永磁无刷电动机系统发展现状

引用 永磁无刷电动机系统发展现状无刷电机绕组绕线机 2008-11-29 19:55:17| 分类： 默认分类 | 标签： |字号大中小 订阅引用Davidd 的 永磁无无刷电动动机系统统发展现现状 莫会成（西安微电电机研究究所, 西安 77100077） 来源：永磁磁电机会会议论文文集，编编辑：闫闫晶芬 摘要：永磁磁无刷电电动机系系统是以以电机为为控制对对象，以以控制器器为核心心，以电电力电子子功率变变换装置置为执行行机构的的电气传传动控制制系统。随随着电机机技术、控控制理论论、数字字脉宽调调制技术术、新材材料技术术、微电电子技术术及现代代控制技技术的进进步，伺伺服系统统经历了了从步进进伺服到到直流伺伺服，进进而到永永磁无刷刷电机伺伺服系统统的发展展历程，目目前已成成为电机机控制技技术的主主流方向向。1 系统统组成永磁无刷刷电动机机系统是是根据位位置、速速度和转转矩等反反馈信息息构成的的控制系系统，由由永磁无无刷电动动机、传传感（传传感器）和和驱动器器三部分分组成（见见图1）。系系统有开开环运行行、转矩矩控制、速速度控制制和位置置控制44种基本本运行方方式，见见图2图5。其中中图4和图5是用于于高精度度的控制制系统，如如数控机机床的进进给驱动动等。 图1 永永磁无刷刷电动机机系统方方框图 图2 开环运运行方框框图 图3 转转矩控制制系统方方框图图图 图图4 速度控控制系统统方框图图 永磁无刷电电动机是是通过电电子电路路换相或或电流控控制的永永磁电动动机。永永磁无刷刷电动机机有正弦弦波驱动动和方波波驱动两两种型式式：驱动动电流为为矩形波波的通常常称为永永磁无刷刷直流电电动机，驱驱动电流流为正弦弦波的通通常称为为永磁交交流伺服服电动机机，按传传感类型型可分为为有传感感器电动动机和无无传感器器电动机机。驱动器指接接受控制制指令、可可实现对对电动机机的转矩矩、速度度和转子子位置控控制的电电气装置置。驱动器按其其控制电电路和软软件的实实现方式式可分为为模拟量量控制、数数字模拟拟混合控控制和全全数字控控制三种种；按驱驱动方式式可分为为方波驱驱动和正正弦波驱驱动。图5 位位置控制制系统方方框图 传感部分的的作用是是检测永永磁无刷刷电动机机的位置置、速度度和电流流。常用用的传感感器有接接近开关关、光电电编码器器、旋转转变压器器、霍尔尔元件和和电流传传感器等等。2 结构构、设计计和工艺艺2.1 电电机结构构永磁无刷直直流电动动机的基基本结构构是将永永磁直流流电动机机的定、转转子位置置进行互互换，通通常称为为“内翻外外”，转子子为永磁磁结构，产产生气隙隙磁通，定定子为电电枢，有有多相对对称绕组组，直流流电动机机的电刷刷和机械械换向器器被逆变变器和转转子位置置传感器器所代替替。所以以无刷电电动机实实际上是是一种永永磁同步步电机，如如图6所示。图6 永永磁无刷刷电动机机结构 图7 外转子子永磁无无刷直流流电动机机 另外，永磁磁无刷直直流电动动机可以以做成外外转子型型和盘式式转子型型。其结结构见图图7和图8。外转转子型电电机的永永磁磁极极转子位位于定子子的外侧侧，转矩矩脉动小小，容易易做成扁扁平型，惯惯量较大大。盘式式转子型型电机的的气隙平平面与轴轴垂直，盘盘式转子子与永磁磁磁极相相向配置置，电机机成扁平平形，可可做成有有槽结构构，见图图8，也可可以做成成无槽、无无铁心结结构。这这种电动动机常用用于FDDD和CD的直直接驱动动等。图8 盘盘式转子子无刷直直流电动动机无刷直流电电动机多多采用钐钐钴（SSmCoo）和钕钕铁硼（NdFeB）等稀土永磁。常见的转子结构有表面式磁极，嵌入式磁极和环形磁极3种，如图9所示。图9a结构是在铁心表面粘贴径向充磁的瓦片形永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以降低制造成本。图9b结构是在铁心中嵌入矩形永磁体。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可以获得较大的磁通。但结构需要作隔磁处理或者采用不锈钢轴。对于高转速运行的电机，图9a和图9b的结构需在转子外表面套一个0.3 mm0.8 mm的磁性紧圈，防止离心力将磁钢甩出。紧圈材料通常采用不导磁的不锈钢，也可以用环氧无纬玻璃丝带缚扎。图9c结构是在铁心外套上一个整体稀土永磁环。该环形磁体径向充磁为多极，适用于小功率的电机。这种结构的转子制造工艺性较好。2.2 设计工工艺技术术发展动动向1） 设设计手段段不断完完善随着计算机机技术的的发展以以及电磁磁场数值值计算、优优化设计计和仿真真技术的的不断完完善，形形成了以以电磁场场数值计计算、等等效磁路路解析求求解、场场路结合合求解等等一整套套分析研研究方法法和计算算机辅助助分析的的设计软软件。如如Anssoftt公司、MMagnneFoorcee公司、JJmagg公司均均推出各各种类型型的电机机设计软软件，以以方便快快捷地完完成从电电机的电电磁设计计计算、损损耗计算算、优化化设计、噪噪声抑制制、特性性分析等等。针对对无刷电电机特点点，提供供多种转转子类型型、多种种绕组型型式及主主电路的的连接方方式，以以便组合合。20006年年三季度度，加拿拿大以电电磁计算算分析著著名的IInfoolytticaa公司，推推出了专专门针对对永磁无无刷电机机的Mootorrsollve设设计软件件。