永磁無刷電動機系統發展研究現狀永磁無刷電動機系統發展研究現狀永磁無刷電動機系統發展研究現狀引用永磁無刷電動機系統發展現狀無刷電機繞組繞線機2008-11-2919:55:17|分類：默認分類|標簽：|字號大中小訂閱引用David的永磁無刷電動機系統發展現狀莫會成（西安微電機研究所,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行機構的電氣傳動控制系統。隨著電機技術、控制理論、數字脈寬調制技術、新材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，伺服系統經歷了從步進伺服到直流伺服，進而到永磁無刷電機伺服系統的發展歷程，目前已成為電機控制技術的主流方向。1系統組成永磁無刷電動機系統是根據位置、速度和轉矩等反饋信息構成的控制系統，由永磁無刷電動機、傳感（傳感器）和驅動器三部分組成（見圖1）。系統有開環運行、轉矩控制、速度控制和位置控制4種基本運行方式，見圖2~圖5。其中圖4和圖5是用于高精度的控制系統，如數控機床的進給驅動等。圖1永磁無刷電動機系統方框圖圖2開環運行方框圖圖3轉矩控制系統方框圖圖圖4速度控制系統方框圖永磁無刷電動機是通過電子電路換相或電流控制的永磁電動機。永磁無刷電動機有正弦波驅動和方波驅動兩種型式：驅動電流為矩形波的通常稱為永磁無刷直流電動機，驅動電流為正弦波的通常稱為永磁交流伺服電動機，按傳感類型可分為有傳感器電動機和無傳感器電動機。驅動器指接受控制指令、可實現對電動機的轉矩、速度和轉子位置控制的電氣裝置。驅動器按其控制電路和軟件的實現方式可分為模擬量控制、數字模擬混合控制和全數字控制三種；按驅動方式可分為方波驅動和正弦波驅動。圖5位置控制系統方框圖傳感部分的作用是檢測永磁無刷電動機的位置、速度和電流。常用的傳感器有接近開關、光電編碼器、旋轉變壓器、霍爾元件和電流傳感器等。2結構、設計和工藝2.1電機結構永磁無刷直流電動機的基本結構是將永磁直流電動機的定、轉子位置進行互換，通常稱為“內翻外”，轉子為永磁結構，產生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱繞組，直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉子位置傳感器所代替。所以無刷電動機實際上是一種永磁同步電機，如圖6所示。圖6永磁無刷電動機結構圖7外轉子永磁無刷直流電動機另外，永磁無刷直流電動機可以做成外轉子型和盤式轉子型。其結構見圖7和圖8。外轉子型電機的永磁磁極轉子位于定子的外側，轉矩脈動小，容易做成扁平型，慣量較大。盤式轉子型電機的氣隙平面與軸垂直，盤式轉子與永磁磁極相向配置，電機成扁平形，可做成有槽結構，見圖8，也可以做成無槽、無鐵心結構。這種電動機常用于FDD和CD的直接驅動等。圖8盤式轉子無刷直流電動機無刷直流電動機多采用釤鈷（SmCo）和釹鐵硼（NdFeB）等稀土永磁。常見的轉子結構有表面式磁極，嵌入式磁極和環形磁極3種，如圖9所示。圖9a結構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。圖9b結構是在鐵心中嵌入矩形永磁體。其優點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯提供，可以獲得較大的磁通。但結構需要作隔磁處理或者采用不銹鋼軸。對于高轉速運行的電機，圖9a和圖9b的結構需在轉子外表面套一個0.3mm~0.8mm的磁性緊圈，防止離心力將磁鋼甩出。緊圈材料通常采用不導磁的不銹鋼，也可以用環氧無緯玻璃絲帶縛扎。圖9c結構是在鐵心外套上一個整體稀土永磁環。該環形磁體徑向充磁為多極，適用于小功率的電機。這種結構的轉子制造工藝性較好。2.2設計工藝技術發展動向1）設計手段不斷完善隨著計算機技術的發展以及電磁場數值計算、優化設計和仿真技術的不斷完善，形成了以電磁場數值計算、等效磁路解析求解、場路結合求解等一整套分析研究方法和計算機輔助分析的設計軟件。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各種類型的電機設計軟件，以方便快捷地完成從電機的電磁設計計算、損耗計算、優化設計、噪聲抑制、特性分析等。