永磁無刷電動機系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1、引用 永磁無刷電動機系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀無刷電機繞組繞線機2008-11-29 19:55:17|分類：默認(rèn)分類|標(biāo)簽：|字號大中小訂閱引用David 的 永磁無刷電動機系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀莫會成（西安微電機研究所 , 西安 710077 ）來源：永磁電機會議論文集，編輯：閆晶芬摘要：永磁無刷電動機系統(tǒng)是以電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)的電氣傳動控制系統(tǒng)。隨著電機技術(shù)、控制理論、數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、新材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從步進伺服到直流伺服，進而到永磁無刷電機伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前已成為電機控制技術(shù)的主流方向。系統(tǒng)組成永磁無刷電動機系統(tǒng)是根

2、據(jù)位置、速度和轉(zhuǎn)矩等反饋信息構(gòu)成的控制系統(tǒng)，由永磁無刷電動機、傳感（傳感器）和驅(qū)動器三部分組成（見圖1）。系統(tǒng)有開環(huán)運行、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制和位置控制 4種基本運行方式， 見圖 2 圖5。其中圖 4和圖 5 是用于高精度的控制系統(tǒng)，如數(shù)控機床的進給驅(qū)動等。圖1永磁無刷電動機系統(tǒng)方框圖圖 2開環(huán)運行方框圖圖3轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方框圖圖圖 4速度控制系統(tǒng)方框圖永磁無刷電動機是通過電子電路換相或電流控制的永磁電動機。永磁無刷電動機有正弦波驅(qū)動和方波驅(qū)動兩種型式：驅(qū)動電流為矩形波的通常稱為永磁無刷直流電動機，驅(qū)動電流為正弦波的通常稱為永磁交流伺服電動機，按傳感類型可分為有傳感器電動機和無傳感器電動機。驅(qū)動器

3、指接受控制指令、可實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)矩、速度和轉(zhuǎn)子位置控制的電氣裝置。驅(qū)動器按其控制電路和軟件的實現(xiàn)方式可分為模擬量控制、數(shù)字模擬混合控制和全數(shù)字控制三種；按驅(qū)動方式可分為方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動。圖5位置控制系統(tǒng)方框圖傳感部分的作用是檢測永磁無刷電動機的位置、速度和電流。常用的傳感器有接近開關(guān)、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾元件和電流傳感器等。結(jié)構(gòu)、設(shè)計和工藝2.1 電機結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)是將永磁直流電動機的定、轉(zhuǎn)子位置進行互換，通常稱為“內(nèi)翻外”，轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱繞組，直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器所代替。所以無刷電動機實際上

4、是一種永磁同步電機，如圖 6所示。圖 6永磁無刷電動機結(jié)構(gòu)圖7外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機另外，永磁無刷直流電動機可以做成外轉(zhuǎn)子型和盤式轉(zhuǎn)子型。其結(jié)構(gòu)見圖 7和圖 8。外轉(zhuǎn)子型電機的永磁磁極轉(zhuǎn)子位于定子的外側(cè)，轉(zhuǎn)矩脈動小，容易做成扁平型，慣量較大。盤式轉(zhuǎn)子型電機的氣隙平面與軸垂直，盤式轉(zhuǎn)子與永磁磁極相向配置，電機成扁平形，可做成有槽結(jié)構(gòu)，見圖 8，也可以做成無槽、無鐵心結(jié)構(gòu)。這種電動機常用于 FDD 和 CD 的直接驅(qū)動等。圖 8盤式轉(zhuǎn)子無刷直流電動機無刷直流電動機多采用釤鈷（ SmCo ）和釹鐵硼（ NdFeB ）等稀土永磁。常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有表面式磁極，嵌入式磁極和環(huán)形磁極 3種，如圖 9所示。

5、圖 9a 結(jié)構(gòu)是在鐵心表面粘貼徑向充磁的瓦片形永磁體，有時也采用矩形小條拼裝成瓦片形磁極，以降低制造成本。圖 9b 結(jié)構(gòu)是在鐵心中嵌入矩形永磁體。其優(yōu)點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可以獲得較大的磁通。 但結(jié)構(gòu)需要作隔磁處理或者采用不銹鋼軸。 對于高轉(zhuǎn)速運行的電機，圖 9a 和圖 9b 的結(jié)構(gòu)需在轉(zhuǎn)子外表面套一個 0.3 mm0.8 mm 的磁性緊圈，防止離心力將磁鋼甩出。緊圈材料通常采用不導(dǎo)磁的不銹鋼，也可以用環(huán)氧無緯玻璃絲帶縛扎。圖 9c 結(jié)構(gòu)是在鐵心外套上一個整體稀土永磁環(huán)。 該環(huán)形磁體徑向充磁為多極， 適用于小功率的電機。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子制造工藝性較好。2.2設(shè)計工藝技術(shù)發(fā)展

6、動向1）設(shè)計手段不斷完善隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及電磁場數(shù)值計算、優(yōu)化設(shè)計和仿真技術(shù)的不斷完善，形成了以電磁場數(shù)值計算、等效磁路解析求解、場路結(jié)合求解等一整套分析研究方法和計算機輔助分析的設(shè)計軟件。如 Ansoft 公司、 MagneForce 公司、 Jmag 公司均推出各種類型的電機設(shè)計軟件，以方便快捷地完成從電機的電磁設(shè)計計算、損耗計算、優(yōu)化設(shè)計、噪聲抑制、特性分析等。針對無刷電機特點，提供多種轉(zhuǎn)子類型、多種繞組型式及主電路的連接方式，以便組合。 2006 年三季度，加拿大以電磁計算分析著名的 Infolytica 公司，推出了專門針對永磁無刷電機的 Motorsolve 設(shè)計軟件。圖9無

7、刷直流電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式這些軟件除了對電機進行電磁設(shè)計，還可對電機在槽形、繞組、材料等設(shè)計變量改變情況下多方案比較分析、電磁場精確計算和電機多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，并包括控制電路、控制算法在內(nèi)的整個設(shè)計流程，既可以提供任意時刻電機內(nèi)電磁場分布數(shù)據(jù)，又能對電機工作時所關(guān)心的各類運行曲線，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率、效率等提供結(jié)果，同時還能提供齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、轉(zhuǎn)速波動等詳細指標(biāo)參數(shù)，并可完成電機的各類正常工況和故障工況的仿真實驗，包括起動、堵轉(zhuǎn)、突加突減負載、突然短路等等。2）分?jǐn)?shù)槽技術(shù)應(yīng)用日益增多分?jǐn)?shù)槽繞組技術(shù)在永磁無刷電動機中的應(yīng)用已逐漸增多。如在電動自行車電機中采用三相、 40 極、 36 槽；