图9 无无刷直流流电动机机转子结结构形式式这些软件除除了对电电机进行行电磁设设计，还还可对电电机在槽槽形、绕绕组、材材料等设设计变量量改变情情况下多多方案比比较分析析、电磁磁场精确确计算和和电机多多目标优优化设计计，并包包括控制制电路、控控制算法法在内的的整个设设计流程程，既可可以提供供任意时时刻电机机内电磁磁场分布布数据，又又能对电电机工作作时所关关心的各各类运行行曲线，如如转矩、转转速、电电流、功功率、效效率等提提供结果果，同时时还能提提供齿槽槽转矩、转转矩脉动动、转速速波动等等详细指指标参数数，并可可完成电电机的各各类正常常工况和和故障工工况的仿仿真实验验，包括括起动、堵堵转、突突加突减减负载、突突然短路路等等。2）分数槽槽技术应应用日益益增多分数槽绕组组技术在在永磁无无刷电动动机中的的应用已已逐渐增增多。如如在电动动自行车车电机中中采用三三相、440极、366槽；Coollmmorggen公公司Gooldllinee系列交交流伺服服电机采采用4极、188槽，6极、244槽等；松下伺伺服电机机采用66极、9槽，8极、122槽等每每极每相相槽数qq=1/2的分分数槽绕绕组结构构。对于多极的的无刷电电动机采采用分数数槽绕组组，可以以较少的的定子槽槽数达到到多槽能能达到的的效果。采采用分数数槽绕组组有以下下优点：a)电机电电枢槽数数大为减减少，有有利于槽槽利用率率的提高高；b)较少数数目的元元件数，可可简化嵌嵌线工艺艺和接线线，有助助于降低低成本；c)有可能能得到线线圈节距距y=11的设计计（集中中绕组），便便于采用用自动绕绕线机绕绕制，提提高工效效；同时时各个线线圈端部部没有重重叠，不不必设相相间绝缘缘；d)线圈周周长和绕绕组端部部缩短，电电动机绕绕组电阻阻减小，铜铜损随之之也减低低，提高高了电动动机的性性能。采采用分数数槽绕组组的磁动动势谐波波远大于于整数槽槽绕组，如如图100所示。图10 整数槽槽绕组与与分数槽槽绕组（q=1/2）时的反电动势比较3）无槽、无无铁心结结构电机机无铁心无刷刷电动机机的出现现是采用用新材料料、新工工艺的结结果。电电枢采用用耐热性性能优越越的材料料制成刚刚性整体体，可以以在高温温及高速速情况下下长期稳稳定运行行；由于于电枢无无铁心，电电感小，完完全消除除了铁心心中的磁磁滞损耗耗和涡流流损耗，消消除了由由齿槽效效应带来来的转矩矩波动，具具有优异异的控制制性能；运行效效率高、温温升低、转转速范围围广；电电机的电电枢中无无齿槽且且采用全全塑封结结构，负负载动行行时，噪噪声及振振动都很很低。无铁心无刷刷电机可可采用轴轴向磁场场结构和和径向磁磁场结构构。轴向向磁场结结构的电电机电枢枢绕组径径向按一一定规律律分布，在在专用模模具中固固化成形形，电枢枢两侧均均为盘状状转子体体，转子子磁体为为轴向磁磁化，两两侧转子子可同时时布置永永磁体磁磁极及转转子轭，成成双励磁磁转子结结构，也也可一侧侧布置永永磁体磁磁极而另另一侧布布置转子子磁轭，成成单励磁磁转子结结构。径径向磁场场结构电电机的电电枢绕组组轴向按按一定规规律分布布成筒状状，其电电枢内、外外圆处均均为筒状状转子体体，转子子磁极为为径向磁磁化，内内、外圆圆可同时时布置永永磁体磁磁极及转转子轭，成成双励磁磁转子结结构，也也可在其其中一个个圆周上上布置永永磁体磁磁极，而而另一圆圆周上只只布置转转子磁轭轭，成单单励磁转转子结构构。径向向磁场结结构和轴轴向磁场场结构均均可根据据要求制制造成内内转子和和外转子子结构。图图11为径径向磁场场结构的的无铁心心无刷电电动机典典型结构构。图11 无铁心心无刷电电动机结结构图 图12 分割割型定子子冲片和和铁心 典型盘式无无刷电动动机定子子、转子子均为圆圆盘形，采采用轴向向气隙磁磁场，可可做成有有铁心和和无铁心心两种结结构，定定子绕组组呈径向向分布。无槽结构无无刷电动动机消除除了齿槽槽效应，具具有转矩矩波动小小、运行行平稳、噪噪声低、电电枢电感感小、定定位干扰扰力矩小小等一系系列优点点，成为为很有发发展前景景的无刷刷电动机机。小直径的电电动机，无无槽结构构能获得得比有槽槽结构更更大的转转矩指标标；在特特殊条件件下，例例如要求求电动机机的转矩矩和功率率相对不不大，对对电动机机的体积积限制不不严，而而对电动动机的控控制要求求很高的的情况下下，采取取无槽结结构会获获得好的的效果。国内无槽无无刷电动动机已有有系列产产品，功功率范围围至300 kWW，最高高转速可可达200 0000 rr/miin。4）工艺不不断革新新在电机制造造方面，通通过对传传统工艺艺的不断断革新，出出现了分分割型定定子铁心心结构和和连续绕绕线工艺艺方法。采采用多极极集中绕绕组，减减少绕组组端部长长度，以以适应生生产自动动化，使使产品向向低成本本、低价价格方向向发展。同同时出现现了适应应不同性性能参数数永磁材材料的瓦瓦型、环环型表面面粘接结结构和各各种不同同设计嵌嵌入式磁磁体结构构等新的的转子磁磁路结构构。对于节距yy=1分分数槽设设计，用用专用绕绕线机直直接绕制制定子线线圈，对对于外转转子结构构的电机机比较方方便，但但对于内内转子结结构的电电机，特特别是定定子内径径小的小小功率电电机，就就要困难难得多了了。为此此，分割割型定子子铁心结结构的构构思提出出来了。图图12所示示为一种种新型定定子铁心心结构，把把定子铁铁心每齿齿分割开开来，可可以在铁铁心展开开的状态态下绕制制线圈，以以便随时时调整线线圈，实实现规则则绕制。绕绕圈绕制制完成后后，再把把全部磁磁极对接接成圆，形形成一个个完整的的定子。这这时，电电枢槽的的利用率率可达885%以以上。日本松下生生产的永永磁交流流伺服电电动机最最早采用用上述新新工艺，生生产效率率大大提提高，产产品体积积大为减减小，性性能也有有质的提提升。以以4000 W为为例，定定子外径径从最早早的1255 mmm减小到到56 mm，效效率由最最早的770%提提高到885%，温温升为880K。