針對無刷電機特點，提供多種轉子類型、多種繞組型式及主電路的連接方式，以便組合。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設計軟件。圖9無刷直流電動機轉子結構形式這些軟件除了對電機進行電磁設計，還可對電機在槽形、繞組、材料等設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多目標優化設計，并包括控制電路、控制算法在內的整個設計流程，既可以提供任意時刻電機內電磁場分布數據，又能對電機工作時所關心的各類運行曲線，如轉矩、轉速、電流、功率、效率等提供結果，同時還能提供齒槽轉矩、轉矩脈動、轉速波動等詳細指標參數，并可完成電機的各類正常工況和故障工況的仿真實驗，包括起動、堵轉、突加突減負載、突然短路等等。2）分數槽技術應用日益增多分數槽繞組技術在永磁無刷電動機中的應用已逐漸增多。如在電動自行車電機中采用三相、40極、36槽；Collmorgen公司Goldline系列交流伺服電機采用4極、18槽，6極、24槽等；松下伺服電機采用6極、9槽，8極、12槽等每極每相槽數q=1/2的分數槽繞組結構。對于多極的無刷電動機采用分數槽繞組，可以較少的定子槽數達到多槽能達到的效果。采用分數槽繞組有以下優點：a)電機電樞槽數大為減少，有利于槽利用率的提高；b)較少數目的元件數，可簡化嵌線工藝和接線，有助于降低成本；c)有可能得到線圈節距y=1的設計（集中繞組），便于采用自動繞線機繞制，提高工效；同時各個線圈端部沒有重疊，不必設相間絕緣；d)線圈周長和繞組端部縮短，電動機繞組電阻減小，銅損隨之也減低，提高了電動機的性能。采用分數槽繞組的磁動勢諧波遠大于整數槽繞組，如圖10所示。圖10整數槽繞組與分數槽繞組（q=1/2）時的反電動勢比較3）無槽、無鐵心結構電機無鐵心無刷電動機的出現是采用新材料、新工藝的結果。電樞采用耐熱性能優越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩定運行；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，消除了由齒槽效應帶來的轉矩波動，具有優異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結構，負載動行時，噪聲及振動都很低。無鐵心無刷電機可采用軸向磁場結構和徑向磁場結構。軸向磁場結構的電機電樞繞組徑向按一定規律分布，在專用模具中固化成形，電樞兩側均為盤狀轉子體，轉子磁體為軸向磁化，兩側轉子可同時布置永磁體磁極及轉子軛，成雙勵磁轉子結構，也可一側布置永磁體磁極而另一側布置轉子磁軛，成單勵磁轉子結構。徑向磁場結構電機的電樞繞組軸向按一定規律分布成筒狀，其電樞內、外圓處均為筒狀轉子體，轉子磁極為徑向磁化，內、外圓可同時布置永磁體磁極及轉子軛，成雙勵磁轉子結構，也可在其中一個圓周上布置永磁體磁極，而另一圓周上只布置轉子磁軛，成單勵磁轉子結構。徑向磁場結構和軸向磁場結構均可根據要求制造成內轉子和外轉子結構。圖11為徑向磁場結構的無鐵心無刷電動機典型結構。圖11無鐵心無刷電動機結構圖圖12分割型定子沖片和鐵心典型盤式無刷電動機定子、轉子均為圓盤形，采用軸向氣隙磁場，可做成有鐵心和無鐵心兩種結構，定子繞組呈徑向分布。無槽結構無刷電動機消除了齒槽效應，具有轉矩波動小、運行平穩、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等一系列優點，成為很有發展前景的無刷電動機。小直徑的電動機，無槽結構能獲得比有槽結構更大的轉矩指標；在特殊條件下，例如要求電動機的轉矩和功率相對不大，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，采取無槽結構會獲得好的效果。國內無槽無刷電動機已有系列產品，功率范圍至30kW，最高轉速可達20000r/min。4）工藝不斷革新在電機制造方面，通過對傳統工藝的不斷革新，出現了分割型定子鐵心結構和連續繞線工藝方法。