【正文】 作者簡介：莫會成（1962），男，研究員級高工，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。（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。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。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。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。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)學模型為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的不足。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。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。其主要特點是，根據(jù)被調(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。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。其中轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)由兩個慣性環(huán)節(jié)組成。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。永磁同步電機的控制性能由此發(fā)生了質(zhì)的飛躍。為了滿足一些調(diào)速傳動的需要，產(chǎn)生了一些性能較差的控制：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。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。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。AD系列DSP芯片AD公司推出基于16位26MIPS定點DSP核ADSP2171的ADMC300、3331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。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。TI系列DSP芯片TI公司于1998年推出的TMS320F240是電機控制領(lǐng)域一個劃時代的進步。典型的產(chǎn)品代表為TI公司的TMS32010。采用多總線結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)芯片的總線沖突問題，大大提高了系統(tǒng)的速度和效率。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。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)學計算方法來處理這些數(shù)字信號并得到相應(yīng)結(jié)果。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。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。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。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。它有必須占用電機一些空間，安裝位置要準，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。（5）無刷測速發(fā)電機。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。（2） 光學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。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。其原理如圖13所示?；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。3 傳感與傳感器技術(shù) 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。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。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)。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；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，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。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)。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。對于多極的無刷電動機采用分數(shù)槽繞組，可以較少的定子槽數(shù)達到多槽能達到的效果。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。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子制造工藝性較好。對于高轉(zhuǎn)速運行的電機， mm~ mm的磁性緊圈，防止離心力將磁鋼甩出。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。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)。所以無刷電動機實際上是一種永磁同步電機，如圖6所示。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。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。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)。5 結(jié) 語永磁無刷電動機系統(tǒng)在運動控制系統(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)。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。（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）。模型的不精確性及不確定性都會影響PID控制性能。　　專家控制的基本思想是：自動控制理論+專家系統(tǒng)技術(shù)。主要原因是：①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；②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)，當采樣時間較長時，形成“準滑?！钡?。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。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。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。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，其控制規(guī)律和關(guān)鍵技術(shù)正逐漸被人們了解、掌握。矢量控制最本質(zhì)的特征是通過坐標變換將交流電機內(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，獲得某一目標的最佳控制策略。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。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。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。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。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。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?？梢栽谝粋€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。例如： 采用哈佛結(jié)構(gòu)及改進的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的馮數(shù)字信號處理的主要任務(wù)是完成大量的實時計算。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。該方法采用脈沖注入檢測無刷電機靜止狀態(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。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。這也是硬件軟件化的一個成功例子。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，是當代無刷直流電動機控制研究熱點之一。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。其精度高于自整角機。常選用的分辨率為每轉(zhuǎn)2500個脈沖。 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120176。遮光盤上開有150176。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。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。這時，電樞槽的利用率可達85%以上。對于節(jié)距y=1分數(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。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。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)。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)。采用分數(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