3 传感与与传感器器技术3.1 转转子磁场场位置传传感器在无刷直流流电动机机中，常常用的位位置传感感器有以以下几种种。1）电磁式式位置传传感器电磁式位置置传感器器是利用用电磁效效应来检检测转子子位置，有有开口变变压器、接接近开关关电路等等；使用用较多的的是开口口变压器器。电磁式位置置传感器器具有输输出信号号强、工工作可靠靠、寿命命长、适适应性强强、对环环境要求求不高等等优点，多多用于航航空航天天领域，但但体积较较大，信信噪比较较低，同同时，其其输出波波形为交交流，需需整流、滤滤波方可可使用，因因而限制制了它在在普通条条件下的的应用。2）磁敏式式位置传传感器常见的磁敏敏式位置置传感器器由霍尔尔元件或或霍尔集集成电路路构成。霍霍尔元件件位置传传感器由由于结构构简单、性性能可靠靠、成本本低，是是目前应应用最多多的一种种位置传传感器。霍尔元件所所产生的的电动势势很低，往往往需要要外接放放大器，很很不方便便，随着着半导体体技术的的发展，将将霍尔元元件与附附加电路路封装成成三端模模块，构构成霍尔尔集成电电路。霍霍尔集成成电路有有开关型型和线性性型两种种，通常常用开关关型作为为位置传传感器。3）光电式式位置传传感器光电式位置置传感器器由安装装在电机机转子上上的遮光光盘和固固定不动动的光电电开关组组成。其其原理如如图133所示。遮遮光盘上上开有1150电角度度的扇形形开口，扇扇形开口口的数目目等于无无刷直流流电机转转子磁极极的极对对数。44极电机机所用遮遮光盘如如图133。光电电开关通通常采用用将发光光二极管管和光敏敏三极管管封装在在一起的的光断续续器。 图13 光电传传感器 对于两相导导通星形形三相六六状态无无刷直流流电动机机，3个光电电开关在在空间依依次相差差1200电角度度，光电电开关与与电枢绕绕组的相相对位置置以及遮遮光盘与与转子磁磁极的相相对位置置类似于于霍尔位位置传感感器。4）对于高高精度无无刷伺服服系统，用用于速度度和位置置反馈的的传感器器有：（1） 光光学绝对对式编码码器绝对式编码码器的精精度由光光电码盘盘的机械械位置决决定，不不受停电电等干扰扰影响；由机械械位置决决定的每每个位置置是唯一一的，无无需记忆忆，无需需找参考考点，而而且不用用一直计计数，数数据的可可靠性大大大提高高了。（2） 光光学增量量式编码码器增量编码器器的特点点是每产产生一个个输出脉脉冲信号号就对应应一个增增量位移移角，不不能直接接检测出出轴的绝绝对角度度。常选选用的分分辨率为为每转225000个脉冲冲。（3） 无无刷旋转转变压器器+R/D变换换器无刷旋转变变压器是是一种精精密角度度、位置置、速度度检测元元件，适适用于高高温、严严寒、潮潮湿、高高速、高高振动等等旋转编编码器无无法正常常工作的的场合。无无刷旋转转变压器器是一种种输出电电压随转转子转角角变化的的信号元元件。无无刷旋转转变压器器的精度度主要由由函数误误差和零零位误差差衡量。其其精度高高于自整整角机。（4） 感感应同步步器感应同步器器是利用用两个平平面形绕绕组的互互感随位位置不同同而变化化的原理理制做的的；可用用来测量量直线和和转角位位移；测测量直线线位移的的称长感感应同步步器，测测量转角角位移的的称圆感感应同步步器。感感应同步步器的优优点是分分辨率高高、抗干干扰能力力强、寿寿命长，维维护简便便。（5）无刷刷测速发发电机。用于精度要要求不高高的无刷刷伺服系系统的速速度和位位置传感感器有：（1）磁阻阻旋转变变压器；（2）磁电电式脉冲冲测速发发电机；（3）磁性性编码器器；此外，在经经济型系系统中，还还有利用用转子磁磁场位置置信号经经倍频处处理或利利用在电电机槽中中放置线线圈的简简易型测测速发电电机作速速度和位位置检测测的方式式。3.2 无位置置传感器器检测技技术1）利用反反电动势势检测转转子位置置按照无刷直直流电动动机工作作原理，必必须要有有转子磁磁极位置置信号来来决定电电子开关关的换相相。目前前，大多多数采用用安装位位置传感感器（例例如霍尔尔元件）方方法来得得到这些些信号。它它有必须须占用电电机一些些空间，安安装位置置要准，需需较多引引出线，影影响可靠靠性，在在某些场场合，如如压缩机机内的高高温高压压环境，不不允许安安放霍尔尔元件。为为此，880年代代以来，微微机控制制技术的的快速进进展，出出现了各各种称为为无位置置传感器器控制技技术方法法，是当当代无刷刷直流电电动机控控制研究究热点之之一。它它从电子子电路以以软件方方法获得得转子磁磁极位置置信号，实实现电子子换相。在在诸多方方法中，以以反电势势法较成成功。它它检测不不激励相相绕组的的反电势势过零点点，经过过运算后后，决定定换相时时刻。这这也是硬硬件软件件化的一一个成功功例子。反电动势法法的缺陷陷是当电电机在静静止或低低速运行行时，反反电动势势为0或太小小，因而而无法利利用，一一般采用用专门的的起动电电路，使使电机以以他控变变频方式式起动，当当电机具具有一定定的初速速度和电电动势后后，再切切换到自自控变频频状态。这这个过程程称为三三段式起起动，包包括转子子定位、加加速和运运行状态态切换三三个阶段段。2）续流二二极管检检测法通过对逆变变器开关关管施加加特殊时时序的斩斩波控制制信号，使使电机绕绕组的续续流电流流沿着特特定的回回路流通通，当断断开相绕绕组的反反电动势势过零时时，与断断开相开开关管并并联的续续流二极极管中将将流过续续流电流流，通过过对该续续流二极极管导通通与否的的检测就就可以确确定出绕绕组反电电动势的的过零点点，从而而得到电电机的转转子位置置信号。这种检测方方法实际际检测的的也是绕绕组的反反电动势势，但是是检测的的灵敏度度相对较较高，在在电机额额定转速速的2%以上有有效，起起动容易易、调速速比大，缺缺点是实实现电路路稍复杂杂一些。