永磁无刷电动机系统发展现状.

1、 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 David 的永磁无刷电动机系统发展现状 莫会成 （西安微电机研究所,西安 710077） 来源：永磁电机会议论文集，编辑：闫晶芬 摘要：永磁无刷电动机系统是以电机为控制对象， 以控制器为核心，以电力电子 功率变换装置为执行机构的电气传动控制系统。随着电机技术、控制理论、数字 脉宽调制技术、新材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，伺服系统经历 了从步进伺服到直流伺服，进而到永磁无刷电机伺服系统的发展历程， 目前已成 为电机控制技术的主流方向。

2、1 系统组成 永磁无刷电动机系统是根据位置、速度和转矩等反馈信息构成的控制系统， 由 永磁无刷电动机、传感（传感器）和驱动器三部分组成（见图 1 ）。系统有开环运 行、转矩控制、速度控制和位置控制 4 种基本运行方式，见图 2图 5。其中图 4 和 图 5是用于高精度的控制系统，如数控机床的进给驱动等。 方框图 图 3 转矩控制系统方框图图 图 4 速度控制 系统方框图 永磁无刷电动机是通过电子电路换相或电流控制的永磁电动机。 永磁无刷电 动机有正弦波驱动和方波驱动两种型式： 驱动电流为矩形波的通常称为永磁无刷 直流电动机，驱动电流为正弦波的通常称为永磁交流伺服电动机， 按传感类型可 分为有传

3、感器电动机和无传感器电动机。 驱动器指接受控制指令、可实现对电动机的转矩、速度和转子位置控制的电 气装置。 驱动器按其控制电路和软件的实现方式可分为模拟量控制、 数字模拟混合控 制和全数字控制三种；按驱动方式可分为方波驱动和正弦波驱动。 图 5 位置控制系统方框图 传感部分的作用是检测永磁无刷电动机的位置、速度和电流。常用的传感器 有接近开关、光电编码器、旋转变压器、霍尔元件和电流传感器等。 2 结构、设计和工艺 图 1 永磁无刷电动机系统方框图 图 2 开环运行 2.1 电机结构 永磁无刷直流电动机的基本结构是将永磁直流电动机的定、 转子位置进行互 换，通常称为“内翻外”，转子为永磁结构，产

4、生气隙磁通，定子为电枢，有多 相对称绕组，直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置传感器所代 替。所以无刷电动机实际上是一种永磁同步电机，如图 6 所示。 另外，永磁无刷直流电动机可以做成外转子型和盘式转子型。其结构见图 7 和图 8。外转子型电机的永磁磁极转子位于定子的外侧，转矩脉动小，容易做成 扁平型，惯量较大。盘式转子型电机的气隙平面与轴垂直， 盘式转子与永磁磁极 相向配置，电机成扁平形，可做成有槽结构，见图 8，也可以做成无槽、无铁心 结构。这种电动机常用于 FDD 和 CD 的直接驱动等。 图 8 盘式转子无刷直流电动机 无刷直流电动机多采用钐钻（SmCo）和钕铁硼（NdFeB

5、 ）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

6、。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 设计工艺技术发展动向 1） 设计手段不断完善 随着计算机技术的发展以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不断完 善，形成了以电磁场数值计算、等效磁路解析求解、场路结合求解等一整套分析 研究方法和计算机辅助分析的设计软件。如 An soft 公司、Mag neForce 公司、 Jmag 公司均推出各种类型的电机设计软件，以方便快捷地完成从电机的电磁设 计计算、损耗计算、优化设计、噪声抑制、特性分析等。针对无刷电机特点，提 供多种转子类型、多种绕组型式及主电路的连接方式，以便组合。 2006 年三季 度，

7、加拿大以电磁计算分析著名的 Infolytica 公司，推出了专门针对永磁无刷电 机的Motorsolve 设计软件。 图 9 无刷直流电动机转子结构形式 图 6 永磁无刷电动机结构 图 7 外转子永磁无刷直流电动 这些软件除了对电机进行电磁设计，还可对电机在槽形、绕组、材料等设计 变量改变情况下多方案比较分析、 电磁场精确计算和电机多目标优化设计， 并包 括控制电路、控制算法在内的整个设计流程，既可以提供任意时刻电机内电磁场 分布数据，又能对电机工作时所关心的各类运行曲线，如转矩、转速、电流、功 率、效率等提供结果，同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标 参数，并可完成电机的各类

8、正常工况和故障工况的仿真实验，包括起动、堵转、 突加突减负载、突然短路等等。 2）分数槽技术应用日益增多 分数槽绕组技术在永磁无刷电动机中的应用已逐渐增多。 如在电动自行车电 机中采用三相、40 极、36 槽；Collmorgen 公司 Goldline 系列交流伺服电机采用 4 极、18 槽，6 极、24 槽等；松下伺服电机采用 6 极、9 槽，8 极、12 槽等每极每 相槽数q=1/2 的分数槽绕组结构。 对于多极的无刷电动机采用分数槽绕组， 可以较少的定子槽数达到多槽能达到的 效果。采用分数槽绕组有以下优点： a） 电机电枢槽数大为减少，有利于槽利用率的提高； b） 较少数目的元件数，可