采用多極集中繞組，減少繞組端部長度，以適應生產自動化，使產品向低成本、低價格方向發展。同時出現了適應不同性能參數永磁材料的瓦型、環型表面粘接結構和各種不同設計嵌入式磁體結構等新的轉子磁路結構。對于節距y=1分數槽設計，用專用繞線機直接繞制定子線圈，對于外轉子結構的電機比較方便，但對于內轉子結構的電機，特別是定子內徑小的小功率電機，就要困難得多了。為此，分割型定子鐵心結構的構思提出來了。圖12所示為一種新型定子鐵心結構，把定子鐵心每齒分割開來，可以在鐵心展開的狀態下繞制線圈，以便隨時調整線圈，實現規則繞制。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。這時，電樞槽的利用率可達85%以上。日本松下生產的永磁交流伺服電動機最早采用上述新工藝，生產效率大大提高，產品體積大為減小，性能也有質的提升。以400W為例，定子外徑從最早的φ125mm減小到φ56mm，效率由最早的70%提高到85%，溫升為80K。3傳感與傳感器技術3.1轉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。1）電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應來檢測轉子位置，有開口變壓器、接近開關電路等；使用較多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號強、工作可靠、壽命長、適應性強、對環境要求不高等優點，多用于航空航天領域，但體積較大，信噪比較低，同時，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用。2）磁敏式位置傳感器常見的磁敏式位置傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路構成。霍爾元件位置傳感器由于結構簡單、性能可靠、成本低，是目前應用最多的一種位置傳感器。霍爾元件所產生的電動勢很低，往往需要外接放大器，很不方便，隨著半導體技術的發展，將霍爾元件與附加電路封裝成三端模塊，構成霍爾集成電路。霍爾集成電路有開關型和線性型兩種，通常用開關型作為位置傳感器。3）光電式位置傳感器光電式位置傳感器由安裝在電機轉子上的遮光盤和固定不動的光電開關組成。其原理如圖13所示。遮光盤上開有150°電角度的扇形開口，扇形開口的數目等于無刷直流電機轉子磁極的極對數。4極電機所用遮光盤如圖13。光電開關通常采用將發光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續器。圖13光電傳感器對于兩相導通星形三相六狀態無刷直流電動機，3個光電開關在空間依次相差120°電角度，光電開關與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器。4）對于高精度無刷伺服系統，用于速度和位置反饋的傳感器有：（1）光學絕對式編碼器絕對式編碼器的精度由光電碼盤的機械位置決定，不受停電等干擾影響；由機械位置決定的每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，數據的可靠性大大提高了。（2）光學增量式編碼器增量編碼器的特點是每產生一個輸出脈沖信號就對應一個增量位移角，不能直接檢測出軸的絕對角度。常選用的分辨率為每轉2500個脈沖。（3）無刷旋轉變壓器+R/D變換器無刷旋轉變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測元件，適用于高溫、嚴寒、潮濕、高速、高振動等旋轉編碼器無法正常工作的場合。無刷旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。無刷旋轉變壓器的精度主要由函數誤差和零位誤差衡量。其精度高于自整角機。（4）感應同步器感應同步器是利用兩個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角位移；測量直線位移的稱長感應同步器，測量轉角位移的稱圓感應同步器。