3）瞬时电电压方程程法利用电机各各相瞬时时电压和和电流方方程，实实时计算算电机由由静止到到正常运运转任一一时刻转转子的位位置，控控制电机机的运行行。该方方法不需需专门的的起动线线路，电电路简单单、起动动转矩大大，但对对电机本本体的数数学模型型依赖性性大，当当电机参参数因温温度变化化发生漂漂移时，容容易造成成建模误误差，使使控制精精确性受受到影响响；另外外，由于于在线计计算复杂杂，计算算量很大大，考虑虑到转子子位置检检测的实实时性，必必须采用用具有快快速运算算能力的的DSPP和高速速A/DD转换器器。4）脉冲注注入法转子位置的的不同使使电机磁磁场的分分布也不不同。该该方法采采用脉冲冲注入检检测无刷刷电机静静止状态态下的转转子位置置，通过过依次向向定子绕绕组注入入一系列列脉冲，根根据测量量得到的的电流峰峰值判断断转子位位置。该该方法对对电机参参数的依依赖性低低。4 控制技技术发展展动向4.1 DSPP的应用用促进了了无刷电电动机系系统技术术发展1）DSPP的特点点随着技术进进步和用用户对电电机控制制器的运运算速度度、数据据处理能能力、控控制精度度和实时时性提出出了更高高的要求求，过去去单纯的的靠开、停停时间长长短或单单片机来来控制电电机运行行的方式式已不能能满足实实际需要要；特别别是对于于采用矢矢量变换换控制的的系统，由由于需要要处理的的数据量量大，对对系统的的实时性性和精度度要求较较高，单单片机往往往不能能满足要要求。与单片机相相比，DDSP器器件集成成度较高高，CPPU速度度较快，存存储器容容量更大大，更适适用于电电动机的的变速驱驱动控制制，同时时可以提提高系统统的性能能，降低低成本和和功耗，简简化外围围电路的的设计工工作。因因此，为为了达到到电机控控制不断断增加的的计算量量和速度度要求，更更好地发发挥电机机的运行行性能，具具有强大大数字信信号处理理功能的的DSPP芯片应应运而生生。DSSP技术术的应用用使现代代控制理理论中先先进而复复杂的算算法得以以实现。DSP芯片的飞速发展促进了无刷电机控制技术的发展与创新。DSP把现现实生活活中的各各种模拟拟信号转转换成数数字信号号，再用用数学计计算方法法来处理理这些数数字信号号并得到到相应结结果。数数字信号号处理的的主要任任务是完完成大量量的实时时计算。例例如在DDSP中中常用的的FIRR滤波和和FFTT快速算算法。DSP芯片片是一种种特别适适用于数数字信号号处理的的微处理理器。它它强调对对数据进进行运算算处理的的实时性性，除具具备普通通微处理理器强调调的快速速计算和和控制功功能，在在芯片结结构、数数据流程程和指令令系统方方面有较较大改进进。例如如： 采用哈哈佛结构构及改进进的哈佛佛结构，比比传统的的冯诺依曼曼结构具具有更高高的指令令执行速速度，更更适于处处理具有有高度实实时要求求的数字字信号。广广泛采用用流水线线技术，加加快指令令执行速速度，增增强了处处理器处处理数据据的能力力。采用用多总线线结构，解解决了传传统芯片片的总线线冲突问问题，大大大提高高了系统统的速度度和效率率。可以以在一个个周期内内同时访访问数据据和程序序存储空空间，解解决了传传统芯片片的总线线冲突问问题，大大大提高高了系统统的速度度和效率率。快速速的中断断处理能能力和硬硬件I/O接口口支持。2）DSPP在无刷刷电机控控制中的的应用（1）DSSP技术术在无刷刷电机控控制中的的发展20世纪880年代代，数字字信号处处理技术术开始应应用于电电机控制制领域，其其主要用用来直接接控制感感应电机机的磁通通量和转转矩，以以达到对对电机转转矩进行行快速、高高性能的的控制。典典型的产产品代表表为TII公司的的TMSS320010。但但由于以以前数字字信号处处理器芯芯片的价价格较高高，人们们对其在在电机控控制中的的应用也也没有给给予足够够的重视视，这种种芯片主主要用在在通讯、图图像处理理等领域域，而在在电机控控制中的的应用较较少，后后来由于于数字信信号处理理器芯片片的性价价比不断断提高，而而且其强强大的数数字信号号处理能能力越来来越受到到用户的的欢迎，DSP的应用得到了较快的发展。尽管最初把把DSPP技术应应用于电电机控制制的目的的是其快快速的数数据处理理能力能能够对电电机进行行矢量控控制和直直接转矩矩控制，使使复杂的的算法得得以实现现，但以以前的DDSP芯芯片没有有集成数数模转换换和脉宽宽调制等等外围电电路，芯芯片只是是作为在在算法上上比MCCU占优优势的通通用处理理器来使使用，大大大增加加了系统统的体积积和产品品的成本本，增加加系统设设计的复复杂性，延延长开发发周期，降降低系统统工作的的可靠性性。(2)典型型的DSSP芯片片在无刷刷电机控控制中的的应用TI系列列DSPP芯片TI公司于于19998年推推出的TTMS3320FF2400是电机机控制领领域一个个划时代代的进步步。芯片片的执行行速度很很快，在在20 MHzz的时钟钟频率下下，指令令周期仅仅为500 nss，且多多数指令令都能在在一个指指令周期期内完成成，片内内具有FFlassh RROM。内内部有116通道道两路转转换精度度为100位的ADD变换器器，转换换时间仅仅为6.6s。在电电机调速速系统构构成电流流闭环时时，反馈馈电流信信号可以以经ADD输入CPPU处理理。另外外，TMMS3220F2240还还提供228个I/OO口，用用于控制制系统所所需的各各种开关关量。芯芯片内集集成的事事件管理理器（EEV）具具有控制制三个半半高桥的的能力，当当各个桥桥需要互互补的PPWM去去控制时时，EVV可以提提供这种种功能，极极大地方方便了电电机控制制系统的的设计。它它是专门门用于电电机控制制的模块块。