9、简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本； c） 有可能得到线圈节距 y=1 的设计 （集中绕组） ， 便于采用自动绕线机绕制， 提高工效；同时各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘； d） 线圈周长和绕组端部缩短，电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，提高 了电动机的性能。采用分数槽绕组的磁动势谐波远大于整数槽绕组，如图 10 所 示。 图 10 整数槽绕组与分数槽绕组（q=1/2 ）时的反电动势比较 3）无槽、无铁心结构电机 无铁心无刷电动机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能 优越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行； 由于电枢无 铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁

10、滞损耗和涡流损耗， 消除了由齿槽效应带 来的转矩波动，具有优异的控制性能；运行效率高、温升低、转速范围广；电机 的电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载动行时，噪声及振动都很低。 无铁心无刷电机可采用轴向磁场结构和径向磁场结构。 轴向磁场结构的电机 电枢绕组径向按一定规律分布，在专用模具中固化成形，电枢两侧均为盘状转子 体，转子磁体为轴向磁化，两侧转子可同时布置永磁体磁极及转子轭， 成双励磁 转子结构，也可一侧布置永磁体磁极而另一侧布置转子磁轭， 成单励磁转子结构。 径向磁场结构电机的电枢绕组轴向按一定规律分布成筒状， 其电枢内、外圆处均 为筒状转子体，转子磁极为径向磁化，内、外圆可同时布置永磁体

11、磁极及转子轭， 成双励磁转子结构，也可在其中一个圆周上布置永磁体磁极， 而另一圆周上只布 置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构和轴向磁场结构均可根据要求制 造成内转子和外转子结构。图 11 为径向磁场结构的无铁心无刷电动机典型结构。 图 11 无铁心无刷电动机结构图 图 12 分割型定子冲片和铁心 典型盘式无刷电动机定子、转子均为圆盘形，采用轴向气隙磁场，可做成有 铁心和无铁心两种结构，定子绕组呈径向分布。 无槽结构无刷电动机消除了齿槽效应， 具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、 电枢电感小、定位干扰力矩小等一系列优点，成为很有发展前景的无刷电动机。 小直径的电动机，无槽结构能获得比有槽结

12、构更大的转矩指标；在特殊条件 下，例如要求电动机的转矩和功率相对不大，对电动机的体积限制不严，而对电 动机的控制要求很高的情况下，采取无槽结构会获得好的效果。 国内无槽无刷电动机已有系列产品，功率范围至 30 kW，最高转速可达 20 000 r/min。 4）工艺不断革新 在电机制造方面，通过对传统工艺的不断革新，出现了分割型定子铁心结构 和连续绕线工艺方法。采用多极集中绕组，减少绕组端部长度，以适应生产自动 化,使产品向低成本、低价格方向发展。同时出现了适应不同性能参数永磁材料 的瓦型、环型表面粘接结构和各种不同设计嵌入式磁体结构等新的转子磁路结 构。 对于节距 y=1 分数槽设计，用专用

13、绕线机直接绕制定子线圈，对于外转子结 构的电机比较方便，但对于内转子结构的电机，特别是定子内径小的小功率电机， 就要困难得多了。为此，分割型定子铁心结构的构思提出来了。图 12 所示为一 种新型定子铁心结构，把定子铁心每齿分割开来，可以在铁心展开的状态下绕制 线圈，以便随时调整线圈，实现规则绕制。绕圈绕制完成后，再把全部磁极对接 成圆，形成一个完整的定子。这时，电枢槽的利用率可达 85%以上。 日本松下生产的永磁交流伺服电动机最早采用上述新工艺， 生产效率大大提 高，产品体积大为减小，性能也有质的提升。以 400 W 为例，定子外径从最早 的 125 mm减小到 56 mm，效率由最早的 70

14、%提高到 85%，温升为 80K。 3 传感与传感器技术 3.1 转子磁场位置传感器 在无刷直流电动机中，常用的位置传感器有以下几种。 1） 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来检测转子位置，有开口变压器、接近开 关电路等；使用较多的是开口变压器。 电磁式位置传感器具有输出信号强、工作可靠、寿命长、适应性强、对环境 要求不高等优点，多用于航空航天领域，但体积较大，信噪比较低，同时，其输 出波形为交流，需整流、滤波方可使用，因而限制了它在普通条件下的应用。 2） 磁敏式位置传感器 常见的磁敏式位置传感器由霍尔元件或霍尔集成电路构成。 霍尔元件位置传 感器由于结构简单、性能可靠、成本

15、低，是目前应用最多的一种位置传感器。 霍尔元件所产生的电动势很低，往往需要外接放大器，很不方便，随着半导 体技术的发展，将霍尔元件与附加电路封装成三端模块， 构成霍尔集成电路。霍 尔集成电路有开关型和线性型两种，通常用开关型作为位置传感器。 3） 光电式位置传感器 光电式位置传感器由安装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组 成。其原理如图 13 所示。遮光盘上开有 150。电角度的扇形开口，扇形开口的数 目等于无刷直流电机转子磁极的极对数。 4 极电机所用遮光盘如图 13。光电开关 通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。 图 13 光电传感器 对于两相导通星形三相六状态无