感應同步器的優點是分辨率高、抗干擾能力強、壽命長，維護簡便。（5）無刷測速發電機。用于精度要求不高的無刷伺服系統的速度和位置傳感器有：（1）磁阻旋轉變壓器；（2）磁電式脈沖測速發電機；（3）磁性編碼器；此外，在經濟型系統中，還有利用轉子磁場位置信號經倍頻處理或利用在電機槽中放置線圈的簡易型測速發電機作速度和位置檢測的方式。。3.2無位置傳感器檢測技術1）利用反電動勢檢測轉子位置按照無刷直流電動機工作原理，必須要有轉子磁極位置信號來決定電子開關的換相。目前，大多數采用安裝位置傳感器（例如霍爾元件）方法來得到這些信號。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，如壓縮機內的高溫高壓環境，不允許安放霍爾元件。為此，80年代以來，微機控制技術的快速進展，出現了各種稱為無位置傳感器控制技術方法，是當代無刷直流電動機控制研究熱點之一。它從電子電路以軟件方法獲得轉子磁極位置信號，實現電子換相。在諸多方法中，以反電勢法較成功。它檢測不激勵相繞組的反電勢過零點，經過運算后，決定換相時刻。這也是硬件軟件化的一個成功例子。反電動勢法的缺陷是當電機在靜止或低速運行時，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，使電機以他控變頻方式起動，當電機具有一定的初速度和電動勢后，再切換到自控變頻狀態。這個過程稱為三段式起動，包括轉子定位、加速和運行狀態切換三個階段。2）續流二極管檢測法通過對逆變器開關管施加特殊時序的斬波控制信號，使電機繞組的續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，與斷開相開關管并聯的續流二極管中將流過續流電流，通過對該續流二極管導通與否的檢測就可以確定出繞組反電動勢的過零點，從而得到電機的轉子位置信號。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，在電機額定轉速的2%以上有效，起動容易、調速比大，缺點是實現電路稍復雜一些。3）瞬時電壓方程法利用電機各相瞬時電壓和電流方程，實時計算電機由靜止到正常運轉任一時刻轉子的位置，控制電機的運行。該方法不需專門的起動線路，電路簡單、起動轉矩大，但對電機本體的數學模型依賴性大，當電機參數因溫度變化發生漂移時，容易造成建模誤差，使控制精確性受到影響；另外，由于在線計算復雜，計算量很大，考慮到轉子位置檢測的實時性，必須采用具有快速運算能力的DSP和高速A/D轉換器。4）脈沖注入法轉子位置的不同使電機磁場的分布也不同。該方法采用脈沖注入檢測無刷電機靜止狀態下的轉子位置，通過依次向定子繞組注入一系列脈沖，根據測量得到的電流峰值判斷轉子位置。該方法對電機參數的依賴性低。4控制技術發展動向4.1DSP的應用促進了無刷電動機系統技術發展1）DSP的特點隨著技術進步和用戶對電機控制器的運算速度、數據處理能力、控制精度和實時性提出了更高的要求，過去單純的靠開、停時間長短或單片機來控制電機運行的方式已不能滿足實際需要；特別是對于采用矢量變換控制的系統，由于需要處理的數據量大，對系統的實時性和精度要求較高，單片機往往不能滿足要求。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動控制，同時可以提高系統的性能，降低成本和功耗，簡化外圍電路的設計工作。因此，為了達到電機控制不斷增加的計算量和速度要求，更好地發揮電機的運行性能，具有強大數字信號處理功能的DSP芯片應運而生。DSP技術的應用使現代控制理論中先進而復雜的算法得以實現。DSP芯片的飛速發展促進了無刷電機控制技術的發展與創新。DSP把現實生活中的各種模擬信號轉換成數字信號，再用數學計算方法來處理這些數字信號并得到相應結果。數字信號處理的主要任務是完成大量的實時計算。例如在DSP中常用的FIR濾波和FFT快速算法。DSP芯片是一種特別適用于數字信號處理的微處理器。它強調對數據進行運算處理的實時性，除具備普通微處理器強調的快速計算和控制功能，在芯片結構、數據流程和指令系統方面有較大改進。例如：采用哈佛結構及改進的哈佛結構，比傳統的馮·諾依曼結構具有更高的指令執行速度，更適于處理具有高度實時要求的數字信號。