电机控制器发展现状及研究意义

电机控制器发展现状及研究意义
一、盘式永磁电机的发展情况及研究现状
盘式电机的气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，所以又被称为轴向磁场电机。

法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场电机，但是由于它的定、转子之间存在轴向磁吸力以及制造复杂等缺点，使得盘式电机未能得到进一步的发展，而被以后发展起来的常规电机又称为径向磁场电机所取代，可是常规电机也并非十全十美，由于齿根部存在“瓶颈”现象，致使电机的散热、铁心利用率低等问题一直困扰着电机工程人员，而这些问题只有从结构上进行彻底的变化才能解决，于是20世纪40年代起，轴向磁场电机又重新受到了电机界的重视。

实际的研究结果表明，轴向磁场电机不仅具有较高的功率密度，而且在一些特殊应用场合，它还具有明显的优越性。

（吴畏，许锦兴，林金铭.盘式永磁同步电动机及其发展.电工技术杂志，1990，2:10~13.）
随着数控机床、工业机器人、机械手、计算机及其外围设备等高科技产品的兴起和特殊应用如雷达、卫星天线等跟踪系统的需要，人们对伺服驱动电机小型化、薄型化、低噪声的呼声愈来愈高，对电机的结构和体积也提出了更高的要求。

世界上一些先进的工业国家从20世纪80年代初期起，就已经开始研制盘式永磁电机。

由于它结合了永磁电机和盘式电机的优点，使得该类电机既具有永磁电机结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高的优点，又同时具有盘式电机轴向尺寸短、结构紧凑、硅钢片利用率高、工艺简单、功率密度高、转动惯量小的特点，因此，该类电机在国内外迅速地得到了广泛应用。

目前在不同种类、不同结构的盘式永磁电机中尤以盘式永磁直流电动机、盘式永磁同步电动机和盘式无刷直流电动机应用最为广泛。

上世纪70年代初期，盘式电机首先以直流电机的形式应用于电车、水泵、吊扇和家用电器等场合。

1973年，英国的Keiper F率先指出了盘式轴向磁场结构的优越性，从而引起了电机界的极大兴趣，从70年代末期起，人们开始将盘式电机研究的方向转向盘式永磁同步电机。

1978年，意大利比萨大学的Bramanti A 教授首次提出了制造轴向气隙同步电动机的几种方法，探讨论了轴向磁场同步电机的特性，并且制造论文一台双定子单隐极转子的实验样机。

1979年，联邦德国布伦瑞克大学的Weh H教授给出了双转子单定子盘式永磁同步电机电磁场的计算的解析法，并导出了电机的稳态、瞬态参数和特性方程。

1985年，美国弗吉尼亚理工大学的Krishnan R教授对伺服驱动用的盘式永磁同步电动机进行了全面的介绍，通过对各种径、轴向磁场电机的性能进行比较，展现了盘式永磁同步电机的优越性。

（Krishnan R，Beutler A J.Performance and design of an axial field permanent magnet synchronous motor servo drive.IEEE Industry Applications Annual Meeting，1985:634~640.）2001年，Metin Aydin和Surong Hung对环形有槽和无槽盘式永磁电机进行了深入的研究并推导出了用于环形盘式永磁同步电机的方程（Aydin M，Hung S，Thomas A.Design and 3D electromagnetic field analysis of non-slotted and slotted TO-RUS type axial flux surface mounted permanent magnet disc machines.IEEE Electric Machines and Drives Conference，2001:645~651）。

2004年，意大利的Federico Caricchi，Fabio Giulii Capponi等对盘式永磁电机的空载损耗和脉动转矩通过试验和磁场分析的方法进行了深入地研究。

（Caricchi F，Capponi F G，Crescimbini F，et al.Experimental study on reducing cogging torque and no load power loss in axial-flux permanent magnet machines with slotted winding.IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40(4):1066~1075.）随着市场的需要和设计研究辅助工具的提高，近几年来，国外又涌现出了许多新型的盘式永磁电机。