8、Collmorgen 公司 Goldline 系列交流伺服電機采用 4極、 18 槽， 6 極、 24 槽等；松下伺服電機采用 6極、9槽，8極、12槽等每極每相槽數(shù) q=1/2 的分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)。對于多極的無刷電動機采用分?jǐn)?shù)槽繞組，可以較少的定子槽數(shù)達到多槽能達到的效果。采用分?jǐn)?shù)槽繞組有以下優(yōu)點：a)電機電樞槽數(shù)大為減少，有利于槽利用率的提高；b)較少數(shù)目的元件數(shù)，可簡化嵌線工藝和接線，有助于降低成本；c)有可能得到線圈節(jié)距 y=1的設(shè)計（集中繞組），便于采用自動繞線機繞制，提高工效；同時各個線圈端部沒有重疊，不必設(shè)相間絕緣；d)線圈周長和繞組端部縮短， 電動機繞組電阻減小， 銅損隨之也減低

9、， 提高了電動機的性能。采用分?jǐn)?shù)槽繞組的磁動勢諧波遠大于整數(shù)槽繞組，如圖10所示。圖10整數(shù)槽繞組與分?jǐn)?shù)槽繞組（q=1/2 ）時的反電動勢比較3）無槽、無鐵心結(jié)構(gòu)電機無鐵心無刷電動機的出現(xiàn)是采用新材料、新工藝的結(jié)果。電樞采用耐熱性能優(yōu)越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩(wěn)定運行；由于電樞無鐵心，電感小，完全消除了鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，消除了由齒槽效應(yīng)帶來的轉(zhuǎn)矩波動，具有優(yōu)異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉(zhuǎn)速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結(jié)構(gòu)，負載動行時，噪聲及振動都很低。無鐵心無刷電機可采用軸向磁場結(jié)構(gòu)和徑向磁場結(jié)構(gòu)。軸向磁場結(jié)構(gòu)的電機電樞繞組徑向按一定規(guī)律分布，在

10、專用模具中固化成形，電樞兩側(cè)均為盤狀轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)子磁體為軸向磁化，兩側(cè)轉(zhuǎn)子可同時布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可一側(cè)布置永磁體磁極而另一側(cè)布置轉(zhuǎn)子磁軛，成單勵磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。徑向磁場結(jié)構(gòu)電機的電樞繞組軸向按一定規(guī)律分布成筒狀，其電樞內(nèi)、外圓處均為筒狀轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)子磁極為徑向磁化，內(nèi)、外圓可同時布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可在其中一個圓周上布置永磁體磁極，而另一圓周上只布置轉(zhuǎn)子磁軛，成單勵磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。徑向磁場結(jié)構(gòu)和軸向磁場結(jié)構(gòu)均可根據(jù)要求制造成內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖 11為徑向磁場結(jié)構(gòu)的無鐵心無刷電動機典型結(jié)構(gòu)。圖11無鐵心無刷電動機結(jié)構(gòu)圖圖 12分割型定子沖片和鐵心典型盤

11、式無刷電動機定子、轉(zhuǎn)子均為圓盤形，采用軸向氣隙磁場，可做成有鐵心和無鐵心兩種結(jié)構(gòu)，定子繞組呈徑向分布。無槽結(jié)構(gòu)無刷電動機消除了齒槽效應(yīng)，具有轉(zhuǎn)矩波動小、運行平穩(wěn)、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等一系列優(yōu)點，成為很有發(fā)展前景的無刷電動機。小直徑的電動機，無槽結(jié)構(gòu)能獲得比有槽結(jié)構(gòu)更大的轉(zhuǎn)矩指標(biāo)；在特殊條件下，例如要求電動機的轉(zhuǎn)矩和功率相對不大，對電動機的體積限制不嚴(yán)，而對電動機的控制要求很高的情況下，采取無槽結(jié)構(gòu)會獲得好的效果。國內(nèi)無槽無刷電動機已有系列產(chǎn)品，功率范圍至30 kW ，最高轉(zhuǎn)速可達 20 000 r/min 。4）工藝不斷革新在電機制造方面，通過對傳統(tǒng)工藝的不斷革新，出現(xiàn)了分割型

12、定子鐵心結(jié)構(gòu)和連續(xù)繞線工藝方法。采用多極集中繞組，減少繞組端部長度，以適應(yīng)生產(chǎn)自動化，使產(chǎn)品向低成本、低價格方向發(fā)展。同時出現(xiàn)了適應(yīng)不同性能參數(shù)永磁材料的瓦型、環(huán)型表面粘接結(jié)構(gòu)和各種不同設(shè)計嵌入式磁體結(jié)構(gòu)等新的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。對于節(jié)距 y=1分?jǐn)?shù)槽設(shè)計， 用專用繞線機直接繞制定子線圈， 對于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機比較方便，但對于內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機，特別是定子內(nèi)徑小的小功率電機，就要困難得多了。為此，分割型定子鐵心結(jié)構(gòu)的構(gòu)思提出來了。圖 12所示為一種新型定子鐵心結(jié)構(gòu)，把定子鐵心每齒分割開來，可以在鐵心展開的狀態(tài)下繞制線圈，以便隨時調(diào)整線圈，實現(xiàn)規(guī)則繞制。繞圈繞制完成后，再把全部磁極對接成圓，形成一個完整

13、的定子。這時，電樞槽的利用率可達 85% 以上。日本松下生產(chǎn)的永磁交流伺服電動機最早采用上述新工藝，生產(chǎn)效率大大提高，產(chǎn)品體積大為減小，性能也有質(zhì)的提升。以 400 W 為例，定子外徑從最早的 125 mm 減小到 56 mm ，效率由最早的 70% 提高到 85% ，溫升為 80K 。傳感與傳感器技術(shù)3.1 轉(zhuǎn)子磁場位置傳感器在無刷直流電動機中，常用的位置傳感器有以下幾種。1）電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來檢測轉(zhuǎn)子位置，有開口變壓器、接近開關(guān)電路等；使用較多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號強、工作可靠、壽命長、適應(yīng)性強、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點，多用于航空航天領(lǐng)域，

14、但體積較大，信噪比較低，同時，其輸出波形為交流，需整流、濾波方可使用，因而限制了它在普通條件下的應(yīng)用。2）磁敏式位置傳感器常見的磁敏式位置傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成?；魻栐恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低，是目前應(yīng)用最多的一種位置傳感器?；魻栐a(chǎn)生的電動勢很低，往往需要外接放大器，很不方便，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封裝成三端模塊，構(gòu)成霍爾集成電路?；魻柤呻娐酚虚_關(guān)型和線性型兩種，通常用開關(guān)型作為位置傳感器。3）光電式位置傳感器光電式位置傳感器由安裝在電機轉(zhuǎn)子上的遮光盤和固定不動的光電開關(guān)組成。其原理如圖 13 所示。遮光盤上開有 150 電角度的扇形開

15、口，扇形開口的數(shù)目等于無刷直流電機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。 4極電機所用遮光盤如圖 13。光電開關(guān)通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器。圖13光電傳感器對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機， 3 個光電開關(guān)在空間依次相差 120 電角度，光電開關(guān)與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器。4）對于高精度無刷伺服系統(tǒng)，用于速度和位置反饋的傳感器有：（1）光學(xué)絕對式編碼器絕對式編碼器的精度由光電碼盤的機械位置決定，不受停電等干擾影響；由機械位置決定的每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。（2）光學(xué)增量式編碼器增