廣泛采用流水線技術，加快指令執行速度，增強了處理器處理數據的能力。采用多總線結構，解決了傳統芯片的總線沖突問題，大大提高了系統的速度和效率。可以在一個周期內同時訪問數據和程序存儲空間，解決了傳統芯片的總線沖突問題，大大提高了系統的速度和效率。快速的中斷處理能力和硬件I/O接口支持。2）DSP在無刷電機控制中的應用（1）DSP技術在無刷電機控制中的發展20世紀80年代，數字信號處理技術開始應用于電機控制領域，其主要用來直接控制感應電機的磁通量和轉矩，以達到對電機轉矩進行快速、高性能的控制。典型的產品代表為TI公司的TMS32010。但由于以前數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、圖像處理等領域，而在電機控制中的應用較少，后來由于數字信號處理器芯片的性價比不斷提高，而且其強大的數字信號處理能力越來越受到用戶的歡迎，DSP的應用得到了較快的發展。盡管最初把DSP技術應用于電機控制的目的是其快速的數據處理能力能夠對電機進行矢量控制和直接轉矩控制，使復雜的算法得以實現，但以前的DSP芯片沒有集成數模轉換和脈寬調制等外圍電路，芯片只是作為在算法上比MCU占優勢的通用處理器來使用，大大增加了系統的體積和產品的成本，增加系統設計的復雜性，延長開發周期，降低系統工作的可靠性。(2)典型的DSP芯片在無刷電機控制中的應用·TI系列DSP芯片TI公司于1998年推出的TMS320F240是電機控制領域一個劃時代的進步。芯片的執行速度很快，在20MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50ns，且多數指令都能在一個指令周期內完成，片內具有FlashROM。內部有16通道兩路轉換精度為10位的AD變換器，轉換時間僅為6.6μs。在電機調速系統構成電流閉環時，反饋電流信號可以經AD輸入CPU處理。另外，TMS320F240還提供28個I/O口，用于控制系統所需的各種開關量。芯片內集成的事件管理器（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的設計。它是專門用于電機控制的模塊。·AD系列DSP芯片AD公司推出基于16位26MIPS定點DSP核ADSP2171的ADMC300、330、331電機控制芯片，把數字信號處理器和外圍電路結合在一起，集成了16位三相PWM發生器、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置模數轉換器，從而降低成本，提高系統工作的可靠性。采用ADSP2100系列的代碼兼容語言，使程序的移植非常方便，縮短了產品的開發周期，工作量大大減少。AD公司開發的電機控制DSP芯片ADMC401具有一套完備的外圍控制接口和豐富的電機控制外設電路，增強了DSP的快速運算能力，可以在高度集成的環境中對電機進行控制。它的基本控制外設電路是帶有8路模擬量輸入的模/數轉換系統、光電編碼器接口單元和靈活、簡便的脈沖寬度調制單元，可以輸出6路PWM信號，以控制逆變器功率開關的動作，借助于快速、高精度的模/數轉換系統和控制器來監視和調控電機的運行。ADMC401芯片可廣泛應用于控制交流電機、直流電機及開關磁阻電機等。·Motorola系列DSP芯片Motorola公司研制的DSP56F8xx系列集成了Motorola16位定點DSP微控制器內核DSP56800。芯片內核最高可工作于80MHz，指令執行速度可達40MIPS，單指令周期可以完成16×16位的并行乘、加運算，支持16位雙向循環移位。芯片內集成相位檢測器和PWM模塊，提供硬件循環操作，具有JTAG程序調試接口，允許在系統設計過程中隨時進行實時調試，非常適用于電機的實時控制。DSP56F8xx系列芯片可以實現復雜的算法并降低產品成本，提高系統的可靠性與穩定性，可用于控制交流感應電機、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。4.2控制理論的發展1）基于穩態模型的標量控制交流電動機最初的運行方式是不受控運行。其控制功能僅限于接通和關斷以及某些情況下的輔助起動、制動和反轉。