16、刷直流电动机， 3 个光电开关在空间依次相 差120。电角度，光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对 位置类似于霍尔位置传感器。 4）对于高精度无刷伺服系统，用于速度和位置反馈的传感器有： （1） 光学绝对式编码器 绝对式编码器的精度由光电码盘的机械位置决定，不受停电等干扰影响；由 机械位置决定的每个位置是唯一的， 无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计 数，数据的可靠性大大提高了。 （2） 光学增量式编码器 增量编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应一个增量位移角， 不能 直接检测出轴的绝对角度。常选用的分辨率为每转 2500 个脉冲。 （3） 无刷旋转变压器+R/D 变

17、换器 无刷旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测元件，适用于高温、严寒、 潮湿、高速、高振动等旋转编码器无法正常工作的场合。无刷旋转变压器是一种 输出电压随转子转角变化的信号元件。无刷旋转变压器的精度主要由函数误差和 零位误差衡量。其精度高于自整角机。 （4） 感应同步器 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制做的； 可用 来测量直线和转角位移；测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆 感应同步器。感应同步器的优点是分辨率高、抗干扰能力强、寿命长，维护简便。 （5） 无刷测速发电机。 用于精度要求不高的无刷伺服系统的速度和位置传感器有： （1） 磁阻旋转变压器；

18、 （2） 磁电式脉冲测速发电机； （3） 磁性编码器； 此外，在经济型系统中，还有利用转子磁场位置信号经倍频处理或利用在电 机槽中放置线圈的简易型测速发电机作速度和位置检测的方式。 。 3.2 无位置传感器检测技术 1）利用反电动势检测转子位置 按照无刷直流电动机工作原理， 必须要有转子磁极位置信号来决定电子开关 的换相。目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）方法来得到这些信 号。它有必须占用电机一些空间，安装位置要准，需较多引出线，影响可靠性， 在某些场合，如压缩机内的高温高压环境，不允许安放霍尔元件。为此， 80 年 代以来，微机控制技术的快速进展，出现了各种称为无位置传感器控制技

19、术方法， 是当代无刷直流电动机控制研究热点之一。它从电子电路以软件方法获得转子磁 极位置信号，实现电子换相。在诸多方法中，以反电势法较成功。它检测不激励 相绕组的反电势过零点，经过运算后，决定换相时刻。这也是硬件软件化的一个 成功例子。 反电动势法的缺陷是当电机在静止或低速运行时，反电动势为 0 或太小，因 而无法利用，一般采用专门的起动电路，使电机以他控变频方式起动，当电机具 有一定的初速度和电动势后，再切换到自控变频状态。这个过程称为三段式起动， 包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。 2）续流二极管检测法 通过对逆变器开关管施加特殊时序的斩波控制信号， 使电机绕组的续流电流 沿着特定

20、的回路流通，当断开相绕组的反电动势过零时，与断开相开关管并联的 续流二极管中将流过续流电流，通过对该续流二极管导通与否的检测就可以确定 出绕组反电动势的过零点，从而得到电机的转子位置信号。 这种检测方法实际检测的也是绕组的反电动势，但是检测的灵敏度相对较 咼，在电机额定转速的 2%以上有效，起动容易、调速比大，缺点是实现电路稍 3） 瞬时电压方程法 利用电机各相瞬时电压和电流方程， 实时计算电机由静止到正常运转任一时 刻转子的位置，控制电机的运行。该方法不需专门的起动线路，电路简单、起动 转矩大，但对电机本体的数学模型依赖性大，当电机参数因温度变化发生漂移时， 容易造成建模误差，使控制精确性受

21、到影响；另外，由于在线计算复杂，计算量 很大，考虑到转子位置检测的实时性，必须采用具有快速运算能力的 DSP 和高 速 A/D 转换器。 4） 脉冲注入法 转子位置的不同使电机磁场的分布也不同。 该方法采用脉冲注入检测无刷电 机静止状态下的转子位置，通过依次向定子绕组注入一系列脉冲， 根据测量得到 的电流峰值判断转子位置。该方法对电机参数的依赖性低。 4 控制技术发展动向 4.1 DSP 的应用促进了无刷电动机系统技术发展 1) DSP 的特点 随着技术进步和用户对电机控制器的运算速度、数据处理能力、控制精度和 实时性提出了更高的要求，过去单纯的靠开、停时间长短或单片机来控制电机运 行的方式已

22、不能满足实际需要；特别是对于采用矢量变换控制的系统，由于需要 处理的数据量大，对系统的实时性和精度要求较高，单片机往往不能满足要求。 与单片机相比，DSP 器件集成度较高，CPU 速度较快，存储器容量更大， 更适用于电动机的变速驱动控制，同时可以提高系统的性能，降低成本和功耗， 简化外围电路的设计工作。因此，为了达到电机控制不断增加的计算量和速度要 求，更好地发挥电机的运行性能，具有强大数字信号处理功能的 DSP 芯片应运 而生。DSP 技术的应用使现代控制理论中先进而复杂的算法得以实现。 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 把现实生活中的各种模拟信号转换成数