16、量編碼器的特點是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)一個增量位移角，不能直接檢測出軸的絕對角度。常選用的分辨率為每轉(zhuǎn) 2500 個脈沖。（3）無刷旋轉(zhuǎn)變壓器 +R/D 變換器無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測元件，適用于高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高振動等旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場合。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的精度主要由函數(shù)誤差和零位誤差衡量。其精度高于自整角機。（4）感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制做的；可用來測量直線和轉(zhuǎn)角位移；測量直線位移的稱長感應(yīng)同步器，測量轉(zhuǎn)角位移的稱圓感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器的優(yōu)點是分辨率

17、高、抗干擾能力強、壽命長，維護簡便。（5）無刷測速發(fā)電機。用于精度要求不高的無刷伺服系統(tǒng)的速度和位置傳感器有：（1）磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器；（2）磁電式脈沖測速發(fā)電機；（3）磁性編碼器；此外，在經(jīng)濟型系統(tǒng)中，還有利用轉(zhuǎn)子磁場位置信號經(jīng)倍頻處理或利用在電機槽中放置線圈的簡易型測速發(fā)電機作速度和位置檢測的方式。 。3.2無位置傳感器檢測技術(shù)1）利用反電動勢檢測轉(zhuǎn)子位置按照無刷直流電動機工作原理，必須要有轉(zhuǎn)子磁極位置信號來決定電子開關(guān)的換相。目前，大多數(shù)采用安裝位置傳感器（例如霍爾元件）方法來得到這些信號。它有必須占用電機一些空間，安裝位置要準(zhǔn)，需較多引出線，影響可靠性，在某些場合，如壓縮機內(nèi)的高溫高壓環(huán)境

18、，不允許安放霍爾元件。為此，80年代以來，微機控制技術(shù)的快速進展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)方法，是當(dāng)代無刷直流電動機控制研究熱點之一。它從電子電路以軟件方法獲得轉(zhuǎn)子磁極位置信號，實現(xiàn)電子換相。在諸多方法中，以反電勢法較成功。它檢測不激勵相繞組的反電勢過零點，經(jīng)過運算后，決定換相時刻。這也是硬件軟件化的一個成功例子。反電動勢法的缺陷是當(dāng)電機在靜止或低速運行時， 反電動勢為 0或太小，因而無法利用，一般采用專門的起動電路，使電機以他控變頻方式起動，當(dāng)電機具有一定的初速度和電動勢后，再切換到自控變頻狀態(tài)。這個過程稱為三段式起動，包括轉(zhuǎn)子定位、加速和運行狀態(tài)切換三個階段。2）續(xù)流二極管檢測法

19、通過對逆變器開關(guān)管施加特殊時序的斬波控制信號，使電機繞組的續(xù)流電流沿著特定的回路流通，當(dāng)斷開相繞組的反電動勢過零時，與斷開相開關(guān)管并聯(lián)的續(xù)流二極管中將流過續(xù)流電流，通過對該續(xù)流二極管導(dǎo)通與否的檢測就可以確定出繞組反電動勢的過零點，從而得到電機的轉(zhuǎn)子位置信號。這種檢測方法實際檢測的也是繞組的反電動勢，但是檢測的靈敏度相對較高，在電機額定轉(zhuǎn)速的 2% 以上有效，起動容易、調(diào)速比大，缺點是實現(xiàn)電路稍復(fù)雜一些。3）瞬時電壓方程法利用電機各相瞬時電壓和電流方程，實時計算電機由靜止到正常運轉(zhuǎn)任一時刻轉(zhuǎn)子的位置，控制電機的運行。該方法不需專門的起動線路，電路簡單、起動轉(zhuǎn)矩大，但對電機本體的數(shù)學(xué)模型依賴性大，

20、當(dāng)電機參數(shù)因溫度變化發(fā)生漂移時，容易造成建模誤差，使控制精確性受到影響；另外，由于在線計算復(fù)雜，計算量很大，考慮到轉(zhuǎn)子位置檢測的實時性，必須采用具有快速運算能力的 DSP 和高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。4）脈沖注入法轉(zhuǎn)子位置的不同使電機磁場的分布也不同。該方法采用脈沖注入檢測無刷電機靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)子位置，通過依次向定子繞組注入一系列脈沖，根據(jù)測量得到的電流峰值判斷轉(zhuǎn)子位置。該方法對電機參數(shù)的依賴性低?？刂萍夹g(shù)發(fā)展動向4.1DSP 的應(yīng)用促進了無刷電動機系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展1） DSP 的特點隨著技術(shù)進步和用戶對電機控制器的運算速度、數(shù)據(jù)處理能力、控制精度和實時性提出了更高的要求，過去單純的靠開、停時間長短或

21、單片機來控制電機運行的方式已不能滿足實際需要；特別是對于采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，對系統(tǒng)的實時性和精度要求較高，單片機往往不能滿足要求。與單片機相比， DSP 器件集成度較高， CPU 速度較快，存儲器容量更大，更適用于電動機的變速驅(qū)動控制，同時可以提高系統(tǒng)的性能，降低成本和功耗，簡化外圍電路的設(shè)計工作。因此，為了達到電機控制不斷增加的計算量和速度要求，更好地發(fā)揮電機的運行性能，具有強大數(shù)字信號處理功能的 DSP 芯片應(yīng)運而生。 DSP 技術(shù)的應(yīng)用使現(xiàn)代控制理論中先進而復(fù)雜的算法得以實現(xiàn)。 DSP 芯片的飛速發(fā)展促進了無刷電機控制技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。DSP 把現(xiàn)實生活中的各

22、種模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用數(shù)學(xué)計算方法來處理這些數(shù)字信號并得到相應(yīng)結(jié)果。 數(shù)字信號處理的主要任務(wù)是完成大量的實時計算。 例如在 DSP 中常用的 FIR 濾波和 FFT 快速算法。DSP 芯片是一種特別適用于數(shù)字信號處理的微處理器。它強調(diào)對數(shù)據(jù)進行運算處理的實時性，除具備普通微處理器強調(diào)的快速計算和控制功能，在芯片結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流程和指令系統(tǒng)方面有較大改進。例如： 采用哈佛結(jié)構(gòu)及改進的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的指令執(zhí)行速度，更適于處理具有高度實時要求的數(shù)字信號。廣泛采用流水線技術(shù)，加快指令執(zhí)行速度，增強了處理器處理數(shù)據(jù)的能力。采用多總線結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)芯片的總線沖突問題，大大提高

23、了系統(tǒng)的速度和效率。可以在一個周期內(nèi)同時訪問數(shù)據(jù)和程序存儲空間，解決了傳統(tǒng)芯片的總線沖突問題，大大提高了系統(tǒng)的速度和效率?？焖俚闹袛嗵幚砟芰陀布?I/O 接口支持。2） DSP 在無刷電機控制中的應(yīng)用（1）DSP 技術(shù)在無刷電機控制中的發(fā)展20世紀(jì) 80年代，數(shù)字信號處理技術(shù)開始應(yīng)用于電機控制領(lǐng)域，其主要用來直接控制感應(yīng)電機的磁通量和轉(zhuǎn)矩，以達到對電機轉(zhuǎn)矩進行快速、高性能的控制。典型的產(chǎn)品代表為 TI 公司的 TMS32010 。但由于以前數(shù)字信號處理器芯片的價格較高，人們對其在電機控制中的應(yīng)用也沒有給予足夠的重視，這種芯片主要用在通訊、圖像處理等領(lǐng)域，而在電機控制中的應(yīng)用較少，后來由于數(shù)字