為了滿足一些調速傳動的需要，產生了一些性能較差的控制：如鼠籠異步電動機降壓調速、繞線式異步電動機轉子串電阻調速和電磁轉差離合器調速、繞線式異步電動機串極調速、鼠籠異步電動機變壓變頻調速（VVVF）、變極調速和同步電機變壓變頻調速。在以上調速方法中，除變壓變頻調速外，一般為開環控制，不需變頻器，設備簡單，但效率低，性能差。鼠籠異步電動機基于恒壓頻比控制而構成的轉差頻率閉環控制，性能相對較好，但由于它們都是基于穩態模型，動態性能較差，一般只用于水泵、風機等動態性能要求較低的節能調速和一般調速場合。2）矢量控制1971年由德國學者Blaschke提出的矢量控制理論使交流電機控制由外部宏觀穩態控制深入到電機內部電磁過程的瞬態控制。永磁同步電機的控制性能由此發生了質的飛躍。矢量控制最本質的特征是通過坐標變換將交流電機內部復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。3）直接轉矩控制1985年，Depenbrock教授提出異步電機直接轉矩控制方法。該方法在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，在近似圓形旋轉磁場的條件下強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量坐標變換等復雜的計算。其磁場定向應用的是定子磁鏈，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變化的影響。近年來，直接轉矩控制方式被移植到永磁同步電機的控制中，其控制規律和關鍵技術正逐漸被人們了解、掌握。直接轉矩控制在全數字化、大轉矩、快速響應的交流伺服系統中有廣闊應用前景。4）非線性控制交流電機是一個強耦合、非線性、多變量系統：非線性控制通過非線性狀態反饋和非線性變換，實現系統的動態解耦和全局線性化，將非線性、多變量、強耦合的交流電動機系統分解為兩個獨立的線性單變量系統。其中轉子磁鏈子系統由兩個慣性環節組成。兩個子系統的調節按線性控制理論分別設計，以使系統達到預期的性能指標。但是，非線性系統反饋線性化的基礎是已知參數的電動機模型和系統的精確測量或觀測，而電機在運行中，參數受各個因素的影響會發生變化，磁鏈觀測的準確性也很難論證，這些都會影響系統的魯棒性，甚至造成系統性能惡化。目前這種控制方法仍有待進一步完善。5）自適應控制自適應控制能在系統運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善，是克服參數變化影響的有力手段。應用于永磁交流電機控制的自適應方法有模型參考自適應、參數辨識自校正控制以及新發展的各種非線性自適應控制。但所有這些方法都存在的問題是：①數學模型和運算繁瑣，使控制系統復雜化；②辨識和校正都需要一個過程，所以對一些參數變化較快的系統，就會因來不及校正而難以產生很好的效果。6）滑模變結構控制滑模變結構控制是變結構控制的一種控制策略，它與常規控制的根本區別在于控制的不連續性，即一種使系統“結構”隨時變化的開關特性。其主要特點是，根據被調量的偏差及其導數，有目地的使系統沿設計好的“滑動模態”軌跡運動。這種滑動模態是可以設計的，且與系統的參數及擾動無關，因而使系統具有很強的魯棒性。另外，滑模變結構控制不需要任何在線辨識，所以很容易實現。在過去10多年里，將滑模變結構控制應用于交流傳動一直是國內外學者的研究熱點，并已取得了一些有效的結果。但滑模變結構控制本質上的不連續開關特性使系統存在“抖振”問題。主要原因是：①對于實際的滑模變結構系統，其控制力總是受到限制的，從而使系統的加速度有限；②系統的慣性、切換開關的時間空間滯后及狀態檢測的誤差，特別對于計算機的采樣系統，當采樣時間較長時，形成“準滑模”等。所以，在實際系統中“抖振”必定存在且無法消除，這就限制了它的應用。7）智能控制（1）專家系統智能控制專家控制(Expertcontrol)是智能控制的一個重要分支。專家控制的實質是基于控制對象和控制規律各種知識，并以智能方式利用這些知識使控制系統盡可能優化。專家控制的基本思想是：自動控制理論+專家系統技術。