AD系列列DSPP芯片AD公司推推出基于于16位26MMIPSS定点DSSP核ADSSP21171的的ADMMC3000、3300、3311电机控控制芯片片，把数数字信号号处理器器和外围围电路结结合在一一起，集集成了116位三三相PWWM发生生器、存存储器，串串行通讯讯口，定定时器等等外围器器件，还还具有77路模拟拟量的输输入通道道，用户户不必在在外围再再设置模模数转换换器，从从而降低低成本，提提高系统统工作的的可靠性性。采用用ADSSP21100系系列的代代码兼容容语言，使使程序的的移植非非常方便便，缩短短了产品品的开发发周期，工工作量大大大减少少。AD公司开开发的电电机控制制DSPP芯片ADDMC4401具具有一套套完备的的外围控控制接口口和丰富富的电机机控制外外设电路路，增强强了DSSP的快快速运算算能力，可可以在高高度集成成的环境境中对电电机进行行控制。它它的基本本控制外外设电路路是带有有8路模拟拟量输入入的模/数转换换系统、光光电编码码器接口口单元和和灵活、简简便的脉脉冲宽度度调制单单元，可可以输出出6路PWMM信号，以以控制逆逆变器功功率开关关的动作作，借助助于快速速、高精精度的模模/数转换换系统和和控制器器来监视视和调控控电机的的运行。ADMC401芯片可广泛应用于控制交流电机、直流电机及开关磁阻电机等。Motoorolla系列列DSPP芯片Motorrolaa公司研研制的DDSP556F88xx系系列集成成了Mootorrolaa 166位定点点DSPP微控制制器内核核DSPP568800。芯芯片内核核最高可可工作于于80 MHzz，指令令执行速速度可达达40MMIPSS，单指指令周期期可以完完成16616位的的并行乘乘、加运运算，支支持166位双向向循环移移位。芯芯片内集集成相位位检测器器和PWWM模块块，提供供硬件循循环操作作，具有有JTAAG程序序调试接接口，允允许在系系统设计计过程中中随时进进行实时时调试，非非常适用用于电机机的实时时控制。DSP56F8xx系列芯片可以实现复杂的算法并降低产品成本，提高系统的可靠性与稳定性，可用于控制交流感应电机、有刷直流及无刷电机、有传感器及无传感器电机、可变磁阻电机及步进电机等。4.2 控制理理论的发发展1）基于稳稳态模型型的标量量控制交流电动机机最初的的运行方方式是不不受控运运行。其其控制功功能仅限限于接通通和关断断以及某某些情况况下的辅辅助起动动、制动动和反转转。为了了满足一一些调速速传动的的需要，产产生了一一些性能能较差的的控制：如鼠笼笼异步电电动机降降压调速速、绕线线式异步步电动机机转子串串电阻调调速和电电磁转差差离合器器调速、绕绕线式异异步电动动机串极极调速、鼠鼠笼异步步电动机机变压变变频调速速（VVVVF）、变变极调速速和同步步电机变变压变频频调速。在在以上调调速方法法中，除除变压变变频调速速外，一一般为开开环控制制，不需需变频器器，设备备简单，但但效率低低，性能能差。鼠鼠笼异步步电动机机基于恒恒压频比比控制而而构成的的转差频频率闭环环控制，性性能相对对较好，但但由于它它们都是是基于稳稳态模型型，动态态性能较较差，一一般只用用于水泵泵、风机机等动态态性能要要求较低低的节能能调速和和一般调调速场合合。2）矢量控控制1971年年由德国国学者BBlasschkke提出出的矢量量控制理理论使交交流电机机控制由由外部宏宏观稳态态控制深深入到电电机内部部电磁过过程的瞬瞬态控制制。永磁磁同步电电机的控控制性能能由此发发生了质质的飞跃跃。矢量量控制最最本质的的特征是是通过坐坐标变换换将交流流电机内内部复杂杂耦合的的非线性性变量变变换为相相对坐标标系为静静止的直直流变量量（如电电流，磁磁链，电电压等），从从中找到到约束条条件，获获得某一一目标的的最佳控控制策略略。3）直接转转矩控制制1985年年，Deepennbroock教教授提出出异步电电机直接接转矩控控制方法法。该方方法在定定子坐标标系下分分析交流流电机的的数学模模型，在在近似圆圆形旋转转磁场的的条件下下强调对对电机的的转矩进进行直接接控制，省省掉了矢矢量坐标标变换等等复杂的的计算。其其磁场定定向应用用的是定定子磁链链，只需需知道定定子电阻阻就可以以把它观观测出来来，相对对矢量控控制更不不易受电电机参数数变化的的影响。近近年来，直直接转矩矩控制方方式被移移植到永永磁同步步电机的的控制中中，其控控制规律律和关键键技术正正逐渐被被人们了了解、掌掌握。直直接转矩矩控制在在全数字字化、大大转矩、快快速响应应的交流流伺服系系统中有有广阔应应用前景景。4）非线性性控制交流电机是是一个强强耦合、非非线性、多多变量系系统：非非线性控控制通过过非线性性状态反反馈和非非线性变变换，实实现系统统的动态态解耦和和全局线线性化，将将非线性性、多变变量、强强耦合的的交流电电动机系系统分解解为两个个独立的的线性单单变量系系统。其其中转子子磁链子子系统由由两个惯惯性环节节组成。两两个子系系统的调调节按线线性控制制理论分分别设计计，以使使系统达达到预期期的性能能指标。但是，非线线性系统统反馈线线性化的的基础是是已知参参数的电电动机模模型和系系统的精精确测量量或观测测，而电电机在运运行中，参参数受各各个因素素的影响响会发生生变化，磁磁链观测测的准确确性也很很难论证证，这些些都会影影响系统统的鲁棒棒性，甚甚至造成成系统性性能恶化化。目前前这种控控制方法法仍有待待进一步步完善。5）自适应控制自适应控制制能在系系统运行行过程中中不断提提取有关关模型的的信息，使使模型逐逐渐完善善，是克克服参数数变化影影响的有有力手段段。应用用于永磁磁交流电电机控制制的自适适应方法法有模型型参考自自适应、参参数辨识识自校正正控制以以及新发发展的各各种非线线性自适适应控制制。