23、字信号， 再用数学计算方法来处 理这些数字信号并得到相应结果。数字信号处理的主要任务是完成大量的实时计 算。例如在 DSP 中常用的 FIR 滤波和 FFT 快速算法。 DSP 芯片是一种特别适用于数字信号处理的微处理器。它强调对数据进行运 算处理的实时性，除具备普通微处理器强调的快速计算和控制功能， 在芯片结构、 数据流程和指令系统方面有较大改进。 例如：采用哈佛结构及改进的哈佛结构， 比传统的冯诺依曼结构具有更高的指令执行速度， 更适于处理具有高度实时要 求的数字信号。广泛采用流水线技术，加快指令执行速度，增强了处理器处理数 据的能力。采用多总线结构，解决了传统芯片的总线冲突问题，大大提高

24、了系统 的速度和效率。可以在一个周期内同时访问数据和程序存储空间， 解决了传统芯 片的总线冲突问题，大大提高了系统的速度和效率。快速的中断处理能力和硬件 I/O接口支持。 2) DSP 在无刷电机控制中的应用 (1) DSP 技术在无刷电机控制中的发展 20 世纪 80 年代，数字信号处理技术开始应用于电机控制领域， 其主要用来直 接控制感应电机的磁通量和转矩，以达到对电机转矩进行快速、高性能的控制。 典型的产品代表为 TI 公司的 TMS32010。但由于以前数字信号处理器芯片的价 格较高，人们对其在电机控制中的应用也没有给予足够的重视， 这种芯片主要用 在通讯、图像处理等领域，而在电机控制

25、中的应用较少，后来由于数字信号处理 器芯片的性价比不断提高，而且其强大的数字信号处理能力越来越受到用户的欢 迎，DSP的应用得到了较快的发展。 尽管最初把 DSP 技术应用于电机控制的目的是其快速的数据处理能力能够 对电机进行矢量控制和直接转矩控制，使复杂的算法得以实现，但以前的 DSP 芯片没有集成数模转换和脉宽调制等外围电路，芯片只是作为在算法上比 MCU 占优势的通用处理器来使用，大大增加了系统的体积和产品的成本， 增加系统设 计的复杂性，延长开发周期，降低系统工作的可靠性。 典型的 DSP 芯片在无刷电机控制中的应用 TI 系列 DSP 芯片 TI 公司于 1998 年推出的 TMS3

26、20F240 是电机控制领域一个划时代的进步。 芯片的执行速度很快，在 20 MHz 的时钟频率下，指令周期仅为 50 ns，且多数 指令都能在一个指令周期内完成，片内具有 Flash ROM。内部有 16 通道两路转 换精度为 10位的 AD 变换器，转换时间仅为 6.6 卩 s。在电机调速系统构成电流闭 环时，反馈电流信号可以经 AD 输入 CPU 处理。另外，TMS320F240 还提供 28 个 I/O 口，用于控制系统所需的各种开关量。芯片内集成的事件管理器（ EV） 具有控制三个半高桥的能力，当各个桥需要互补的 PWM 去控制时，EV 可以提 供这种功能，极大地方便了电机控制系统的

27、设计。它是专门用于电机控制的模块。 AD 系列 DSP 芯片 AD 公司推出基于 16位 26MIPS 定点 DSP 核 ADSP2171的 ADMC300、 330、 331电机控制芯片，把数字信号处理器和外围电路结合在一起，集成了 16 位三相 PWM发生器、存储器，串行通讯口，定时器等外围器件，还具有 7 路模拟量的 输入通道，用户不必在外围再设置模数转换器， 从而降低成本，提高系统工作的 可靠性。采用 ADSP2100 系列的代码兼容语言，使程序的移植非常方便，缩短 了产品的开发周期，工作量大大减少。 AD 公司开发的电机控制 DSP 芯片 ADMC401 具有一套完备的外围控制接口

28、和丰富的电机控制外设电路，增强了 DSP 的快速运算能力，可以在高度集成的 环境中对电机进行控制。它的基本控制外设电路是带有 8 路模拟量输入的模/数转 换系统、光电编码器接口单元和灵活、简便的脉冲宽度调制单元，可以输出 6 路 PWM 信号，以控制逆变器功率开关的动作， 借助于快速、高精度的模/数转换系 统和控制器来监视和调控电机的运行。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。 -Motorola系列 DSP芯片 Motorola公司研制的 DSP56F8xx系列集成了 Motorola 16 位定点 DSP 微控制器 内核 DSP56800。芯片内核最高可

29、工作于 80 MHz，指令执行速度可达 40MIPS , 单指令周期可以完成 16 X 16 位的并行乘、加运算，支持 16位双向循环移位。 芯 片内集成相位检测器和 PWM模块， 提供硬件循环操作， 具有 JTAG程序调试接 口，允许在系统设计过程中随时进行实时调试，非常适用于电机的实时控制。 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 控制理论的发展 1）基于稳态模型的标量控制 交流电动机最初的运行方式是不受控运行。其控制功能仅限于接通和关