24、信號處理器芯片的性價比不斷提高，而且其強大的數(shù)字信號處理能力越來越受到用戶的歡迎， DSP 的應(yīng)用得到了較快的發(fā)展。盡管最初把 DSP 技術(shù)應(yīng)用于電機控制的目的是其快速的數(shù)據(jù)處理能力能夠?qū)﹄姍C進行矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制， 使復(fù)雜的算法得以實現(xiàn)， 但以前的 DSP 芯片沒有集成數(shù)模轉(zhuǎn)換和脈寬調(diào)制等外圍電路，芯片只是作為在算法上比 MCU 占優(yōu)勢的通用處理器來使用，大大增加了系統(tǒng)的體積和產(chǎn)品的成本，增加系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，延長開發(fā)周期，降低系統(tǒng)工作的可靠性。(2)典型的 DSP 芯片在無刷電機控制中的應(yīng)用TI 系列 DSP 芯片TI 公司于 1998 年推出的 TMS320F240 是電機控制領(lǐng)域一

25、個劃時代的進步。芯片的執(zhí)行速度很快，在 20 MHz 的時鐘頻率下，指令周期僅為50 ns ，且多數(shù)指令都能在一個指令周期內(nèi)完成，片內(nèi)具有Flash ROM 。內(nèi)部有 16 通道兩路轉(zhuǎn)換精度為 10 位的 AD 變換器，轉(zhuǎn)換時間僅為 6.6 s。在電機調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成電流閉環(huán)時，反饋電流信號可以經(jīng)AD 輸入 CPU 處理。另外， TMS320F240 還提供 28個 I/O 口，用于控制系統(tǒng)所需的各種開關(guān)量。芯片內(nèi)集成的事件管理器 （ EV）具有控制三個半高橋的能力，當(dāng)各個橋需要互補的PWM 去控制時，EV 可以提供這種功能，極大地方便了電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。 它是專門用于電機控制的模塊。AD 系列

26、 DSP 芯片AD 公司推出基于 16位26MIPS 定點 DSP 核 ADSP2171 的 ADMC300 、330 、331 電機控制芯片，把數(shù)字信號處理器和外圍電路結(jié)合在一起，集成了 16位三相 PWM 發(fā)生器、存儲器，串行通訊口，定時器等外圍器件，還具有 7路模擬量的輸入通道，用戶不必在外圍再設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而降低成本，提高系統(tǒng)工作的可靠性。采用 ADSP2100 系列的代碼兼容語言，使程序的移植非常方便，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，工作量大大減少。AD 公司開發(fā)的電機控制 DSP 芯片 ADMC401 具有一套完備的外圍控制接口和豐富的電機控制外設(shè)電路， 增強了 DSP 的快速運算能力，

27、 可以在高度集成的環(huán)境中對電機進行控制。它的基本控制外設(shè)電路是帶有 8路模擬量輸入的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、光電編碼器接口單元和靈活、簡便的脈沖寬度調(diào)制單元，可以輸出 6路 PWM 信號，以控制逆變器功率開關(guān)的動作，借助于快速、高精度的模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制器來監(jiān)視和調(diào)控電機的運行。 ADMC401 芯片可廣泛應(yīng)用于控制交流電機、直流電機及開關(guān)磁阻電機等。Motorola 系列 DSP 芯片Motorola 公司研制的 DSP56F8xx 系列集成了 Motorola 16 位定點 DSP 微控制器內(nèi)核 DSP56800 。芯片內(nèi)核最高可工作于 80 MHz ，指令執(zhí)行速度可達 40MIPS ，單

28、指令周期可以完成 16 16 位的并行乘、加運算，支持 16位雙向循環(huán)移位。芯片內(nèi)集成相位檢測器和 PWM 模塊，提供硬件循環(huán)操作， 具有 JTAG 程序調(diào)試接口， 允許在系統(tǒng)設(shè)計過程中隨時進行實時調(diào)試， 非常適用于電機的實時控制。 DSP56F8xx 系列芯片可以實現(xiàn)復(fù)雜的算法并降低產(chǎn)品成本，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，可用于控制交流感應(yīng)電機、有刷直流及無刷電機、有傳感器及無傳感器電機、可變磁阻電機及步進電機等。4.2控制理論的發(fā)展1）基于穩(wěn)態(tài)模型的標(biāo)量控制交流電動機最初的運行方式是不受控運行。其控制功能僅限于接通和關(guān)斷以及某些情況下的輔助起動、制動和反轉(zhuǎn)。為了滿足一些調(diào)速傳動的需要，產(chǎn)生了一

29、些性能較差的控制：如鼠籠異步電動機降壓調(diào)速、繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線式異步電動機串極調(diào)速、鼠籠異步電動機變壓變頻調(diào)速（ VVVF ）、變極調(diào)速和同步電機變壓變頻調(diào)速。在以上調(diào)速方法中，除變壓變頻調(diào)速外，一般為開環(huán)控制，不需變頻器，設(shè)備簡單，但效率低，性能差。鼠籠異步電動機基于恒壓頻比控制而構(gòu)成的轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)控制，性能相對較好，但由于它們都是基于穩(wěn)態(tài)模型，動態(tài)性能較差，一般只用于水泵、風(fēng)機等動態(tài)性能要求較低的節(jié)能調(diào)速和一般調(diào)速場合。2）矢量控制1971 年由德國學(xué)者 Blaschke 提出的矢量控制理論使交流電機控制由外部宏觀穩(wěn)態(tài)控制深入到電機內(nèi)部電磁過程的瞬態(tài)控

30、制。永磁同步電機的控制性能由此發(fā)生了質(zhì)的飛躍。矢量控制最本質(zhì)的特征是通過坐標(biāo)變換將交流電機內(nèi)部復(fù)雜耦合的非線性變量變換為相對坐標(biāo)系為靜止的直流變量（如電流，磁鏈，電壓等） ，從中找到約束條件，獲得某一目標(biāo)的最佳控制策略。3）直接轉(zhuǎn)矩控制1985 年，Depenbrock 教授提出異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法。 該方法在定子坐標(biāo)系下分析交流電機的數(shù)學(xué)模型，在近似圓形旋轉(zhuǎn)磁場的條件下強調(diào)對電機的轉(zhuǎn)矩進行直接控制，省掉了矢量坐標(biāo)變換等復(fù)雜的計算。其磁場定向應(yīng)用的是定子磁鏈，只需知道定子電阻就可以把它觀測出來，相對矢量控制更不易受電機參數(shù)變化的影響。近年來，直接轉(zhuǎn)矩控制方式被移植到永磁同步電機的控制中，其