图1-1所示为Briggs和Stratton研制的一种新型盘式永磁直流电动机(Etek)，该电机利用铜条代替了传统电机中的铜制导线，与产生相同电磁转矩的传统绕线式直流电机相比，该
电机可以节省90％的硅钢和50％的铜，电机的尺寸也可以缩减为原有电机的一半。

由于该电机采用永磁材料进行励磁，空载时的效率得到了很大的提高，而且采用铜条代替铜制导线后，电机的内部阻抗明显下降，这就使得该电机在运行时的损耗也得以大大地降低。

图1-2所示为Danaher公司生产的盘式永磁无刷直流电动机，该电机利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性而不用硅钢片制成无铁心电机，不仅使得电机实现了零齿槽转矩，运行平稳，而且大大降低了电机的转动惯量，提高了电机快速响应的能力。

图1-1 Etek盘式永磁直流电机
图1-2 Danaher公司盘式无刷直流电机
2002年，日本企业开发出了一款低转速、高转矩，采用直接驱动方式的圆盘式伺服电动机，额定转矩为1060N·m，额定转速为120r/min的电机，而该电机的额定功率则仅为15kW。

2006年8月，Timken公司的工程师Canton和Ohio为电动汽车开发了一款新的动力装置，该装置由盘式永磁电机、传感器、减速齿轮和滚动轴承构成。

通过在模拟道路上进行测试，结果与理论分析预测的性能非常接近。

在该款动力装置中使用的盘式永磁电机采用了双定子单转子的结构，利用这种结构可以使电机的能量密度峰值达到9100kW/m，而使用高效的50hp感应电动机时，能量密度的峰值只能达到800kW/m，即使使用内燃机，能量密度的
峰值也只能达到2000kW/m。

如果该盘式永磁电机采用单定子双转子的结构，则可以减轻电机的重量，但这种结构的缺点是不利于电机的散热。

图1-3为该动力装置的CAD模型，图1-4为动力装置中盘式永磁电机的结构图。

图1-3动力装置的CAD模型
图1-4盘式永磁电机的两种结构
我国对于盘式电机的研究可以追溯到上个世纪80年代，国内学者首先对盘式电机的磁场进行了深入地分析。

1985年蒋豪贤利用Laplace方程求出了圆盘式轴向磁场电机的气隙磁通密度，并给出相应的计算公式表明该磁场为旋转磁场，沿圆盘面呈正弦分布，沿轴向衰减，沿径向减小（蒋豪贤，肖晖.盘式异步制动电动机.微特电机，1989，2:14~16.）。

1991年顾其善、候书红对三相盘式感应电机的磁场进行了研究，并提出了二维分布磁路模型，沿径向分成数段，在各段上把谐波平衡法应用到轴向磁场电机。

根据分布磁路模型编制的盘式感应电动机性能计算程序，不仅可以迅速确定气隙磁密、齿磁密、轭磁密沿径向的分布以及整个盘式气隙平面上的磁场分布，而且可以给出电机的工作性能和轴向电磁力的分布（顾其善，候书红.盘式感应电动机的磁路设计与计算.中小型电机，1994，21(1):16~20.）。

1992年程明、周鹗等也提出利用径向分段法来计算盘式电机的磁路及参数，求出的磁化曲线、效率、功率因数和实测值基本相符（程明，周鄂.轴向磁场盘式异步电动机的设计与计算.中小型电机，1992，19(3):6~9.）。

同年，王琳、何全普等将分环法用于盘式感应电动机磁场分布的计算，通过有限元的计算，揭示了该类电机磁场沿径向的分布规律（王琳，何全普.轴向磁场异步电机磁场分布研究.电工技术杂志，1992，3:6~8.）。