但所所有这些些方法都都存在的的问题是是：数学模模型和运运算繁琐琐，使控控制系统统复杂化化；辨识和和校正都都需要一一个过程程，所以以对一些些参数变变化较快快的系统统，就会会因来不不及校正正而难以以产生很很好的效效果。6）滑模变变结构控控制滑模变结构构控制是是变结构构控制的的一种控控制策略略，它与与常规控控制的根根本区别别在于控控制的不不连续性性，即一一种使系系统“结构”随时变变化的开开关特性性。其主主要特点点是，根根据被调调量的偏偏差及其其导数，有有目地的的使系统统沿设计计好的“滑动模模态”轨迹运运动。这这种滑动动模态是是可以设设计的，且且与系统统的参数数及扰动动无关，因因而使系系统具有有很强的的鲁棒性性。另外外，滑模模变结构构控制不不需要任任何在线线辨识，所所以很容容易实现现。在过过去100多年里里，将滑滑模变结结构控制制应用于于交流传传动一直直是国内内外学者者的研究究热点，并并已取得得了一些些有效的的结果。但但滑模变变结构控控制本质质上的不不连续开开关特性性使系统统存在“抖振”问题。主主要原因因是：对于实实际的滑滑模变结结构系统统，其控控制力总总是受到到限制的的，从而而使系统统的加速速度有限限；系统的的惯性、切切换开关关的时间间空间滞滞后及状状态检测测的误差差，特别别对于计计算机的的采样系系统，当当采样时时间较长长时，形形成“准滑模模”等。所所以，在在实际系系统中“抖振”必定存存在且无无法消除除，这就就限制了了它的应应用。7）智能控控制（1）专家家系统智智能控制制专家控制(Exppertt coontrrol)是智能能控制的的一个重重要分支支。专家家控制的的实质是是基于控控制对象象和控制制规律各各种知识识，并以以智能方方式利用用这些知知识使控控制系统统尽可能能优化。专家控制的基本思想是：自动控制理论+专家系统技术。自动控制系统中存在大量的启发式逻辑，这是因为工业控制对象及其环境的变化呈现出多样性、非线性和不确定性，这些启发式逻辑实际上是实现最优控制目标的各种经验知识，难以用一般的数值形式描述，而适于用符号形式来表达，人工智能中的专家系统技术恰恰为这类经验知识提供了有效的表示和处理方法。知识库和推理机为专家系统的两大要素，知识库存储某一专门领域的专家知识、条目，推理机制按照专家水平的问题求解方法调用知识库中的知识条目进行推理、判断和决策。专家系统与传统自动控制理论的结合，形成了专家控制系统，这类系统以模仿人类智能为基础，弥补了以数学模型为基础的控制系统的不足。目前专家控控制的研研究大致致包括用用于传统统PIDD控制和和自适应应控制的的专家控控制和.基于模模糊规则则的控制制方法。（2）模糊糊逻辑智智能控制制模糊逻辑控控制实质质上是利利用计算算机模拟拟人的模模糊逻辑辑思维功功能实现现的一种种数字反反馈控制制。人的的思维具具有模糊糊逻辑的的特点，因因此用计计算机模模拟人的的模糊思思维，即即模糊概概念、模模糊判断断和模糊糊推理，就就是模糊糊控制的的思维科科学基础础，再和和反馈控控制理论论相结合合就可以以实现模模糊控制制。传统的PIID控制制系统设设计中需需要给出出被控对对象的精精确模型型。模型型的不精精确性及及不确定定性都会会影响PPID控控制性能能。相反反，模糊糊控制不不需要知知道被控控对象的的精确模模型，它它是基于于控制系系统输入入/输出数数据因果果关系的的模糊推推理控制制。模糊控制不不是基于于被控对对象精确确模型的的控制方方式，因因此具有有较强的的鲁棒性性，其稳稳态精度度可以通通过引进进智能积积分等方方法达到到所要求求的精度度。此外外，还可可以将模模糊逻辑辑推理和和PIDD控制相相结合，对对PIDD控制参参数进行行自适应应调整，实实现无静静态跟踪踪伺服控控制。（3）神经经网络智智能控制制人工神经网网络是利利用计算算机模拟拟人类大大脑神经经系统的的联接机机制而设设计的一一种信息息处理的的网络结结构，一一般简称称神经网网络（NNN）。神神经网络络中最基基本单元元是神经经细胞，简简称神经经元。它它是一种种多输入入单输出出的信息息处理单单元，包包括输入入处理、活活化处理理和输出出处理三三个部分分。从控控制的观观点，神神经元模模型由加加权加法法器、单单输入单单输出线线性动态态系统和和静态非非线性函函数所组组成。它它们模拟拟神经细细胞综合合处理信信息的突突变性和和饱和性性的非线线性特征征。神经网络是是由大量量神经元元构成网网络，能能够根据据某种学学习规则则，通过过调整神神经元之之间的联联接强度度（权重重）来不不断改进进网络的的逼近性性能，即即神经网网络具有有非常强强的非线线性映射射能力。正正因为如如此，神神经网络络在智能能控制、模模式识别别、故障障诊断、系系统辩识识等领域域获得了了广泛应应用。（4）除了了上述的的专家系系统、模模糊伺服服控制、神神经网络络伺服控控制策略略外，还还有遗传传算法等等控制。5 结 语永磁无刷电电动机系系统在运运动控制制系统中中的作用用越来越越突出，是是目前国国内外最最活跃和和最具发发展前途途的控制制系统。文文中首先先介绍了了系统的的组成，对对电机技技术、设设计和工工艺以及及传感技技术和控控制技术术做了较较为详细细的论述述，并提提出发展展动向；对于研研究人员员和管理理人员有有一定意意义。参考文献1 王王宗鲜，韩韩光鲜，程程智.无刷直直流电动动机的方方波与正正弦波驱驱动JJ.微电机机，20002，35（6）：3-6.2莫会会成.方波励励磁永磁磁无刷伺伺服电动动机换向向过程分分析JJ.微电机机，19994，27（3）：3-7.3 莫莫会成.控制电电机发展展及建设设J.微电机机，20005，38（6）：744-777.4 孙孙建忠，白白风仙.