30、断以 及某些情况下的辅助起动、制动和反转。为了满足一些调速传动的需要，产生了 一些性能较差的控制：如鼠笼异步电动机降压调速、绕线式异步电动机转子串电 阻调速和电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机串极调速、鼠笼异步电动机变 压变频调速（VVVF ）、变极调速和同步电机变压变频调速。在以上调速方法中， 除变压变频调速外，一般为开环控制，不需变频器，设备简单，但效率低，性能 差。鼠笼异步电动机基于恒压频比控制而构成的转差频率闭环控制， 性能相对较 好，但由于它们都是基于稳态模型，动态性能较差，一般只用于水泵、风机等动 态性能要求较低的节能调速和一般调速场合。 2） 矢量控制 1971 年由德国学者

31、Blaschke 提出的矢量控制理论使交流电机控制由外部宏 观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制。 永磁同步电机的控制性能由此 发生了质的飞跃。矢量控制最本质的特征是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦 合的非线性变量变换为相对坐标系为静止的直流变量 （如电流，磁链，电压等）， 从中找到约束条件，获得某一目标的最佳控制策略。 3） 直接转矩控制 1985 年，Depenbrock 教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法在定子 坐标系下分析交流电机的数学模型，在近似圆形旋转磁场的条件下强调对电机的 转矩进行直接控制，省掉了矢量坐标变换等复杂的计算。 其磁场定向应用的是定 子磁链，只需知道定子

32、电阻就可以把它观测出来， 相对矢量控制更不易受电机参 数变化的影响。近年来，直接转矩控制方式被移植到永磁同步电机的控制中， 其 控制规律和关键技术正逐渐被人们了解、掌握。直接转矩控制在全数字化、大转 矩、快速响应的交流伺服系统中有广阔应用前景。 4）非线性控制 交流电机是一个强耦合、非线性、多变量系统：非线性控制通过非线性状态 反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，将非线性、多变量、强 耦合的交流电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中转子磁链子系统 由两个惯性环节组成。两个子系统的调节按线性控制理论分别设计，以使系统达 到预期的性能指标。 但是，非线性系统反馈线性化的基础是

33、已知参数的电动机模型和系统的精确 测量或观测，而电机在运行中，参数受各个因素的影响会发生变化， 磁链观测的 准确性也很难论证，这些都会影响系统的鲁棒性，甚至造成系统性能恶化。目前 这种控制方法仍有待进一步完善。 5）自适应控制 自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完 善，是克服参数变化影响的有力手段。应用于永磁交流电机控制的自适应方法有 模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。 但 所有这些方法都存在的问题是：数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化； 辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，就会因来不及校 正而难以产生很好的效

34、果。 6） 滑模变结构控制 滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略， 它与常规控制的根本区别在 于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。 其主要特点是， 根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运 动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系统具有 很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很容易实现。 在过去 10 多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究 热点，并已取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性 使系统存在“抖振”问题。主要原因是：对于实际的滑模变结构系统，其

35、控制 力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限；系统的惯性、切换开关的时间 空间滞后及状态检测的误差，特别对于计算机的采样系统， 当采样时间较长时， 形成“准滑模”等。 所以， 在实际系统中“抖振”必定存在且无法消除， 这就限 制了它的应用。 7） 智能控制 （1）专家系统智能控制 专家控制（Expert control）是智能控制的一个重要分支。专家控制的实质是基 于控制对象和控制规律各种知识，并以智能方式利用这些知识使控制系统尽可能 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

36、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。 目前专家控制的研究大致包括用于传统 PID 控制和自适应控制的专家控制 和基于模糊规则的控制方法。 （2） 模糊逻辑智

37、能控制 模糊逻辑控制实质上是利用计算机模拟人的模糊逻辑思维功能实现的一种 数字反馈控制。人的思维具有模糊逻辑的特点，因此用计算机模拟人的模糊思维， 即模糊概念、模糊判断和模糊推理，就是模糊控制的思维科学基础，再和反馈控 制理论相结合就可以实现模糊控制。 传统的 PID 控制系统设计中需要给出被控对象的精确模型。 模型的不精确性 及不确定性都会影响 PID 控制性能。 相反， 模糊控制不需要知道被控对象的精 确模型，它是基于控制系统输入/输出数据因果关系的模糊推理控制。 模糊控制不是基于被控对象精确模型的控制方式，因此具有较强的鲁棒性， 其稳态精度可以通过引进智能积分等方法达到所要求的精度。 此

38、外，还可以将模 糊逻辑推理和 PID 控制相结合，对 PID 控制参数进行自适应调整，实现无静态 跟踪伺服控制。 （3） 神经网络智能控制 人工神经网络是利用计算机模拟人类大脑神经系统的联接机制而设计的一 种信息处理的网络结构，一般简称神经网络（NN ）。神经网络中最基本单元是神 经细胞，简称神经元。它是一种多输入单输出的信息处理单元，包括输入处理、 活化处理和输出处理三个部分。从控制的观点，神经元模型由加权加法器、单输 入单输出线性动态系统和静态非线性函数所组成。它们模拟神经细胞综合处理信 息的突变性和饱和性的非线性特征。 神经网络是由大量神经元构成网络，能够根据某种学习规则，通过调整神经