1993年黄开胜、何全普论述了交流盘式电动机磁路计算的分环计算法，LJ优化设计法，并给出了优化设计框图及优化设计的结果，将盘式电机的磁场研究进一步推向深入（黄开胜，何全普.交流盘式电动机优化设计.中小型电机，1993，20(6):7~9.）。

1996年吴慧燕、程明、周鹗对单相盘式感应电动机进行了研究，并给出了主要结构尺寸的确定方法，参数计算特点和磁路计算及分析设计流程图（候书红，亚尔·买买提.盘式电机在我国的发展及其展望.微特电机，1998，26(4):30~33.）。

1998年，浙江大学的刘晓东、赵衡冰等对单定子、双转子的盘式永磁电动机进行了研究，并给出了该电机输出功率和主要尺寸之间的关系(刘晓东，赵衡兵.钕铁硼永磁盘式同步电动机的设计研究.微特电机，1998，26(3):6~7.)。

2000年，西安交通大学的王正茂、苏少平等研制出了两台三相盘式永磁同步电动机(王正茂，苏少平.盘式永磁同步电动机研究.中小型电机，2000，27(5):13~15.)。

除此之外，国内的科研人员对盘式永磁电机永磁体尺寸的计算、工作点的确定、电感的计算等问题也有所研究，目前，国内的科研工作者已经逐步掌握了多种盘式电机磁场的特点及研究方法。

但是我们应该清醒地认识到，虽然近年来国内对盘式永磁电机的研究取得了很大的进步，但是国外对这类电机的研究却已经远远走在了我们的前面，为了发展我国新一代
高性能电机及伺服系统，研究盘式永磁电机已经成为我国电机行业一项十分重要的任务。

二、低速同步电机的发展现状及研究情况
随着科学技术的迅猛发展，在某些系统中，例如：通信传真装置、录音录像设备、电动执行机构及机床进给系统等，都希望电动机能够直接输出较低的转速。

增加电机的极对数，理论上可以降低普通同步电动机或感应电动机的转速，但是极对数的增加实际上受到电动机性能、结构与工艺条件的限制，因此单纯地使用增加极对数的方法只能适用于一定的转速范围。

传统的交流电动机都是高速旋转的，一般为：3000，1500，1000，750r/min四种同步转速，目前，在许多低速大转矩驱动领域，例如额定转速为10~60r/min的低速生产机械，通常都需要选用同步转速为600~1500r/min的交流电动机来拖动，由于转速差别很大，电机必须与庞大的减速机进行配套才能使用。

在传动系统中，电机使用降速齿轮传动后，不仅使系统的尺寸增大、重量增加，而且容易造成噪声高、转动惯量大及效率低等各种不利因素。

同时由于齿轮啮合精度的限制，在要求正反转和平稳快速反应时，齿轮传动往往会影响传动系统的性能。

如果能够利用电机直接驱动这些低速生产设备，则既可以节约能源，又能提高整个传动系统的效率，因此从上个世纪60年代起，各国的科研人员就不断努力研制了多种不同原理、不同结构的低速电机。