特种电电机及其其控制M.北京：中国水水利水电电出版社社，20005.5 正正田英介介（日）.电机电器M.北京：科学出版社，2001.6 祝祝恩国，杨杨公训，许许书阁.引发工工业设计计革命的的DSPP技术J.微电机机，20006,39（1）：555-577.7 莫会成成.永磁交交流伺服服电动机机转矩波波动分析析J.微电机机，20007，40（3）：1-4.8 孟明.现代电电气传动动技术C.企业产产品国际际化战略略与微电电机技术术发展论论坛，宁宁波，西西安微电电机研究究所，宁宁波，220066，12：16-19.【9】黄声声华.永磁交交流伺服服系统国国内外发发展现状状C.微电机机工业“十一五五”发展论论坛，西西安微电电机研究究所，西西安，220055，7：1320。 作者简介：莫会成成（19962-），男男，研究究员级高高工，教教授，享享受国务务院特殊殊津贴专专家，从从事永磁磁交流伺伺服电动动机技术术研究及及技术管管理。机研究所, 西安安 71100777） 来源：永磁磁电机会会议论文文集，编编辑：闫闫晶芬 摘要：永磁磁无刷电电动机系系统是以以电机为为控制对对象，以以控制器器为核心心，以电电力电子子功率变变换装置置为执行行机构的的电气传传动控制制系统。随随着电机机技术、控控制理论论、数字字脉宽调调制技术术、新材材料技术术、微电电子技术术及现代代控制技技术的进进步，伺伺服系统统经历了了从步进进伺服到到直流伺伺服，进进而到永永磁无刷刷电机伺伺服系统统的发展展历程，目目前已成成为电机机控制技技术的主主流方向向。1 系统统组成永磁无刷刷电动机机系统是是根据位位置、速速度和转转矩等反反馈信息息构成的的控制系系统，由由永磁无无刷电动动机、传传感（传传感器）和和驱动器器三部分分组成（见见图1）。系系统有开开环运行行、转矩矩控制、速速度控制制和位置置控制44种基本本运行方方式，见见图2图5。其其中图44和图55是用于于高精度度的控制制系统，如如数控机机床的进进给驱动动等。 图1 永永磁无刷刷电动机机系统方方框图 图22 开开环运行行方框图图 图3 转转矩控制制系统方方框图图图 图4 速度度控制系系统方框框图 永磁无刷电电动机是是通过电电子电路路换相或或电流控控制的永永磁电动动机。永永磁无刷刷电动机机有正弦弦波驱动动和方波波驱动两两种型式式：驱动动电流为为矩形波波的通常常称为永永磁无刷刷直流电电动机，驱驱动电流流为正弦弦波的通通常称为为永磁交交流伺服服电动机机，按传传感类型型可分为为有传感感器电动动机和无无传感器器电动机机。驱动器指接接受控制制指令、可可实现对对电动机机的转矩矩、速度度和转子子位置控控制的电电气装置置。驱动器按其其控制电电路和软软件的实实现方式式可分为为模拟量量控制、数数字模拟拟混合控控制和全全数字控控制三种种；按驱驱动方式式可分为为方波驱驱动和正正弦波驱驱动。图5 位位置控制制系统方方框图 传感部分的的作用是是检测永永磁无刷刷电动机机的位置置、速度度和电流流。常用用的传感感器有接接近开关关、光电电编码器器、旋转转变压器器、霍尔尔元件和和电流传传感器等等。2 结构构、设计计和工艺艺2.1 电电机结构构永磁无刷直直流电动动机的基基本结构构是将永永磁直流流电动机机的定、转转子位置置进行互互换，通通常称为为“内翻外外”，转子子为永磁磁结构，产产生气隙隙磁通，定定子为电电枢，有有多相对对称绕组组，直流流电动机机的电刷刷和机械械换向器器被逆变变器和转转子位置置传感器器所代替替。所以以无刷电电动机实实际上是是一种永永磁同步步电机，如如图6所所示。图6 永永磁无刷刷电动机机结构 图77 外外转子永永磁无刷刷直流电电动机 另外，永磁磁无刷直直流电动动机可以以做成外外转子型型和盘式式转子型型。其结结构见图图7和图图8。外外转子型型电机的的永磁磁磁极转子子位于定定子的外外侧，转转矩脉动动小，容容易做成成扁平型型，惯量量较大。盘盘式转子子型电机机的气隙隙平面与与轴垂直直，盘式式转子与与永磁磁磁极相向向配置，电电机成扁扁平形，可可做成有有槽结构构，见图图8，也也可以做做成无槽槽、无铁铁心结构构。这种种电动机机常用于于FDDD和CDD的直接接驱动等等。图8 盘盘式转子子无刷直直流电动动机无刷直流电电动机多多采用钐钐钴（SSmCoo）和钕钕铁硼（NNdFeeB）等等稀土永永磁。常常见的转转子结构构有表面面式磁极极，嵌入入式磁极极和环形形磁极33种，如如图9所所示。图图9a结结构是在在铁心表表面粘贴贴径向充充磁的瓦瓦片形永永磁体，有有时也采采用矩形形小条拼拼装成瓦瓦片形磁磁极，以以降低制制造成本本。图99b结构构是在铁铁心中嵌嵌入矩形形永磁体体。其优优点是一一个极距距下的磁磁通由相相邻两个个磁极并并联提供供，可以以获得较较大的磁磁通。但但结构需需要作隔隔磁处理理或者采采用不锈锈钢轴。对对于高转转速运行行的电机机，图99a和图图9b的的结构需需在转子子外表面面套一个个0.33 mmm0.8 mmm的磁磁性紧圈圈，防止止离心力力将磁钢钢甩出。紧紧圈材料料通常采采用不导导磁的不不锈钢，也也可以用用环氧无无纬玻璃璃丝带缚缚扎。图图9c结结构是在在铁心外外套上一一个整体体稀土永永磁环。该该环形磁磁体径向向充磁为为多极，适适用于小小功率的的电机。这这种结构构的转子子制造工工艺性较较好。2.2 设计工工艺技术术发展动动向1） 设设计手段段不断完完善随着计算机机技术的的发展以以及电磁磁场数值值计算、优优化设计计和仿真真技术的的不断完完善，形形成了以以电磁场场数值计计算、等等效磁路路解析求求解、场场路结合合求解等等一整套套分析研研究方法法和计算算机辅助助分析的的设计软软件。