图4-10所示，j1-j2为励磁绕组，k1-k2为控制绕组。因此，异步交流伺服电动机是一种两相交流电动机。

图4-9　定子和转子的铁芯片

1—定子；2—定子绕组；3—转子；4—转子绕组

图4-10　两相绕组分布图

其转子一般为鼠笼式结构，由转轴、转子铁芯和转子绕组等组成。转子铁芯由互相绝缘的硅钢片叠成，每片外圆周表面冲有槽，如图4-11所示，然后将冲片叠压起来将转轴装入铁芯中心的轴孔内。铁芯的每一槽中放有一根导条，所有导条两端用两个短路环连接，构成转子绕组。如果去掉铁芯，整个转子绕组形成一鼠笼状，如图4-11所示，“鼠笼转子”即由此得名。鼠笼的材料一般采用高电阻率的导电材料制造，如青铜、黄铜。(www.xing528.com)

图4-11　鼠笼式转子绕组

1—导条；2—短路环

笼型异步交流伺服电动机的结构如图4-12所示。

图4-12　笼型异步交流伺服电动机的结构

1—端盖；2—轴承盖；3—接线盒；4—散热筋；5—定子铁芯；6—定子绕组；7—罩壳；
8—风扇；9—转子；10—轴承；11—转轴；12—机座

2）异步交流伺服电动机的工作原理

异步交流伺服电动机是两相异步电动机，它的定子上装有两个绕组，两绕组在空间互成90°，一个是励磁绕组，其两端施加励磁电压；另一个是控制绕组，其两端施加控制电压。励磁电压和控制电压频率相同，相位相差90°。当通电后，定子上的两绕组产生一个旋转磁场，在这个旋转磁场的作用下，转子会转动起来。

3）异步交流伺服电动机的控制

通过改变控制电压的大小和相位就可以控制电动机的转速和转向。当励磁电压恒定不变，控制电压的大小变化时，转子的转速会相应发生变化。控制电压大，转子转得快；控制电压小，转子转得慢。当控制电压反相（相位改变180°）时，旋转磁场反转，从而转子也反转。

在电动机运行时若控制电压变为零，则电动机立即停止转动。因为当控制电压为零时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子与脉动磁场之间没有相对运动，因而转子上的感应电动势、感应电流、电磁转矩都不存在，转子静止不动。

2.同步交流伺服电动机

1）同步交流伺服电动机的结构

同步交流电动机和其他类型的旋转电动机一样，由定子和转子两大部分组成，其结构模型如图4-13所示。同步交流电动机的定子由定子铁芯、定子绕组、机座和端盖等组成。铁芯由硅钢片叠成，定子绕组是三相对称绕组。同步交流电动机的转子与异步交流电动机的转子不同，它由转子铁芯、转子绕组、集电环和电刷等组成，通过电刷和集电环给转子上的励磁绕组通入直流励磁电流，可使转子产生固定极性的磁极。

图4-13　同步电动机结构模型

1—磁极；2—定子铁芯；
3—定子绕组；4—励磁绕组

永磁同步交流电动机的转子上装有永久磁铁，以产生固定极性的磁极，省去了转子绕组、集电环和电刷，无须励磁电流，其结构较为简单。因省去了励磁损耗，又可节约能量。随着永磁材料等相关技术的发展，永磁同步交流电动机的应用越来越广泛。

2）同步交流电动机的工作原理

当同步交流电动机的定子三相绕组接到三相对称电源上时，三相绕组中流入三相对称电流，由磁场理论可知，它将产生一个旋转磁场，如果转子已经通入直流励磁电流产生了固定的磁极极性，且转子转速接近于旋转磁场的同步转速，根据同名磁极相斥、异名磁极相吸的原理，旋转磁场磁极对转子磁极产生的磁拉力则会牵引着转子以同步转速旋转。由于这种交流电动机转子的转速与旋转磁场的转速相同，故称为同步交流电动机。

3）同步交流电动机的启动

同步交流电动机的电磁转矩由定子旋转磁场和转子励磁磁场之间的相互作用产生，只有两者相对静止时，才能产生稳定的电磁转矩。同步交流电动机启动时，定子加上交流电压，由于转子的惯性，其速度不能突变，而磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场旋转。因此，同步交流电动机无自启动能力，必须采取一定的启动措施。同步交流电动机的启动方法有辅助电动机启动法、变频启动法和异步启动法三种。

