【正文】 著名的Infolytica公司，推出了專門針對永磁無刷電機(jī)的Motorsolve設(shè)計(jì)軟件。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(jī)中的應(yīng)用已逐漸增多。對于多極的無刷電動機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽繞組，可以較少的定子槽數(shù)達(dá)到多槽能達(dá)到的效果。采用分?jǐn)?shù)槽繞組的磁動勢諧波遠(yuǎn)大于整數(shù)槽繞組，如圖10所示。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(yùn)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(yùn)行效率高、溫升低、轉(zhuǎn)速范圍廣；電機(jī)的電樞中無齒槽且采用全塑封結(jié)構(gòu)，負(fù)載動行時(shí)，噪聲及振動都很低。軸向磁場結(jié)構(gòu)的電機(jī)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(shí)布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵(lì)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(lì)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 無鐵心無刷電動機(jī)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(jī)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。小直徑的電動機(jī)，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(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率相對不大，對電動機(jī)的體積限制不嚴(yán)，而對電動機(jī)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。4）工藝不斷革新在電機(jī)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。同時(shí)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(jì)嵌入式磁體結(jié)構(gòu)等新的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。為此，分割型定子鐵心結(jié)構(gòu)的構(gòu)思提出來了。繞圈繞制完成后，再把全部磁極對接成圓，形成一個(gè)完整的定子。日本松下生產(chǎn)的永磁交流伺服電動機(jī)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。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(jī)中，常用的位置傳感器有以下幾種。電磁式位置傳感器具有輸出信號強(qiáng)、工作可靠、壽命長、適應(yīng)性強(qiáng)、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，多用于航空航天領(lǐng)域，但體積較大，信噪比較低，同時(shí)，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?；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。其原理如圖13所示。電角度的扇形開口，扇形開口的數(shù)目等于無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。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。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。（2） 光學(xué)增量式編碼器增量編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號就對應(yīng)一個(gè)增量位移角，不能直接檢測出軸的絕對角度。（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)變壓器的精度主要由函數(shù)誤差和零位誤差衡量。（4） 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)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。（5）無刷測速發(fā)電機(jī)。 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。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。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。它檢測不激勵(lì)相繞組的反電勢過零點(diǎn)，經(jīng)過運(yùn)算后，決定換相時(shí)刻。反電動勢法的缺陷是當(dāng)電機(jī)在靜止或低速運(yùn)行時(shí)，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)。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(shí)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(shí)，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。3）瞬時(shí)電壓方程法利用電機(jī)各相瞬時(shí)電壓和電流方程，實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)由靜止到正常運(yùn)轉(zhuǎn)任一時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置，控制電機(jī)的運(yùn)行。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。該方法對電機(jī)參數(shù)的依賴性低。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(shí)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(jì)工作。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)。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(jì)算方法來處理這些數(shù)字信號并得到相應(yīng)結(jié)果。例如在DSP中常用的FIR濾波和FFT快速算法。它強(qiáng)調(diào)對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理的實(shí)時(shí)性，除具備普通微處理器強(qiáng)調(diào)的快速計(jì)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)。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(shí)要求的數(shù)字信號。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?？焖俚闹袛嗵幚砟芰陀布蘒/O接口支持。典型的產(chǎn)品代表為TI公司的TMS32010。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(jì)的復(fù)雜性，延長開發(fā)周期，降低系統(tǒng)工作的可靠性。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(gè)劃時(shí)代的進(jìn)步。內(nèi)部有16通道兩路轉(zhuǎn)換精度為10位的AD變換器， μs。另外，TMS320F240還提供28個(gè)I/O口，用于控制系統(tǒng)所需的各種開關(guān)量。它是專門用于電機(jī)控制的模塊。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(shí)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。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。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。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。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(jì)過程中隨時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試，非常適用于電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。 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。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。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。永磁同步電機(jī)的控制性能由此發(fā)生了質(zhì)的飛躍。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。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。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。其中轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成。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(gè)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。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(gè)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。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(jì)好的“滑動模態(tài)”軌跡運(yùn)動。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)。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。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。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。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。（2）模糊邏輯智能控制模糊邏輯控制實(shí)質(zhì)上是利用計(jì)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。傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要給出被控對象的精確模型。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。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。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。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)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。（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。文中首先介紹了系統(tǒng)的組成，對電機(jī)技術(shù)、設(shè)計(jì)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。 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)