31、控制規(guī)律和關(guān)鍵技術(shù)正逐漸被人們了解、掌握。直接轉(zhuǎn)矩控制在全數(shù)字化、大轉(zhuǎn)矩、快速響應(yīng)的交流伺服系統(tǒng)中有廣闊應(yīng)用前景。4）非線性控制交流電機是一個強耦合、非線性、多變量系統(tǒng)：非線性控制通過非線性狀態(tài)反饋和非線性變換，實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)解耦和全局線性化，將非線性、多變量、強耦合的交流電動機系統(tǒng)分解為兩個獨立的線性單變量系統(tǒng)。其中轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)由兩個慣性環(huán)節(jié)組成。兩個子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)按線性控制理論分別設(shè)計，以使系統(tǒng)達到預(yù)期的性能指標(biāo)。但是，非線性系統(tǒng)反饋線性化的基礎(chǔ)是已知參數(shù)的電動機模型和系統(tǒng)的精確測量或觀測，而電機在運行中，參數(shù)受各個因素的影響會發(fā)生變化，磁鏈觀測的準(zhǔn)確性也很難論證，這些都會影響系統(tǒng)的魯棒性

32、，甚至造成系統(tǒng)性能惡化。目前這種控制方法仍有待進一步完善。 5）自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制能在系統(tǒng)運行過程中不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善，是克服參數(shù)變化影響的有力手段。應(yīng)用于永磁交流電機控制的自適應(yīng)方法有模型參考自適應(yīng)、參數(shù)辨識自校正控制以及新發(fā)展的各種非線性自適應(yīng)控制。但所有這些方法都存在的問題是：數(shù)學(xué)模型和運算繁瑣，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化；辨識和校正都需要一個過程，所以對一些參數(shù)變化較快的系統(tǒng)，就會因來不及校正而難以產(chǎn)生很好的效果。6）滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制的一種控制策略，它與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時變化的開關(guān)特性。其主要特點是，根據(jù)被

33、調(diào)量的偏差及其導(dǎo)數(shù)，有目地的使系統(tǒng)沿設(shè)計好的“滑動模態(tài)”軌跡運動。這種滑動模態(tài)是可以設(shè)計的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關(guān)，因而使系統(tǒng)具有很強的魯棒性。另外，滑模變結(jié)構(gòu)控制不需要任何在線辨識，所以很容易實現(xiàn)。在過去 10 多年里，將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于交流傳動一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，并已取得了一些有效的結(jié)果。但滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上的不連續(xù)開關(guān)特性使系統(tǒng)存在“抖振”問題。主要原因是：對于實際的滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其控制力總是受到限制的，從而使系統(tǒng)的加速度有限；系統(tǒng)的慣性、切換開關(guān)的時間空間滯后及狀態(tài)檢測的誤差，特別對于計算機的采樣系統(tǒng)，當(dāng)采樣時間較長時，形成“準(zhǔn)滑模”等。所以，在實際系統(tǒng)中“抖振”必定

34、存在且無法消除，這就限制了它的應(yīng)用。7）智能控制（1）專家系統(tǒng)智能控制專家控制 (Expert control) 是智能控制的一個重要分支。 專家控制的實質(zhì)是基于控制對象和控制規(guī)律各種知識，并以智能方式利用這些知識使控制系統(tǒng)盡可能優(yōu)化。 專家控制的基本思想是：自動控制理論 +專家系統(tǒng)技術(shù)。自動控制系統(tǒng)中存在大量的啟發(fā)式邏輯，這是因為工業(yè)控制對象及其環(huán)境的變化呈現(xiàn)出多樣性、非線性和不確定性，這些啟發(fā)式邏輯實際上是實現(xiàn)最優(yōu)控制目標(biāo)的各種經(jīng)驗知識，難以用一般的數(shù)值形式描述，而適于用符號形式來表達，人工智能中的專家系統(tǒng)技術(shù)恰恰為這類經(jīng)驗知識提供了有效的表示和處理方法。 知識庫和推理機為專家系統(tǒng)的兩大要

35、素，知識庫存儲某一專門領(lǐng)域的專家知識、條目，推理機制按照專家水平的問題求解方法調(diào)用知識庫中的知識條目進行推理、判斷和決策。專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)自動控制理論的結(jié)合，形成了專家控制系統(tǒng)，這類系統(tǒng)以模仿人類智能為基礎(chǔ)，彌補了以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的不足。目前專家控制的研究大致包括用于傳統(tǒng) PID 控制和自適應(yīng)控制的專家控制和 .基于模糊規(guī)則的控制方法。（2）模糊邏輯智能控制模糊邏輯控制實質(zhì)上是利用計算機模擬人的模糊邏輯思維功能實現(xiàn)的一種數(shù)字反饋控制。人的思維具有模糊邏輯的特點，因此用計算機模擬人的模糊思維，即模糊概念、模糊判斷和模糊推理，就是模糊控制的思維科學(xué)基礎(chǔ)，再和反饋控制理論相結(jié)合就可以實現(xiàn)模糊

36、控制。傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計中需要給出被控對象的精確模型。模型的不精確性及不確定性都會影響 PID 控制性能。相反，模糊控制不需要知道被控對象的精確模型，它是基于控制系統(tǒng)輸入 /輸出數(shù)據(jù)因果關(guān)系的模糊推理控制。模糊控制不是基于被控對象精確模型的控制方式，因此具有較強的魯棒性，其穩(wěn)態(tài)精度可以通過引進智能積分等方法達到所要求的精度。此外，還可以將模糊邏輯推理和 PID 控制相結(jié)合，對 PID 控制參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)無靜態(tài)跟蹤伺服控制。（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用計算機模擬人類大腦神經(jīng)系統(tǒng)的聯(lián)接機制而設(shè)計的一種信息處理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN ）。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最基本單

37、元是神經(jīng)細胞，簡稱神經(jīng)元。它是一種多輸入單輸出的信息處理單元，包括輸入處理、活化處理和輸出處理三個部分。從控制的觀點，神經(jīng)元模型由加權(quán)加法器、單輸入單輸出線性動態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)非線性函數(shù)所組成。它們模擬神經(jīng)細胞綜合處理信息的突變性和飽和性的非線性特征。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量神經(jīng)元構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，能夠根據(jù)某種學(xué)習(xí)規(guī)則，通過調(diào)整神經(jīng)元之間的聯(lián)接強度（權(quán)重）來不斷改進網(wǎng)絡(luò)的逼近性能，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非常強的非線性映射能力。正因為如此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在智能控制、模式識別、故障診斷、系統(tǒng)辯識等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。 （4）除了上述的專家系統(tǒng)、模糊伺服控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)伺服控制策略外，還有遺傳算法等控制。5結(jié)語永磁無刷電動機系統(tǒng)在運動