39、元之间的联接强度（权重）来不断改进网络的逼近性能，即神经网络具有非常强 的非线性映射能力。正因为如此，神经网络在智能控制、模式识别、故障诊断、 系统辩识等领域获得了广泛应用。 （4）除了上述的专家系统、模糊伺服控制、 神经网络伺服控制策略外，还有遗传算法等控制。 5 结语 永磁无刷电动机系统在运动控制系统中的作用越来越突出， 是目前国内外最 活跃和最具发展前途的控制系统。 文中首先介绍了系统的组成，对电机技术、设 计和工艺以及传感技术和控制技术做了较为详细的论述， 并提出发展动向；对于 研究人员和管理人员有一定意义。 参考文献 1 王宗鲜，韩光鲜，程智无刷直流电动机的方波与正弦波驱动J.微电

40、机，2002，35 (6): 3-6. 2 莫会成.方波励磁永磁无刷伺服电动机换向过程分析J.微电机，1994， 27 (3): 3-7. 3 莫会成.控制电机发展及建设J.微电机，2005，38 (6): 74-77. 4 孙建忠，白风仙.特种电机及其控制M.北京：中国水利水电出版社， 2005. 5 正田英介(日).电机电器M .北京：科学出版社，2001. 6 祝恩国， 杨公训， 许书阁.引发工业设计革命的 DSP技术J.微电机， 2006,39 (1): 55-57. 7 莫会成.永磁交流伺服电动机转矩波动分析 J.微电机，2007，40 (3): 1-4. 8 孟明.现代电气传动技术

41、C.企业产品国际化战略与微电机技术发展论 坛，宁波，西安微电机研究所，宁波， 2006，12: 16-19. 【9】黄声华.永磁交流伺服系统国内外发展现状C.微电机工业“十一五”发 展论坛，西安微电机研究所，西安，2005，7: 13 20。 作者简介：莫会成(1962-)，男，研究员级高工，教授，享受国务院特殊津贴专 家，从事永磁交流伺服电动机技术研究及技术管理。 机研究所,西安 710077 ) 来源：永磁电机会议论文集，编辑：闫晶芬 摘要：永磁无刷电动机系统是以电机为控制对象，以控制器为核心，以电力 电子功率变换装置为执行机构的电气传动控制系统。随着电机技术、控制理论、 数字脉宽调制技术

42、、新材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，伺服系统 经历了从步进伺服到直流伺服，进而到永磁无刷电机伺服系统的发展历程， 目前 已成为电机控制技术的主流方向。 1 系统组成 永磁无刷电动机系统是根据位置、速度和转矩等反馈信息构成的控制系 统，由永磁无刷电动机、传感（传感器）和驱动器三部分组成（见图 1 ）。系统有 开环运行、转矩控制、速度控制和位置控制 4 种基本运行方式，见图 2图 5。其 中图 4 和图 5是用于高精度的控制系统，如数控机床的进给驱动等。 图 1 永磁无刷电动机系统方框图 运行方框图 图 2 开环 图 3 转矩控制系统方框图图 系统方框图 永磁无刷电动机是通过电子电路换相

43、或电流控制的永磁电动机。 永磁无刷电 动机有正弦波驱动和方波驱动两种型式： 驱动电流为矩形波的通常称为永磁无刷 直流电动机，驱动电流为正弦波的通常称为永磁交流伺服电动机， 按传感类型可 分为有传感器电动机和无传感器电动机。 驱动器指接受控制指令、可实现对电动机的转矩、速度和转子位置控制的电 气装置。 驱动器按其控制电路和软件的实现方式可分为模拟量控制、 数字模拟混合控 制和全数字控制三种；按驱动方式可分为方波驱动和正弦波驱动 图 5 位置控制系统方框图 传感部分的作用是检测永磁无刷电动机的位置、速度和电流。常用的传感器 有接近开关、光电编码器、旋转变压器、霍尔元件和电流传感器等。 2 结构、设

44、计和工艺 2.1 电机结构 永磁无刷直流电动机的基本结构是将永磁直流电动机的定、 转子位置进行互 换，通常称为“内翻外”，转子为永磁结构，产生气隙磁通，定子为电枢，有多 相对称绕组，直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置传感器所代 替。所以无刷电动机实际上是一种永磁同步电机，如图 6 所示。 图 6 永磁无刷电动机结构 图 7 外转子永磁无刷直流电动机 另外，永磁无刷直流电动机可以做成外转子型和盘式转子型。其结构见图 7 和图 8。外转子型电机的永磁磁极转子位于定子的外侧，转矩脉动小，容易做成 扁平型，惯量较大。盘式转子型电机的气隙平面与轴垂直， 盘式转子与永磁磁极 相向配置，电机成扁

45、平形，可做成有槽结构，见图 8，也可以做成无槽、无铁心 结构。这种电动机常用于 FDD 和 CD 的直接驱动等。 图 8 盘式转子无刷直流电动机 图 4 速度控制 无刷直流电动机多采用钐钻（SmCo）和钕铁硼（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

46、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 设计工艺技术发展动向 1） 设计手段不断完善 随着计算机技术的发展以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不断完 善，形成了以电磁场数值计算、等效磁路解析求解、场路结合求解等一整套分析 研究方法和计算机辅助分析的设计软件。如 An soft 公司、Mag neForce 公司、 Jmag