（1）辅助电动机启动法。

辅助电动机启动法用一台辅助电动机来拖动同步交流电动机，将同步交流电动机的转子拖动至接近同步转速，然后将同步交流电动机并入电网，撤出辅助电动机，最后再加上机械负载。这一方法适合空载启动。

（2）变频启动法。

变频启动法利用变频器进行启动。启动时，通过变频器给定子加上较低频率的电压，低频电源产生的较低转速的旋转磁场可以拖动转子转动起来，然后逐渐提高电源频率，转子转速也逐步提高，直至达到电动机要求的转速为止。

（3）异步启动法。

异步启动法是通过启动绕组来实现的。例如，永磁同步交流电动机在永磁转子上加装笼形绕组（启动绕组），根据异步交流电动机的原理可知，接通电源后，在旋转磁场产生的同时，就会在笼形绕组上产生感应电流，转子会像交流异步电动机一样启动旋转。这就是异步启动永磁同步交流电动机。启动结束后，由于转子与定子磁场无相对运动，故启动绕组不起作用。

4）同步交流电动机的调速

同步交流电动机的转速与电源频率保持严格的同步关系，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。同步交流电动机调速的主要方式是变频调速，按频率控制方式的不同可分为他控式变频调速和自控式变频调速。

（1）他控式变频调速的变频装置与电动机是独立的，变频装置的输出频率由转速给定信号决定，系统一般为开环。这种调速方式控制简单，但存在转子振荡和失步问题。

（2）自控式变频调速的变频装置与电动机非独立，变频装置的输出频率是依据转子位置决定的，即其为电源频率自动跟踪转子位置的闭环系统。由于同步交流电动机的供电频率受转子位置的控制（定子磁场转速与转子转速相等，则始终保持同步），因此不会出现转子振荡和失步的隐患。

三、步进电动机

步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件，可将电脉冲信号转换成直线位移或角位移，广泛应用于打印机、数控设备、绘图仪、机器人、磁盘驱动器等设备中。步进电动机按励磁方式的不同可分为反应式、永磁式和混合式三种，其中反应式使用最为普遍。

1.步进电动机的结构

步进电动机由定子和转子两大部分组成。现以三相反应式步进电动机为例说明其工作原理，其他步进电动机的工作原理与反应式步进电动机相似。图4-14所示为三相反应式步进电动机的结构。三相反应式步进电动机的转子无绕组，它是由带齿的铁芯做成的。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，位置相对的磁极上的绕组连在一起，作为一相，共分成A、B、C三相。步进电动机除做成三相之外，还可做成四相、五相、六相。

图4-14　三相反应式步进电动机的结构

2.步进电动机的工作原理

设启动时转子上的1、3齿在A相绕组磁极的附近，当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A磁级对齐，如图4-15（a）所示。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B磁级对齐，则转子就逆时针方向转动一步，如图4-15（b）所示。当再下一个脉冲通入C相时，同理1、3齿要和C磁极对齐，也即转子再逆时针走一步，如图4-15（c）所示。依次不断地给A、B、C相通以脉冲，则步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。若通电脉冲的次序为A、C、B、A、…，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序就可以实现对步进电动机的控制。

图4-15　三相反应式步进电动机的工作原理

定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三相步进电动机除了“三相单三拍”方式外，还有“三相双三拍”“三相六拍”多种控制方式。

1）三相单三拍方式

由于三相单三拍方式每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，易在平衡位置附近产生振荡，电动机工作的稳定性较差，故在实际应用中一般不采用单三拍的工作方式。

2）三相双三拍方式

三相双三拍方式是按AB—BC—CA—AB或相反的顺序通电的，如图4-16所示。由于每次同时给两相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。

图4-16　三相双三拍的工作原理

3）三相六拍方式

三相六拍方式是按A—AB—B—BC—C—CA—A或相反的顺序通电的，如图4-17所示。每输入一个电脉冲信号，转子转过的角度称为步距角。三相六拍方式的步距角比前两种控制方式的步距角小一半，因而精度更高，且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定，故这种方式被大量采用。