38、控制系統(tǒng)中的作用越來越突出，是目前國內(nèi)外最活躍和最具發(fā)展前途的控制系統(tǒng)。文中首先介紹了系統(tǒng)的組成，對電機技術(shù)、設(shè)計和工藝以及傳感技術(shù)和控制技術(shù)做了較為詳細的論述，并提出發(fā)展動向；對于研究人員和管理人員有一定意義。參考文獻 1 王宗鮮，韓光鮮，程智 .無刷直流電動機的方波與正弦波驅(qū)動 J.微電機， 2002 ， 35 （6）： 3-6. 2莫會成 .方波勵磁永磁無刷伺服電動機換向過程分析J.微電機， 1994 ，27 （3）：3-7.3 莫會成 .控制電機發(fā)展及建設(shè) J .微電機， 2005 ，38 （6）：74-77.4 孫建忠，白風(fēng)仙 .特種電機及其控制 M.北京：中國水利水電出版社， 20

39、05.5 正田英介（日） .電機電器 M .北京：科學(xué)出版社， 2001.6 祝恩國，楊公訓(xùn)，許書閣 .引發(fā)工業(yè)設(shè)計革命的 DSP 技術(shù)J.微電機，2006,39（ 1）：55-57.7 莫會成 .永磁交流伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動分析 J.微電機， 2007 ，40（ 3）：1-4.8 孟明 .現(xiàn)代電氣傳動技術(shù) C.企業(yè)產(chǎn)品國際化戰(zhàn)略與微電機技術(shù)發(fā)展論壇，寧波，西安微電機研究所，寧波， 2006 ，12 ：16-19.9】黃聲華 .永磁交流伺服系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 C .微電機工業(yè)“十一五”發(fā)展論壇，西安微電機研究所，西安， 2005 ，7：13 20。作者簡介： 莫會成（ 1962- ），男，研究員

40、級高工，教授，享受國務(wù)院特殊津貼專家，從事永磁交流伺服電動機技術(shù)研究及技術(shù)管理。機研究所 , 西安 710077 ）來源：永磁電機會議論文集，編輯：閆晶芬摘要：永磁無刷電動機系統(tǒng)是以電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)的電氣傳動控制系統(tǒng)。隨著電機技術(shù)、控制理論、數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、新材料技術(shù)、 微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步， 伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從步進伺服到直流伺服，進而到永磁無刷電機伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前已成為電機控制技術(shù)的主流方向。系統(tǒng)組成永磁無刷電動機系統(tǒng)是根據(jù)位置、速度和轉(zhuǎn)矩等反饋信息構(gòu)成的控制系統(tǒng)，由永磁無刷電動機、傳感（傳感器）和驅(qū)動器三部分組成（見圖 1）

41、。系統(tǒng)有開環(huán)運行、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制和位置控制 4種基本運行方式，見圖 2圖 5。其中圖 4和圖 5是用于高精度的控制系統(tǒng)，如數(shù)控機床的進給驅(qū)動等。圖1永磁無刷電動機系統(tǒng)方框圖圖2開環(huán)運行方框圖圖3轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方框圖圖圖4速度控制系統(tǒng)方框圖永磁無刷電動機是通過電子電路換相或電流控制的永磁電動機。永磁無刷電動機有正弦波驅(qū)動和方波驅(qū)動兩種型式：驅(qū)動電流為矩形波的通常稱為永磁無刷直流電動機，驅(qū)動電流為正弦波的通常稱為永磁交流伺服電動機，按傳感類型可分為有傳感器電動機和無傳感器電動機。驅(qū)動器指接受控制指令、可實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)矩、速度和轉(zhuǎn)子位置控制的電氣裝置。驅(qū)動器按其控制電路和軟件的實現(xiàn)方式可分為模擬

42、量控制、數(shù)字模擬混合控制和全數(shù)字控制三種；按驅(qū)動方式可分為方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動。圖5位置控制系統(tǒng)方框圖傳感部分的作用是檢測永磁無刷電動機的位置、速度和電流。常用的傳感器有接近開關(guān)、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾元件和電流傳感器等。結(jié)構(gòu)、設(shè)計和工藝2.1 電機結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)是將永磁直流電動機的定、轉(zhuǎn)子位置進行互換，通常稱為“內(nèi)翻外”，轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱繞組，直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器所代替。所以無刷電動機實際上是一種永磁同步電機，如圖 6所示。圖6永磁無刷電動機結(jié)構(gòu)圖7外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機另外，永磁無刷直流電動機可以

43、做成外轉(zhuǎn)子型和盤式轉(zhuǎn)子型。其結(jié)構(gòu)見圖 7和圖 8。外轉(zhuǎn)子型電機的永磁磁極轉(zhuǎn)子位于定子的外側(cè)，轉(zhuǎn)矩脈動小，容易做成扁平型，慣量較大。盤式轉(zhuǎn)子型電機的氣隙平面與軸垂直，盤式轉(zhuǎn)子與永磁磁極相向配置，電機成扁平形，可做成有槽結(jié)構(gòu)，見圖 8，也可以做成無槽、無鐵心結(jié)構(gòu)。這種電動機常用于 FDD 和 CD 的直接驅(qū)動等。圖8盤式轉(zhuǎn)子無刷直流電動機無刷直流電動機多采用釤鈷（ SmCo ）和釹鐵硼（ NdFeB ）等稀土永磁。常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有表面式磁極，嵌入式磁極和環(huán)形磁極 3種，如圖 9所示。圖 9a 結(jié)構(gòu)是在鐵心表面粘貼徑向充磁的瓦片形永磁體，有時也采用矩形小條拼裝成瓦片形磁極，以降低制造成本。圖 9b

44、結(jié)構(gòu)是在鐵心中嵌入矩形永磁體。其優(yōu)點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可以獲得較大的磁通。 但結(jié)構(gòu)需要作隔磁處理或者采用不銹鋼軸。 對于高轉(zhuǎn)速運行的電機，圖 9a 和圖 9b 的結(jié)構(gòu)需在轉(zhuǎn)子外表面套一個 0.3 mm0.8 mm 的磁性緊圈，防止離心力將磁鋼甩出。緊圈材料通常采用不導(dǎo)磁的不銹鋼，也可以用環(huán)氧無緯玻璃絲帶縛扎。圖9c 結(jié)構(gòu)是在鐵心外套上一個整體稀土永磁環(huán)。該環(huán)形磁體徑向充磁為多極，適用于小功率的電機。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子制造工藝性較好。2.2設(shè)計工藝技術(shù)發(fā)展動向1）設(shè)計手段不斷完善隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及電磁場數(shù)值計算、優(yōu)化設(shè)計和仿真技術(shù)的不斷完善，形成了以電磁場數(shù)值計算、等效

45、磁路解析求解、場路結(jié)合求解等一整套分析研究方法和計算機輔助分析的設(shè)計軟件。如 Ansoft 公司、 MagneForce 公司、 Jmag 公司均推出各種類型的電機設(shè)計軟件，以方便快捷地完成從電機的電磁設(shè)計計算、損耗計算、優(yōu)化設(shè)計、噪聲抑制、特性分析等。針對無刷電機特點，提供多種轉(zhuǎn)子類型、多種繞組型式及主電路的連接方式，以便組合。 2006 年三季度，加拿大以電磁計算分析著名的 Infolytica 公司，推出了專門針對永磁無刷電機的 Motorsolve 設(shè)計軟件。圖9無刷直流電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式這些軟件除了對電機進行電磁設(shè)計，還可對電機在槽形、繞組、材料等設(shè)計變量改變情況下多方案比較分析、電