1963年，美国联合制鞋机械公司(USM)首先发明了伺服低速电机，并被成功地应用于宇航、卫星等高技术领域。

之后，日本引进了美国的全套技术，并以此原理制成了谐波传动电动机(Responsyn)。

近年来，美国又在研制通用低速电机，并陆续有样机问世。

德国是继美国之后致力于低速电机开发的国家，但却已经在通用低速电机的研制与生产上处于世界领先水平，该国的生产厂家主要是HDSG公司。

该公司生产的低速电机与美国公司生产的不同，其优点更为突出，而且可以使电机的输出转速仅为2.8r/min。

这一先进技术代表着电机发展的一个新的方向，目前世界各国都正在这一基础上竞相研制开发。

我国对于低速电机的研制开始于上个世纪80年代，由南京理工大学率先进行，目前我国在低速电机研制和生产上已经取得了很大的进步。

当前在国内比较常见的低速电机主要有滚切式电动机、谐波电动机和电磁减速式同步电动机。

滚切式电动机是把电动机中产生的电磁力与机械上的行星减速原理结合起来，使输出轴得到低转速的电动机。

谐波电动机是把电动机产生的电磁力与谐波减速原理结合起来得到的低转速电动机。

电磁减速式同步电动机是利用电动机定转子表面开槽引起气隙磁导变化而得到的低转速同步电动机，因此又被称为低速同步电动机。

由于材料以及制造工艺等原因，前两种低速电动机应用得比较少，目前在工程上应用的比较普遍的就是低速同步电动机，但国内现有的低速电机其最大转矩还都比较低，不能够满足大转矩生产机械的驱动要求。

根据公式，在频率确定的情况下，增加电机的极对数是降低转速的最直接的方法。

传统永磁同步电动机的每极需要对应三相绕组，即每个极下至少要有三个定子槽，随着电机极数的增加，定子上的开槽数也会成倍的增加。

考虑到机械强度和加工工艺等因素，就需要相应的增加电机的体积，从而不可避免的增加了原材料的消耗。

为了解决类似的问题，David Howe提出了模块化定子结构永磁电机，这种类型的电机可以在不增加电机体积的情况下选取较多的极数，从而实现低速大转矩的要求。

与传统电机相比，该类电机在外形上通常做成扁平结构，电枢长度与直径之比仅为0.2左右，从而保证了电机能够在一定的电枢体积和电枢电压下产生较低的转速和较大的转矩。

pn =60f宇航、卫星、火箭等尖端技术和人们的生产、生活迫切需要电动机及其运动控制系统的性能得到极大改善，对于低速永磁同步电动机及其驱动系统的研究，目前也有不少学者做了大量的工作。

文献(谷爱昱，陆永平，邹继斌.脉振磁场永磁低速同步电动机电感参数的分析.微特电机，2000，28(1):28~30.)提出了一种脉振磁场永磁低速同步电动机，并对其磁场分布以及电感参数计算进行了分析。

文献(肖杭，金敏捷，谭弗娃.低速永磁同步电动机的设计研究.微特电机，2001，29(6):26~28.)、( 张炳义，
冯桂宏，王凤翔.SPWM电源供电下低速大扭矩永磁同步电动机设计研究.电工技术学报，2001，16(6):85~90.)均提出了一种新颖结构的永磁同步电动机，并对其如何消除低频转矩脉动做了深入地探讨。

国际上，Wang Y，Chan C C等人利用场路结合法分析了低速大转矩永磁同步电动机的特性（Wang Y，Chan C C，Jiang J Z.Transient analysis of a new out-rotor permanent magnet brushless DC drive using circuit-field-torque coupled time-stepping finite element method.IEEE Transactions on Magnetics，2002，38(2):1297~1300.），因此对于低速永磁同步电动机及其驱动系统进行更深入地研究是十分必要的，而且其应用前景也是十分广阔的。

三、课题研究的目的和意义
盘式永磁同步电动机作为现代高性能新型电机和大力矩直接驱动电机，在国外已经广泛应用于机器人等机电一体化产品中，并开始逐渐地取代传统的伺服电机产品。

为了发展我国新一代高性能伺服电机及伺服系统，改变高性能伺服电机长期依赖进口的局面，促进机器人等高科技产品的开发研制工作，把盘式永磁同步电动机产品化已经成为我国电机行业一项十分紧迫而艰巨的任务。

由于普通电机的转速较高，在日常应用中需要辅助一定的减速机构用于拖动，这种做法不仅降低了效率，还造成了设备上的浪费。

据不完全统计，我国每年需要生产近千万台的各类减速机与普通电动机配套使用，若改为采用稀土永磁式低速同步电动机进行直接传动，其社会效益极为可观，使用价值和经济性能较高，而且更便于推广应用。