图4-17　三相六拍的工作原理

3.步进电动机的控制

步进电动机绕组的通／断电次数和各相通电顺序决定了输出的角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制，这种使电动机绕组的通／断电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的过程称为环形脉冲分配。

实现环形分配的方法有两种：一种是计算机软件分配，即采用查表或计算的方法依次输出满足速度和方向要求的环形分配脉冲信号。这种方法能充分利用计算机软件资源，以减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更显示出其优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。

另一种是硬件环形分配，即采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，其特点是体积大、成本高、可靠性差。专用的环形分配器目前在市面上有很多种，采用专用的环形分配器的优点是使用方便、接口简单。

四、开关磁阻电动机

开关磁阻电动机的研究最早可以追溯到19世纪40年代，英国研究者将其应用于机车牵引系统，直到20世纪60年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展，开关磁阻电动机的设计开发才得以全面开展。其具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点。

开关磁阻电动机定子和转子均采用凸极结构，定子和转子铁芯均用硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成。定子采用集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组；转子上既无绕组也无永磁体。如图4-18所示，开关磁阻电动机是基于磁阻最小的原理（磁通总是沿磁阻最小的路径闭合），当定、转子齿中心线不重合，磁阻不为最小时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁阻最小的位置，即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。当向定子各相绕组中依次通入电流时，使得转子不断地移到磁阻最小的位置，电动机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动，从而驱动转子旋转。如果改变定子各相的通电次序，则电动机将改变转向。

图4-18　开关磁阻电动机

五、电动机控制集成电路

电动机控制驱动器是实现电动机控制的基本部件，开发一个电动机控制驱动器是一项烦琐的工作。现在，随着微电子技术、电力电子技术和自动控制技术的飞速发展，电动机控制集成电路的广泛应用，设计任务大大减轻，设计人员只需根据任务要求，选取一些成熟的电动机控制集成电路和驱动模块即可。

用于电动机控制的集成电路大致可以分为三大类：电动机控制专用集成电路、专为电动机控制设计的微控器（MCU）和数字信号处理器（DSP）集成电路。这三类电动机控制用集成电路的性能和应用范围各不相同。电动机控制专用集成电路大多为模拟数字混合电路，在小功率的低端应用具有较大的优势和市场占有率，其特点是使用简单、开发周期短，但在系统设计的灵活性及性能等方面受到限制。针对电动机控制应用的MCU和DSP编程方便，非常适用于对控制性能和系统灵活性有一定要求的场合。

电动机控制专用集成电路作为专用集成电路的一个重要方面，世界上多数大型半导体厂商都有自己开发的电动机控制专用集成电路，如三菱电机公司的M51660L是为无线操纵的车、船、飞机模型等电动玩具专门设计的，由无线电接收器发出脉宽变化信号，通过M51660L来驱动直流电动机做旋转和正反转运动；Infineon公司的TLE4206G是一个用于汽车及其他工业直流电动机伺服控制的H桥驱动器；日本无线电公司（JRC）生产的NJM2611是无线电操纵控制用直流伺服电动机集成电路，可用于电源电压变化范围较宽的场合；Allegro MicroSystems公司生产的电动机驱动集成电路在办公自动化、工业自动化、汽车和便携式电子设备等方面都有应用；LSI Computer Systems公司的LS7560／LS7561适用于无刷直流电动机闭环或开环控制；ON Semiconductor公司的MC33039是专门用于无刷直流电动机控制系统的高性能闭环速度控制适配器，可实现精确的速度调整。

电动机控制的MCU与DSP在特性上各有不同。MCU侧重于I／O接口的数量和可编程存储器的大小，所以MCU非常适用于有大量I／O操作的场合；而DSP的特长在于高速运算，侧重于运算速度。市场上较通用的变频器大多采用单片机来控制，应用较多的是8096系列产品。但单片机的处理能力有限，对于需要处理大量数据且实时性和精度要求较高的系统，单片机往往不能满足要求。

与MCU相比，DSP具备更强的信号处理构架。通过软件编程、附加的函数功能和运算法则等，DSP可实现高效率和高级控制过程。但DSP算法复杂，不易掌握。随着集成电路技术的发展，使得DSP的成本快速下降，DSP的应用场合日益广泛，DSP正渗透到整个电动机控制市场。为了在广阔的市场抢占份额，各大DSP生产厂商都推出了自己的内嵌式DSP电动机控制集成电路，如美国德州仪器（TI）公司生产的2000系列的DSP、美国Analog Devices（AD）公司生产的ADMC3XX系列的DSP，都非常适合电动机控制。