自動控制系統中存在大量的啟發式邏輯，這是因為工業控制對象及其環境的變化呈現出多樣性、非線性和不確定性，這些啟發式邏輯實際上是實現最優控制目標的各種經驗知識，難以用一般的數值形式描述，而適于用符號形式來表達，人工智能中的專家系統技術恰恰為這類經驗知識提供了有效的表示和處理方法。知識庫和推理機為專家系統的兩大要素，知識庫存儲某一專門領域的專家知識、條目，推理機制按照專家水平的問題求解方法調用知識庫中的知識條目進行推理、判斷和決策。專家系統與傳統自動控制理論的結合，形成了專家控制系統，這類系統以模仿人類智能為基礎，彌補了以數學模型為基礎的控制系統的不足。目前專家控制的研究大致包括用于傳統PID控制和自適應控制的專家控制和.基于模糊規則的控制方法。（2）模糊邏輯智能控制模糊邏輯控制實質上是利用計算機模擬人的模糊邏輯思維功能實現的一種數字反饋控制。人的思維具有模糊邏輯的特點，因此用計算機模擬人的模糊思維，即模糊概念、模糊判斷和模糊推理，就是模糊控制的思維科學基礎，再和反饋控制理論相結合就可以實現模糊控制。傳統的PID控制系統設計中需要給出被控對象的精確模型。模型的不精確性及不確定性都會影響PID控制性能。相反，模糊控制不需要知道被控對象的精確模型，它是基于控制系統輸入/輸出數據因果關系的模糊推理控制。模糊控制不是基于被控對象精確模型的控制方式，因此具有較強的魯棒性，其穩態精度可以通過引進智能積分等方法達到所要求的精度。此外，還可以將模糊邏輯推理和PID控制相結合，對PID控制參數進行自適應調整，實現無靜態跟蹤伺服控制。（3）神經網絡智能控制人工神經網絡是利用計算機模擬人類大腦神經系統的聯接機制而設計的一種信息處理的網絡結構，一般簡稱神經網絡（NN）。神經網絡中最基本單元是神經細胞，簡稱神經元。它是一種多輸入單輸出的信息處理單元，包括輸入處理、活化處理和輸出處理三個部分。從控制的觀點，神經元模型由加權加法器、單輸入單輸出線性動態系統和靜態非線性函數所組成。它們模擬神經細胞綜合處理信息的突變性和飽和性的非線性特征。神經網絡是由大量神經元構成網絡，能夠根據某種學習規則，通過調整神經元之間的聯接強度（權重）來不斷改進網絡的逼近性能，即神經網絡具有非常強的非線性映射能力。正因為如此，神經網絡在智能控制、模式識別、故障診斷、系統辯識等領域獲得了廣泛應用。（4）除了上述的專家系統、模糊伺服控制、神經網絡伺服控制策略外，還有遺傳算法等控制。5結語永磁無刷電動機系統在運動控制系統中的作用越來越突出，是目前國內外最活躍和最具發展前途的控制系統。文中首先介紹了系統的組成，對電機技術、設計和工藝以及傳感技術和控制技術做了較為詳細的論述，并提出發展動向；對于研究人員和管理人員有一定意義。參考文獻［1］王宗鮮，韓光鮮，程智.無刷直流電動機的方波與正弦波驅動［J］.微電機，2002，35（6）：3-6.［2］莫會成.方波勵磁永磁無刷伺服電動機換向過程分析［J］.微電機，1994，27（3）：3-7.［3］莫會成.控制電機發展及建設［J］.微電機，2005，38（6）：74-77.［4］孫建忠，白風仙.特種電機及其控制［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.［5］正田英介（日）.電機電器［M］.北京：科學出版社，2001.［6］祝恩國，楊公訓，許書閣.引發工業設計革命的DSP技術［J］.微電機，2006,39（1）：55-57.［7］莫會成.永磁交流伺服電動機轉矩波動分析［J］.微電機，2007，40（3）：1-4.［8］孟明.現代電氣傳動技術［C］.企業產品國際化戰略與微電機技術發展論壇，寧波，西安微電機研究所，寧波，2006，12：16-19.【9】黃聲華.永磁交流伺服系統國內外發展現狀［C］.微電機工業“十一五”發展論壇，西安微電機研究所，西安，2005，7：13－20。作者簡介：莫會成（1962-），男，研究員級高工，教授，享受國務院特殊津貼專家，從事永磁交流伺服電動機技術研究及技術管理。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行機構的電氣傳動控制系統。