如如Anssoftt公司、MMagnneFoorcee公司、JJmagg公司均均推出各各种类型型的电机机设计软软件，以以方便快快捷地完完成从电电机的电电磁设计计计算、损损耗计算算、优化化设计、噪噪声抑制制、特性性分析等等。针对对无刷电电机特点点，提供供多种转转子类型型、多种种绕组型型式及主主电路的的连接方方式，以以便组合合。20006年年三季度度，加拿拿大以电电磁计算算分析著著名的IInfoolytticaa公司，推推出了专专门针对对永磁无无刷电机机的Mootorrsollve设设计软件件。图9 无无刷直流流电动机机转子结结构形式式这些软件除除了对电电机进行行电磁设设计，还还可对电电机在槽槽形、绕绕组、材材料等设设计变量量改变情情况下多多方案比比较分析析、电磁磁场精确确计算和和电机多多目标优优化设计计，并包包括控制制电路、控控制算法法在内的的整个设设计流程程，既可可以提供供任意时时刻电机机内电磁磁场分布布数据，又又能对电电机工作作时所关关心的各各类运行行曲线，如如转矩、转转速、电电流、功功率、效效率等提提供结果果，同时时还能提提供齿槽槽转矩、转转矩脉动动、转速速波动等等详细指指标参数数，并可可完成电电机的各各类正常常工况和和故障工工况的仿仿真实验验，包括括起动、堵堵转、突突加突减减负载、突突然短路路等等。2）分数槽槽技术应应用日益益增多分数槽绕组组技术在在永磁无无刷电动动机中的的应用已已逐渐增增多。如如在电动动自行车车电机中中采用三三相、440极、336槽；Colllmoorgeen公司司Golldliine系系列交流流伺服电电机采用用4极、118槽，66极、224槽等等；松下下伺服电电机采用用6极、99槽，88极、112槽等等每极每每相槽数数q=11/2的的分数槽槽绕组结结构。对于多极的的无刷电电动机采采用分数数槽绕组组，可以以较少的的定子槽槽数达到到多槽能能达到的的效果。采采用分数数槽绕组组有以下下优点：a)电机电电枢槽数数大为减减少，有有利于槽槽利用率率的提高高；b)较少数数目的元元件数，可可简化嵌嵌线工艺艺和接线线，有助助于降低低成本；c)有可能能得到线线圈节距距y=11的设计计（集中中绕组），便便于采用用自动绕绕线机绕绕制，提提高工效效；同时时各个线线圈端部部没有重重叠，不不必设相相间绝缘缘；d)线圈周周长和绕绕组端部部缩短，电电动机绕绕组电阻阻减小，铜铜损随之之也减低低，提高高了电动动机的性性能。采采用分数数槽绕组组的磁动动势谐波波远大于于整数槽槽绕组，如如图100所示。图10 整数槽槽绕组与与分数槽槽绕组（q=1/2）时的反电动势比较3）无槽、无无铁心结结构电机机无铁心无刷刷电动机机的出现现是采用用新材料料、新工工艺的结结果。电电枢采用用耐热性性能优越越的材料料制成刚刚性整体体，可以以在高温温及高速速情况下下长期稳稳定运行行；由于于电枢无无铁心，电电感小，完完全消除除了铁心心中的磁磁滞损耗耗和涡流流损耗，消消除了由由齿槽效效应带来来的转矩矩波动，具具有优异异的控制制性能；运行效效率高、温温升低、转转速范围围广；电电机的电电枢中无无齿槽且且采用全全塑封结结构，负负载动行行时，噪噪声及振振动都很很低。无铁心无刷刷电机可可采用轴轴向磁场场结构和和径向磁磁场结构构。轴向向磁场结结构的电电机电枢枢绕组径径向按一一定规律律分布，在在专用模模具中固固化成形形，电枢枢两侧均均为盘状状转子体体，转子子磁体为为轴向磁磁化，两两侧转子子可同时时布置永永磁体磁磁极及转转子轭，成成双励磁磁转子结结构，也也可一侧侧布置永永磁体磁磁极而另另一侧布布置转子子磁轭，成成单励磁磁转子结结构。径径向磁场场结构电电机的电电枢绕组组轴向按按一定规规律分布布成筒状状，其电电枢内、外外圆处均均为筒状状转子体体，转子子磁极为为径向磁磁化，内内、外圆圆可同时时布置永永磁体磁磁极及转转子轭，成成双励磁磁转子结结构，也也可在其其中一个个圆周上上布置永永磁体磁磁极，而而另一圆圆周上只只布置转转子磁轭轭，成单单励磁转转子结构构。径向向磁场结结构和轴轴向磁场场结构均均可根据据要求制制造成内内转子和和外转子子结构。图图11为为径向磁磁场结构构的无铁铁心无刷刷电动机机典型结结构。图11 无铁心心无刷电电动机结结构图 图图12 分割割型定子子冲片和和铁心 典型盘式无无刷电动动机定子子、转子子均为圆圆盘形，采采用轴向向气隙磁磁场，可可做成有有铁心和和无铁心心两种结结构，定定子绕组组呈径向向分布。无槽结构无无刷电动动机消除除了齿槽槽效应，具具有转矩矩波动小小、运行行平稳、噪噪声低、电电枢电感感小、定定位干扰扰力矩小小等一系系列优点点，成为为很有发发展前景景的无刷刷电动机机。小直径的电电动机，无无槽结构构能获得得比有槽槽结构更更大的转转矩指标标；在特特殊条件件下，例例如要求求电动机机的转矩矩和功率率相对不不大，对对电动机机的体积积限制不不严，而而对电动动机的控控制要求求很高的的情况下下，采取取无槽结结构会获获得好的的效果。国内无槽无无刷电动动机已有有系列产产品，功功率范围围至300 kWW，最高高转速可可达200 0000 rr/miin。4）工艺不不断革新新在电机制造造方面，通通过对传传统工艺艺的不断断革新，出出现了分分割型定定子铁心心结构和和连续绕绕线工艺艺方法。采采用多极极集中绕绕组，减减少绕组组端部长长度，以以适应生生产自动动化，使使产品向向低成本本、低价价格方向向发展。同同时出现现了适应应不同性性能参数数永磁材材料的瓦瓦型、环环型表面面粘接结结构和各各种不同同设计嵌嵌入式磁磁体结构构等新的的转子磁磁路结构构。对于节距yy=1分分数槽设设计，用用专用绕绕线机直直接绕制制定子线线圈，对对于外转转子结构构的电机机比较方方便，但但对于内内转子结结构的电电机，特特别是