【正文】 用分?jǐn)?shù)槽繞組有以下優(yōu)點(diǎn)：a)電機(jī)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(jī)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(jī)繞組電阻減小，銅損隨之也減低，提高了電動機(jī)的性能。如在電動自行車電機(jī)中采用三相、40極、36槽；Collmorgen公司Goldline系列交流伺服電機(jī)采用4極、18槽，6極、24槽等；松下伺服電機(jī)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)。圖9 無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式這些軟件除了對電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計，還可對電機(jī)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(jī)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(jī)內(nèi)電磁場分布數(shù)據(jù)，又能對電機(jī)工作時所關(guān)心的各類運(yùn)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(xì)指標(biāo)參數(shù)，并可完成電機(jī)的各類正常工況和故障工況的仿真實(shí)驗(yàn)，包括起動、堵轉(zhuǎn)、突加突減負(fù)載、突然短路等等。針對無刷電機(jī)特點(diǎn)，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。 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(jī)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(jī)輔助分析的設(shè)計軟件。該環(huán)形磁體徑向充磁為多極，適用于小功率的電機(jī)。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。但結(jié)構(gòu)需要作隔磁處理或者采用不銹鋼軸。圖9b結(jié)構(gòu)是在鐵心中嵌入矩形永磁體。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。這種電動機(jī)常用于FDD和CD的直接驅(qū)動等。外轉(zhuǎn)子型電機(jī)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。圖6 永磁無刷電動機(jī)結(jié)構(gòu) 圖7 外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機(jī) 另外，永磁無刷直流電動機(jī)可以做成外轉(zhuǎn)子型和盤式轉(zhuǎn)子型。2 結(jié)構(gòu)、設(shè)計和工藝 電機(jī)結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是將永磁直流電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)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(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器所代替。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(jī)的位置、速度和電流。驅(qū)動器指接受控制指令、可實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度和轉(zhuǎn)子位置控制的電氣裝置。 圖1 永磁無刷電動機(jī)系統(tǒng)方框圖 圖2 開環(huán)運(yùn)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(jī)是通過電子電路換相或電流控制的永磁電動機(jī)。系統(tǒng)有開環(huán)運(yùn)行、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制和位置控制4種基本運(yùn)行方式，見圖2~圖5。隨著電機(jī)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(jìn)步，伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從步進(jìn)伺服到直流伺服，進(jìn)而到永磁無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前已成為電機(jī)控制技術(shù)的主流方向。 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(jī)技術(shù)研究及技術(shù)管理。文中首先介紹了系統(tǒng)的組成，對電機(jī)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(xì)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。（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。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(qiáng)度（權(quán)重）來不斷改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的逼近性能，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非常強(qiáng)的非線性映射能力。從控制的觀點(diǎn)，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。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最基本單元是神經(jīng)細(xì)胞，簡稱神經(jīng)元。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(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無靜態(tài)跟蹤伺服控制。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。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。（2）模糊邏輯智能控制模糊邏輯控制實(shí)質(zhì)上是利用計算機(jī)模擬人的模糊邏輯思維功能實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)字反饋控制。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(bǔ)了以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的不足。自動控制系統(tǒng)中存在大量的啟發(fā)式邏輯，這是因?yàn)楣I(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(shí)際上是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制目標(biāo)的各種經(jīng)驗(yàn)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(dá)，人工智能中的專家系統(tǒng)技術(shù)恰恰為這類經(jīng)驗(yàn)知識提供了有效的表示和處理方法。專家控制的實(shí)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。所以，在實(shí)際系統(tǒng)中“抖振”必定存在且無法消除，這就限制了它的應(yīng)用。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。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(shí)現(xiàn)。其主要特點(diǎn)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(yùn)動。但所有這些方法都存在的問題是：①數(shù)學(xué)模型和運(yùn)算繁瑣，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化；②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。5）自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制能在系統(tǒng)運(yùn)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。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(jī)模型和系統(tǒng)的精確測量或觀測，而電機(jī)在運(yùn)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，甚至造成系統(tǒng)性能惡化。其中轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)由兩個慣性環(huán)節(jié)組成。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。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(jī)參數(shù)變化的影響。3）直接轉(zhuǎn)矩控制1985年，Depenbrock教授提出異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。永磁同步電機(jī)的控制性能由此發(fā)生了質(zhì)的飛躍。鼠籠異步電動機(jī)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(jī)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。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(jī)降壓調(diào)速、繞線式異步電動機(jī)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(jī)串極調(diào)速、鼠籠異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速（VVVF）、變極調(diào)速和同步電機(jī)變壓變頻調(diào)速。 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(jī)最初的運(yùn)行方式是不受控運(yùn)行。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(jìn)行實(shí)時調(diào)試，非常適用于電機(jī)的實(shí)時控制。Motorola系列DSP芯片Motorola公司研制的DSP56F8xx系列集成了Motorola 16位定點(diǎn)DSP微控制器內(nèi)核DSP56800。ADMC401芯片可廣泛應(yīng)用于控制交流電機(jī)、直流電機(jī)及開關(guān)磁阻電機(jī)等。AD公司開發(fā)的電機(jī)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(jī)控制外設(shè)電路，增強(qiáng)了DSP的快速運(yùn)算能力，可以在高度集成的環(huán)境中對電機(jī)進(jìn)行控制。AD系列DSP芯片AD公司推出基于16位26MIPS定點(diǎn)DSP核ADSP2171的ADMC300、3331電機(jī)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。它是專門用于電機(jī)控制的模塊。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。內(nèi)部有16通道兩路轉(zhuǎn)換精度為10位的AD變換器。TI系列DSP芯片TI公司于1998年推出的TMS320F240是電機(jī)控制領(lǐng)域一個劃時代的進(jìn)步。盡管最初把DSP技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)控制的目的是其快速的數(shù)據(jù)處理能力能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，使復(fù)雜的算法得以實(shí)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。典型的產(chǎn)品代表為TI公司的TMS32010?？焖俚闹袛嗵幚砟芰陀布蘒/O接口支持。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。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(shí)時要求的數(shù)字信號。它強(qiáng)調(diào)對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理的實(shí)時性，除具備普通微處理器強(qiáng)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(jìn)。例如在DSP中常用的FIR濾波和FFT快速算法。DSP把現(xiàn)實(shí)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。DSP技術(shù)的應(yīng)用使現(xiàn)代控制理論中先進(jìn)而復(fù)雜的算法得以實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)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(jī)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。該方法對電機(jī)參數(shù)的依賴性低。4）脈沖注入法轉(zhuǎn)子位置的不同使電機(jī)磁場的分布也不同。3）瞬時電壓方程法利用電機(jī)各相瞬時電壓和電流方程，實(shí)時計算電機(jī)由靜止到正常運(yùn)轉(zhuǎn)任一時刻轉(zhuǎn)子的位置，控制電機(jī)的運(yùn)行。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(jī)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(diǎn)，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號。反電動勢法的缺陷是當(dāng)電機(jī)在靜止或低速運(yùn)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(jī)以他控變頻方式起動，當(dāng)電機(jī)具有一定的初速度和電動勢后，再切換到自控變頻狀態(tài)。它檢測不激勵相繞組的反電勢過零點(diǎn)，經(jīng)過運(yùn)算后，決定換相時刻。它從電子電路以軟件方法獲得轉(zhuǎn)子磁極位置信號，實(shí)現(xiàn)電子換相。它有必須占用電機(jī)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(jī)內(nèi)的高溫高壓環(huán)境，不允許安放霍爾元件。 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(jī)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。（5）無刷測速發(fā)電機(jī)。