六、电动机的选型

在选择伺服电动机时，应根据系统的技术要求、运行地点的外部环境、供电电源以及传动机构的配合，合理地选择电动机的类型、性能参数及外部结构，使电动机在高效率、低损耗的状态下可靠工作。

1.电动机类型的选择

在选择电动机时，在满足过载能力、启动能力、调速性能及运行状态等要求的前提下，优先选择结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。

长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需要经常维护；换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制；而且直流电动机结构复杂，制造困难，对钢铁材料消耗大，制造成本高。

20世纪后期，随着电力电子技术的发展，交流电动机应用于伺服控制越来越普遍。与直流伺服电动机相比，交流伺服电动机不需要电刷和换向器，因而维护方便，并对环境无要求。此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和质量较小，结构简单，价格便宜等优点，尤其是交流电动机变频调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。交流电动机的缺点是转矩特性和调节特性的线性度不如直流伺服电动机好；在伺服系统设计时，除某些操作特别频繁或交流伺服电动机在发热和启、制动特性不能满足要求时选择直流伺服电动机外，一般尽量考虑选择交流伺服电动机。

2.电动机主要性能参数的选择

电动机的主要性能参数有额定功率、额定电压和额定转速。

1）额定功率的选择

额定功率的选择十分重要。如果额定功率选择过小，电动机经常在过载工况下运行，电动机将因过热而过早损坏，或者有时还会因为难以承受冲击负载而造成启动困难。额定功率选得过大也不合理，一方面增加了设备投资，另一方面由于电动机经常在欠载下运行，其效率及功率因素等性能指标变差，造成电能浪费。

确定额定功率时主要考虑两个因素：电动机的发热及升温和电动机的短时过载能力。

2）额定电压的选择

额定电压的选择应综合考虑其额定功率和所在系统的配电电压及配电方式。

3）额定转速的选择

额定转速的确定应综合考虑电动机和系统传动机构两个方面。

3.电动机外部结构形式的选择

主要从电动机的安装条件、工作环境等方面综合考虑，来选择电动机的外部结构，如电动机的外壳防护形式有开启式、防护式、封闭式和防爆式。开启式电动机散热好、价格低，但容易进灰尘、水滴、铁屑等杂质，只能在清洁干燥的环境中使用；防护式电动机在基座下面有通风口，散热好，可防止杂物落入电动机内，但潮气和灰尘能进入，因此一般适用于干燥清洁的环境；封闭式基座及端盖上均无通风孔，散热差，多用于灰尘多、潮湿、有腐蚀性气体等较恶劣的环境；防爆式电动机适用于有易燃易爆气体的场所。

任务实施

步骤一　查阅相关资料

以小组（5～8人为宜）为单位，查阅相关资料或网络资源，学习电气驱动的相关知识。

步骤二　参观实训基地

现场参观汽车维修实训室，了解驱动电机在汽车上的应用，观察所用到的电动机类型及安装位置，并做好详细记录。

步骤三　分析驱动电机在汽车上的应用

小组间进行交流与学习，梳理知识内容，分析汽车上驱动电机的类型及其使用特点。

驱动电机在汽车上的应用

目前，车辆驱动用的电动机类型大致有直流有刷电动机、交流异步电动机、开关磁阻电动机和直流无刷电动机，其主要分布于汽车的发动机、底盘、车身三大部分及其附件中，见表4-2。

表4-2　汽车上的电动机

汽车的种类很多，各种车辆的性能指标不同，对驱动电机的要求也不同。因此针对主要应用特点，选择最适合的驱动电机方案。例如，高档轿车对电动机体积、质量要求高，同时要求低转矩脉动和低噪声，故可选用永磁电动机；对于跑车、越野车等对加速特性或过载能力要求高，且要求具有超高速运行能力，故应优选开关磁阻电动机；环保车或观光车等车型，对电动机性能要求不很高，但对低成本要求高，故可优先用交流异步电动机。

任务评价