47、公司均推出各种类型的电机设计软件，以方便快捷地完成从电机的电磁设 计计算、损耗计算、优化设计、噪声抑制、特性分析等。针对无刷电机特点，提 供多种转子类型、多种绕组型式及主电路的连接方式，以便组合。 2006 年三季 度，加拿大以电磁计算分析著名的 Infolytica 公司，推出了专门针对永磁无刷电 机的Motorsolve 设计软件。 图 9 无刷直流电动机转子结构形式 这些软件除了对电机进行电磁设计，还可对电机在槽形、绕组、材料等设计 变量改变情况下多方案比较分析、 电磁场精确计算和电机多目标优化设计， 并包 括控制电路、控制算法在内的整个设计流程，既可以提供任意时刻电机内电磁场 分布数据

48、，又能对电机工作时所关心的各类运行曲线，如转矩、转速、电流、功 率、效率等提供结果，同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标 参数，并可完成电机的各类正常工况和故障工况的仿真实验，包括起动、堵转、 突加突减负载、突然短路等等。 2） 分数槽技术应用日益增多 分数槽绕组技术在永磁无刷电动机中的应用已逐渐增多。 如在电动自行车电 机中采用三相、40 极、36 槽；Collmorgen 公司 Goldline 系列交流伺服电机采用 4 极、18 槽，6 极、24 槽等；松下伺服电机采用 6 极、9 槽，8 极、12 槽等每极每 相槽数q=1/2 的分数槽绕组结构。 对于多极的无刷电动机采用

49、分数槽绕组，可以较少的定子槽数达到多槽能达 到的效果。采用分数槽绕组有以下优点： a） 电机电枢槽数大为减少，有利于槽利用率的提高； b） 较少数目的元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本； c） 有可能得到线圈节距 y=1 的设计 （集中绕组） ， 便于采用自动绕线机绕制， 提高工效；同时各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘； d） 线圈周长和绕组端部缩短，电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，提高 了电动机的性能。采用分数槽绕组的磁动势谐波远大于整数槽绕组，如图 10 所 示。 图 10 整数槽绕组与分数槽绕组（q=1/2 ）时的反电动势比较 3） 无槽、无铁心结构电机 无铁心无刷电动

50、机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能 优越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行； 由于电枢无 铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗， 消除了由齿槽效应带 来的转矩波动，具有优异的控制性能；运行效率高、温升低、转速范围广；电机 的电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载动行时，噪声及振动都很低。 无铁心无刷电机可采用轴向磁场结构和径向磁场结构。 轴向磁场结构的电机 电枢绕组径向按一定规律分布，在专用模具中固化成形，电枢两侧均为盘状转子 体，转子磁体为轴向磁化，两侧转子可同时布置永磁体磁极及转子轭， 成双励磁 转子结构，也可一侧布置永磁体磁极而另一侧布置转

51、子磁轭， 成单励磁转子结构。 径向磁场结构电机的电枢绕组轴向按一定规律分布成筒状， 其电枢内、外圆处均 为筒状转子体，转子磁极为径向磁化，内、外圆可同时布置永磁体磁极及转子轭， 成双励磁转子结构，也可在其中一个圆周上布置永磁体磁极， 而另一圆周上只布 置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构和轴向磁场结构均可根据要求制 造成内转子和外转子结构。图 11 为径向磁场结构的无铁心无刷电动机典型结构。 图 11 无铁心无刷电动机结构图 图 12 分割型定子冲片和铁 心 典型盘式无刷电动机定子、转子均为圆盘形，采用轴向气隙磁场，可做成有 铁心和无铁心两种结构，定子绕组呈径向分布。 无槽结构无刷电动机

52、消除了齿槽效应， 具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、 电枢电感小、定位干扰力矩小等一系列优点，成为很有发展前景的无刷电动机。 小直径的电动机，无槽结构能获得比有槽结构更大的转矩指标；在特殊条件 下，例如要求电动机的转矩和功率相对不大，对电动机的体积限制不严，而对电 动机的控制要求很高的情况下，采取无槽结构会获得好的效果。 国内无槽无刷电动机已有系列产品，功率范围至 30 kW，最高转速可达 20 000 r/min。 4）工艺不断革新 在电机制造方面，通过对传统工艺的不断革新，出现了分割型定子铁心结构 和连续绕线工艺方法。采用多极集中绕组，减少绕组端部长度，以适应生产自动 化,使产品向低成本、

53、低价格方向发展。同时出现了适应不同性能参数永磁材料 的瓦型、环型表面粘接结构和各种不同设计嵌入式磁体结构等新的转子磁路结 构。 对于节距 y=1 分数槽设计，用专用绕线机直接绕制定子线圈，对于外转子结 构的电机比较方便，但对于内转子结构的电机，特别是定子内径小的小功率电机， 就要困难得多了。为此，分割型定子铁心结构的构思提出来了。图 12 所示为一 种新型定子铁心结构， 把定子铁心每齿分割开来， 可以在铁心展开的状态下绕制 线圈，以便随时调整线圈，实现规则绕制。绕圈绕制完成后，再把全部磁极对接 成圆，形成一个完整的定子。这时，电枢槽的利用率可达 85%以上。 日本松下生产的永磁交流伺服电动机最