46、磁場精確計算和電機多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，并包括控制電路、控制算法在內(nèi)的整個設(shè)計流程，既可以提供任意時刻電機內(nèi)電磁場分布數(shù)據(jù)，又能對電機工作時所關(guān)心的各類運行曲線，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率、效率等提供結(jié)果，同時還能提供齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、轉(zhuǎn)速波動等詳細指標(biāo)參數(shù)，并可完成電機的各類正常工況和故障工況的仿真實驗，包括起動、堵轉(zhuǎn)、突加突減負載、突然短路等等。2）分?jǐn)?shù)槽技術(shù)應(yīng)用日益增多分?jǐn)?shù)槽繞組技術(shù)在永磁無刷電動機中的應(yīng)用已逐漸增多。如在電動自行車電機中采用三相、 40 極、 36 槽； Collmorgen 公司 Goldline 系列交流伺服電機采用 4極、 18 槽， 6 極、 24 槽等；松下伺服電機

47、采用 6極、9槽，8極、12槽等每極每相槽數(shù) q=1/2 的分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)。對于多極的無刷電動機采用分?jǐn)?shù)槽繞組，可以較少的定子槽數(shù)達到多槽能達到的效果。采用分?jǐn)?shù)槽繞組有以下優(yōu)點：a)電機電樞槽數(shù)大為減少，有利于槽利用率的提高；b)較少數(shù)目的元件數(shù)，可簡化嵌線工藝和接線，有助于降低成本；c)有可能得到線圈節(jié)距 y=1的設(shè)計（集中繞組），便于采用自動繞線機繞制，提高工效；同時各個線圈端部沒有重疊，不必設(shè)相間絕緣；d)線圈周長和繞組端部縮短， 電動機繞組電阻減小， 銅損隨之也減低， 提高了電動機的性能。采用分?jǐn)?shù)槽繞組的磁動勢諧波遠大于整數(shù)槽繞組，如圖10所示。圖10整數(shù)槽繞組與分?jǐn)?shù)槽繞組（q=1/2

48、 ）時的反電動勢比較3）無槽、無鐵心結(jié)構(gòu)電機無鐵心無刷電動機的出現(xiàn)是采用新材料、新工藝的結(jié)果。電樞采用耐熱性能優(yōu)越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩(wěn)定運行；由于電樞無鐵心，電感小，完全消除了鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，消除了由齒槽效應(yīng)帶來的轉(zhuǎn)矩波動，具有優(yōu)異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉(zhuǎn)速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結(jié)構(gòu)，負載動行時，噪聲及振動都很低。無鐵心無刷電機可采用軸向磁場結(jié)構(gòu)和徑向磁場結(jié)構(gòu)。軸向磁場結(jié)構(gòu)的電機電樞繞組徑向按一定規(guī)律分布，在專用模具中固化成形，電樞兩側(cè)均為盤狀轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)子磁體為軸向磁化，兩側(cè)轉(zhuǎn)子可同時布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也

49、可一側(cè)布置永磁體磁極而另一側(cè)布置轉(zhuǎn)子磁軛，成單勵磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。徑向磁場結(jié)構(gòu)電機的電樞繞組軸向按一定規(guī)律分布成筒狀，其電樞內(nèi)、外圓處均為筒狀轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)子磁極為徑向磁化，內(nèi)、外圓可同時布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可在其中一個圓周上布置永磁體磁極，而另一圓周上只布置轉(zhuǎn)子磁軛，成單勵磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。徑向磁場結(jié)構(gòu)和軸向磁場結(jié)構(gòu)均可根據(jù)要求制造成內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖 11為徑向磁場結(jié)構(gòu)的無鐵心無刷電動機典型結(jié)構(gòu)。圖11無鐵心無刷電動機結(jié)構(gòu)圖圖12分割型定子沖片和鐵心典型盤式無刷電動機定子、轉(zhuǎn)子均為圓盤形，采用軸向氣隙磁場，可做成有鐵心和無鐵心兩種結(jié)構(gòu)，定子繞組呈徑向分布。無槽結(jié)構(gòu)無刷電動機消除

50、了齒槽效應(yīng)，具有轉(zhuǎn)矩波動小、運行平穩(wěn)、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等一系列優(yōu)點，成為很有發(fā)展前景的無刷電動機。小直徑的電動機，無槽結(jié)構(gòu)能獲得比有槽結(jié)構(gòu)更大的轉(zhuǎn)矩指標(biāo)；在特殊條件下，例如要求電動機的轉(zhuǎn)矩和功率相對不大，對電動機的體積限制不嚴(yán)，而對電動機的控制要求很高的情況下，采取無槽結(jié)構(gòu)會獲得好的效果。國內(nèi)無槽無刷電動機已有系列產(chǎn)品，功率范圍至30 kW ，最高轉(zhuǎn)速可達 20 000 r/min 。4）工藝不斷革新在電機制造方面，通過對傳統(tǒng)工藝的不斷革新，出現(xiàn)了分割型定子鐵心結(jié)構(gòu)和連續(xù)繞線工藝方法。采用多極集中繞組，減少繞組端部長度，以適應(yīng)生產(chǎn)自動化，使產(chǎn)品向低成本、低價格方向發(fā)展。同時出

51、現(xiàn)了適應(yīng)不同性能參數(shù)永磁材料的瓦型、環(huán)型表面粘接結(jié)構(gòu)和各種不同設(shè)計嵌入式磁體結(jié)構(gòu)等新的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。對于節(jié)距 y=1分?jǐn)?shù)槽設(shè)計， 用專用繞線機直接繞制定子線圈， 對于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機比較方便，但對于內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機，特別是定子內(nèi)徑小的小功率電機，就要困難得多了。為此，分割型定子鐵心結(jié)構(gòu)的構(gòu)思提出來了。圖 12所示為一種新型定子鐵心結(jié)構(gòu)，把定子鐵心每齒分割開來，可以在鐵心展開的狀態(tài)下繞制線圈，以便隨時調(diào)整線圈，實現(xiàn)規(guī)則繞制。繞圈繞制完成后，再把全部磁極對接成圓，形成一個完整的定子。這時，電樞槽的利用率可達 85% 以上。日本松下生產(chǎn)的永磁交流伺服電動機最早采用上述新工藝，生產(chǎn)效率大大提高，產(chǎn)品體

52、積大為減小，性能也有質(zhì)的提升。以 400 W 為例，定子外徑從最早的 125 mm 減小到 56 mm ，效率由最早的 70% 提高到 85% ，溫升為 80K 。傳感與傳感器技術(shù)3.1 轉(zhuǎn)子磁場位置傳感器在無刷直流電動機中，常用的位置傳感器有以下幾種。1）電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來檢測轉(zhuǎn)子位置，有開口變壓器、接近開關(guān)電路等；使用較多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號強、工作可靠、壽命長、適應(yīng)性強、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點，多用于航空航天領(lǐng)域，但體積較大，信噪比較低，同時，其輸出波形為交流，需整流、濾波方可使用，因而限制了它在普通條件下的應(yīng)用。2）磁敏式位置傳感器常