本课题的主要研究内容是借助有限元分析软件对新型结构钕铁硼永磁交流电动机——盘式低速永磁同步电动机进行电磁分析，确定该电机中的一些主要参数，并利用电磁计算得到的电机参数，对该电机的起动性能进行仿真。

由于该电机采用磁性能优异的钕铁硼永磁材料作为励磁源，不仅继承了一般低速电动机的普遍优点，而且该电机还具有额定功率大、力能指标高、结构简单紧凑、噪音低的显著优势，特别适合一些特殊的应用场合，比如电动汽车、船用推进器、手持电动工具、机械臂等，对于大功率传动系统采用直接传动，减少整个系统的尺寸和质量，提高系统运行效率和可靠性，改善系统的动静态性能，促进产品的升级换代，都具有十分重要的意义。

四、电机控制技术的发展
一个多世纪来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。

近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。

除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心
脏血液循环系统的微型电机等等。

另一方面，由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子。

在实际中，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。

例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。

这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”“电气传动”而是“运动控制”。

运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。

因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。

功率半导体器件的发展电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。

近几十年
来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用，而功率器件的发展是电力电子技术发展的动力，一代新型功率器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。

自从上个世纪50年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究取得了飞速的发展。

60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门级可关断功能，并使斩波工作频率扩展到IkHZ 以上。

70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了全控功能，使得高频应用成为可能。

80年代，绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT)问世，它综合了功率MOSFET 和双极型功率晶体管两者的功能，是当前应用最为广泛的功率器件。

在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。

这些专用驱动集成电路都是经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性，为整机设计者带来极大的方便。

现在己可以做到使用一片驱动器件，一个驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。

由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是模拟PID闭环，也必须将最终的输出转化为数字电平。

因此，在功率器件的控制中采用数字控制技术明显优于模拟控制技术，具体来讲，数字控制技术在用于功率器件控制时有如下独特优点:可严格控制最小开通、最小关断时间。

可严格控制死区时间。

对于码盘、位置传感器、同步信号一类数字输入、反馈信号，可直接使用无需变换。

可以非常简单地实现SPWM控制。

可将整个控制系统划分为若干不同工作状态，针对不同的状态施加不同的控制策略。

借助于电流传感器、比较器，可实现限流保护、限流关断达到恒转距控制。

可进行时序滤波，进一步提高抗干扰能力。

多个数字芯片可相互监视、互为看门狗。

强干扰环境、远距离控制可方便地采用奇偶效验、光电隔离、电流环等数字通信技术。

可进行故障自诊断、显示。

五、电机的控制器的发展
调速电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。

由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。

所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想。

因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。

数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。

随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加，用户也不断提高对电机控制技术的要求。

总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更高的性能。

许多设备试图使用8位或是准16位的微处理器实现电机的闭环控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。

例如，在很多领域(如工业、家电和汽车)，用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机。

这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现。

但是这可能超出上述微处理器的计算能力。

使用高性能的数字信号处理器(DSP)来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前最为普遍的做法。

将一系列外围设备如模数转换器(A/D)、脉宽调制发生器(PWM)和数字信号处理器(DSP)集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片。

近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好;价格却大幅度降低，低端产品的价格已接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。

越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机己成熟。

首先，与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。

DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。

有的片内集成了A了D和采样/保持电路，可提供PW人4输出。

更为不同的是，DSP器件为精简指令)器件，大多数指令都能在一个周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。

同时DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。

又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线，使DSP器件具有高速的数据计算能力。

而单片机为复杂指令系统计算机〔CISC)，多数指令要2一3个指令周期来完成。

单片机采用冯诺依曼结构。

程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令和数据。

ALU只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，也就是说速度比较慢。

所以，结构上的差异使DSP器件比准16位单片机单指令执行时间快8一10倍，完成一次乘法运算快16 -30倍。

DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提供了FFT快速傅。