54、早采用上述新工艺， 生产效率大大提 高，产品体积大为减小，性能也有质的提升。以 400 W 为例，定子外径从最早 的 125 mm减小到 56 mm，效率由最早的 70%提高到 85%，温升为 80K。 3 传感与传感器技术 3.1 转子磁场位置传感器 在无刷直流电动机中，常用的位置传感器有以下几种。 1） 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来检测转子位置，有开口变压器、接近开 关电路等；使用较多的是开口变压器。 电磁式位置传感器具有输出信号强、工作可靠、寿命长、适应性强、对环境 要求不高等优点，多用于航空航天领域，但体积较大，信噪比较低，同时，其输 出波形为交流，需整流、滤波方

55、可使用，因而限制了它在普通条件下的应用。 2） 磁敏式位置传感器 常见的磁敏式位置传感器由霍尔元件或霍尔集成电路构成。 霍尔元件位置传 感器由于结构简单、性能可靠、成本低，是目前应用最多的一种位置传感器。 霍尔元件所产生的电动势很低，往往需要外接放大器，很不方便，随着半导 体技术的发展，将霍尔元件与附加电路封装成三端模块， 构成霍尔集成电路。霍 尔集成电路有开关型和线性型两种，通常用开关型作为位置传感器。 3） 光电式位置传感器 光电式位置传感器由安装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组 成。其原理如图 13 所示。遮光盘上开有 150。电角度的扇形开口，扇形开口的数 目等于无刷直流电机

56、转子磁极的极对数。 4 极电机所用遮光盘如图 13。光电开关 通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。 图 13 光电传感器 对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机， 3 个光电开关在空间依次相 差 120。电角度，光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对 位置类似于霍尔位置传感器。 4）对于高精度无刷伺服系统，用于速度和位置反馈的传感器有： （1） 光学绝对式编码器 绝对式编码器的精度由光电码盘的机械位置决定，不受停电等干扰影响；由 机械位置决定的每个位置是唯一的， 无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计 数，数据的可靠性大大提高了。 （2） 光学增量式编码器

57、增量编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应一个增量位移角， 不能 直接检测出轴的绝对角度。常选用的分辨率为每转 2500 个脉冲。 （3） 无刷旋转变压器+R/D 变换器 无刷旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测元件，适用于高温、严寒、 潮湿、高速、高振动等旋转编码器无法正常工作的场合。无刷旋转变压器是一种 输出电压随转子转角变化的信号元件。无刷旋转变压器的精度主要由函数误差和 零位误差衡量。其精度高于自整角机。 （4） 感应同步器 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制做的； 可用来测量直线和转角位移；测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的 称圆感应同步器

58、。感应同步器的优点是分辨率高、抗干扰能力强、寿命长，维护 简便。 （5） 无刷测速发电机。 用于精度要求不高的无刷伺服系统的速度和位置传感器有： （1） 磁阻旋转变压器； （2） 磁电式脉冲测速发电机； （3） 磁性编码器； 此外，在经济型系统中，还有利用转子磁场位置信号经倍频处理或利用在电 机槽中放置线圈的简易型测速发电机作速度和位置检测的方式 3.2 无位置传感器检测技术 1） 利用反电动势检测转子位置 按照无刷直流电动机工作原理， 必须要有转子磁极位置信号来决定电子开关 的换相。目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）方法来得到这些信 号。它有必须占用电机一些空间，安装位置要准，需

59、较多引出线，影响可靠性， 在某些场合，如压缩机内的高温高压环境，不允许安放霍尔元件。为此， 80 年 代以来，微机控制技术的快速进展，出现了各种称为无位置传感器控制技术方法， 是当代无刷直流电动机控制研究热点之一。它从电子电路以软件方法获得转子磁 极位置信号，实现电子换相。在诸多方法中，以反电势法较成功。它检测不激励 相绕组的反电势过零点，经过运算后，决定换相时刻。这也是硬件软件化的一个 成功例子。 反电动势法的缺陷是当电机在静止或低速运行时，反电动势为 0 或太小，因 而无法利用，一般采用专门的起动电路，使电机以他控变频方式起动，当电机具 有一定的初速度和电动势后，再切换到自控变频状态。这个

60、过程称为三段式起动， 包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。 2） 续流二极管检测法 通过对逆变器开关管施加特殊时序的斩波控制信号， 使电机绕组的续流电流 沿着特定的回路流通，当断开相绕组的反电动势过零时，与断开相开关管并联的 续流二极管中将流过续流电流，通过对该续流二极管导通与否的检测就可以确定 出绕组反电动势的过零点，从而得到电机的转子位置信号。 这种检测方法实际检测的也是绕组的反电动势，但是检测的灵敏度相对较 咼，在电机额定转速的 2%以上有效，起动容易、调速比大，缺点是实现电路稍 3）瞬时电压方程法 利用电机各相瞬时电压和电流方程， 实时计算电机由静止到正常运转任一时 刻转子的位置