53、見的磁敏式位置傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成?；魻栐恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低，是目前應(yīng)用最多的一種位置傳感器。霍爾元件所產(chǎn)生的電動勢很低，往往需要外接放大器，很不方便，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封裝成三端模塊，構(gòu)成霍爾集成電路?；魻柤呻娐酚虚_關(guān)型和線性型兩種，通常用開關(guān)型作為位置傳感器。3）光電式位置傳感器光電式位置傳感器由安裝在電機轉(zhuǎn)子上的遮光盤和固定不動的光電開關(guān)組成。其原理如圖 13 所示。遮光盤上開有 150 電角度的扇形開口，扇形開口的數(shù)目等于無刷直流電機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。 4極電機所用遮光盤如圖 13。光電開關(guān)通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管

54、封裝在一起的光斷續(xù)器。圖13光電傳感器對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機， 3 個光電開關(guān)在空間依次相差 120 電角度，光電開關(guān)與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器。4）對于高精度無刷伺服系統(tǒng)，用于速度和位置反饋的傳感器有：（1）光學(xué)絕對式編碼器絕對式編碼器的精度由光電碼盤的機械位置決定，不受停電等干擾影響；由機械位置決定的每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。（2）光學(xué)增量式編碼器增量編碼器的特點是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)一個增量位移角，不能直接檢測出軸的絕對角度。常選用的分辨率為每轉(zhuǎn) 2500 個脈

55、沖。（3）無刷旋轉(zhuǎn)變壓器 +R/D 變換器無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測元件，適用于高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高振動等旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場合。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的精度主要由函數(shù)誤差和零位誤差衡量。其精度高于自整角機。（4）感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制做的；可用來測量直線和轉(zhuǎn)角位移；測量直線位移的稱長感應(yīng)同步器，測量轉(zhuǎn)角位移的稱圓感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器的優(yōu)點是分辨率高、抗干擾能力強、壽命長，維護簡便。（5）無刷測速發(fā)電機。用于精度要求不高的無刷伺服系統(tǒng)的速度和位置傳感器有：（1）磁阻旋轉(zhuǎn)

56、變壓器；（2）磁電式脈沖測速發(fā)電機；（3）磁性編碼器；此外，在經(jīng)濟型系統(tǒng)中，還有利用轉(zhuǎn)子磁場位置信號經(jīng)倍頻處理或利用在電機槽中放置線圈的簡易型測速發(fā)電機作速度和位置檢測的方式。 。3.2無位置傳感器檢測技術(shù)1）利用反電動勢檢測轉(zhuǎn)子位置按照無刷直流電動機工作原理，必須要有轉(zhuǎn)子磁極位置信號來決定電子開關(guān)的換相。目前，大多數(shù)采用安裝位置傳感器（例如霍爾元件）方法來得到這些信號。它有必須占用電機一些空間，安裝位置要準(zhǔn)，需較多引出線，影響可靠性，在某些場合，如壓縮機內(nèi)的高溫高壓環(huán)境，不允許安放霍爾元件。為此，80年代以來，微機控制技術(shù)的快速進展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)方法，是當(dāng)代無刷直流電動

57、機控制研究熱點之一。它從電子電路以軟件方法獲得轉(zhuǎn)子磁極位置信號，實現(xiàn)電子換相。在諸多方法中，以反電勢法較成功。它檢測不激勵相繞組的反電勢過零點，經(jīng)過運算后，決定換相時刻。這也是硬件軟件化的一個成功例子。反電動勢法的缺陷是當(dāng)電機在靜止或低速運行時， 反電動勢為 0或太小，因而無法利用，一般采用專門的起動電路，使電機以他控變頻方式起動，當(dāng)電機具有一定的初速度和電動勢后，再切換到自控變頻狀態(tài)。這個過程稱為三段式起動，包括轉(zhuǎn)子定位、加速和運行狀態(tài)切換三個階段。2）續(xù)流二極管檢測法通過對逆變器開關(guān)管施加特殊時序的斬波控制信號，使電機繞組的續(xù)流電流沿著特定的回路流通，當(dāng)斷開相繞組的反電動勢過零時，與斷開相

58、開關(guān)管并聯(lián)的續(xù)流二極管中將流過續(xù)流電流，通過對該續(xù)流二極管導(dǎo)通與否的檢測就可以確定出繞組反電動勢的過零點，從而得到電機的轉(zhuǎn)子位置信號。這種檢測方法實際檢測的也是繞組的反電動勢，但是檢測的靈敏度相對較高，在電機額定轉(zhuǎn)速的 2% 以上有效，起動容易、調(diào)速比大，缺點是實現(xiàn)電路稍復(fù)雜一些。3）瞬時電壓方程法利用電機各相瞬時電壓和電流方程，實時計算電機由靜止到正常運轉(zhuǎn)任一時刻轉(zhuǎn)子的位置，控制電機的運行。該方法不需專門的起動線路，電路簡單、起動轉(zhuǎn)矩大，但對電機本體的數(shù)學(xué)模型依賴性大，當(dāng)電機參數(shù)因溫度變化發(fā)生漂移時，容易造成建模誤差，使控制精確性受到影響；另外，由于在線計算復(fù)雜，計算量很大，考慮到轉(zhuǎn)子位置檢

59、測的實時性，必須采用具有快速運算能力的 DSP 和高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。4）脈沖注入法轉(zhuǎn)子位置的不同使電機磁場的分布也不同。該方法采用脈沖注入檢測無刷電機靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)子位置，通過依次向定子繞組注入一系列脈沖，根據(jù)測量得到的電流峰值判斷轉(zhuǎn)子位置。該方法對電機參數(shù)的依賴性低。控制技術(shù)發(fā)展動向4.1DSP 的應(yīng)用促進了無刷電動機系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展1） DSP 的特點隨著技術(shù)進步和用戶對電機控制器的運算速度、數(shù)據(jù)處理能力、控制精度和實時性提出了更高的要求，過去單純的靠開、停時間長短或單片機來控制電機運行的方式已不能滿足實際需要；特別是對于采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，對系統(tǒng)的實時性和精度

60、要求較高，單片機往往不能滿足要求。與單片機相比， DSP 器件集成度較高， CPU 速度較快，存儲器容量更大，更適用于電動機的變速驅(qū)動控制，同時可以提高系統(tǒng)的性能，降低成本和功耗，簡化外圍電路的設(shè)計工作。因此，為了達到電機控制不斷增加的計算量和速度要求，更好地發(fā)揮電機的運行性能，具有強大數(shù)字信號處理功能的 DSP 芯片應(yīng)運而生。 DSP 技術(shù)的應(yīng)用使現(xiàn)代控制理論中先進而復(fù)雜的算法得以實現(xiàn)。 DSP 芯片的飛速發(fā)展促進了無刷電機控制技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。DSP 把現(xiàn)實生活中的各種模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用數(shù)學(xué)計算方法來處理這些數(shù)字信號并得到相應(yīng)結(jié)果。 數(shù)字信號處理的主要任務(wù)是完成大量的實時計算。