隨著電機技術、控制理論、數字脈寬調制技術、新材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，伺服系統經歷了從步進伺服到直流伺服，進而到永磁無刷電機伺服系統的發展歷程，目前已成為電機控制技術的主流方向。1系統組成永磁無刷電動機系統是根據位置、速度和轉矩等反饋信息構成的控制系統，由永磁無刷電動機、傳感（傳感器）和驅動器三部分組成（見圖1）。系統有開環運行、轉矩控制、速度控制和位置控制4種基本運行方式，見圖2~圖5。其中圖4和圖5是用于高精度的控制系統，如數控機床的進給驅動等。圖1永磁無刷電動機系統方框圖圖2開環運行方框圖圖3轉矩控制系統方框圖圖圖4速度控制系統方框圖永磁無刷電動機是通過電子電路換相或電流控制的永磁電動機。永磁無刷電動機有正弦波驅動和方波驅動兩種型式：驅動電流為矩形波的通常稱為永磁無刷直流電動機，驅動電流為正弦波的通常稱為永磁交流伺服電動機，按傳感類型可分為有傳感器電動機和無傳感器電動機。驅動器指接受控制指令、可實現對電動機的轉矩、速度和轉子位置控制的電氣裝置。驅動器按其控制電路和軟件的實現方式可分為模擬量控制、數字模擬混合控制和全數字控制三種；按驅動方式可分為方波驅動和正弦波驅動。圖5位置控制系統方框圖傳感部分的作用是檢測永磁無刷電動機的位置、速度和電流。常用的傳感器有接近開關、光電編碼器、旋轉變壓器、霍爾元件和電流傳感器等。2結構、設計和工藝2.1電機結構永磁無刷直流電動機的基本結構是將永磁直流電動機的定、轉子位置進行互換，通常稱為“內翻外”，轉子為永磁結構，產生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱繞組，直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉子位置傳感器所代替。所以無刷電動機實際上是一種永磁同步電機，如圖6所示。圖6永磁無刷電動機結構圖7外轉子永磁無刷直流電動機另外，永磁無刷直流電動機可以做成外轉子型和盤式轉子型。其結構見圖7和圖8。外轉子型電機的永磁磁極轉子位于定子的外側，轉矩脈動小，容易做成扁平型，慣量較大。盤式轉子型電機的氣隙平面與軸垂直，盤式轉子與永磁磁極相向配置，電機成扁平形，可做成有槽結構，見圖8，也可以做成無槽、無鐵心結構。這種電動機常用于FDD和CD的直接驅動等。圖8盤式轉子無刷直流電動機無刷直流電動機多采用釤鈷（SmCo）和釹鐵硼（NdFeB）等稀土永磁。常見的轉子結構有表面式磁極，嵌入式磁極和環形磁極3種，如圖9所示。圖9a結構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。圖9b結構是在鐵心中嵌入矩形永磁體。其優點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯提供，可以獲得較大的磁通。但結構需要作隔磁處理或者采用不銹鋼軸。對于高轉速運行的電機，圖9a和圖9b的結構需在轉子外表面套一個0.3mm~0.8mm的磁性緊圈，防止離心力將磁鋼甩出。緊圈材料通常采用不導磁的不銹鋼，也可以用環氧無緯玻璃絲帶縛扎。圖9c結構是在鐵心外套上一個整體稀土永磁環。該環形磁體徑向充磁為多極，適用于小功率的電機。這種結構的轉子制造工藝性較好。2.2設計工藝技術發展動向1）設計手段不斷完善隨著計算機技術的發展以及電磁場數值計算、優化設計和仿真技術的不斷完善，形成了以電磁場數值計算、等效磁路解析求解、場路結合求解等一整套分析研究方法和計算機輔助分析的設計軟件。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各種類型的電機設計軟件，以方便快捷地完成從電機的電磁設計計算、損耗計算、優化設計、噪聲抑制、特性分析等。針對無刷電機特點，提供多種轉子類型、多種繞組型式及主電路的連接方式，以便組合。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設計軟件。圖9無刷直流電動機轉子結構形式這些軟件除了對電機進行電磁設計，還可對電機在槽形、繞組、材料等設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多目標優化設計，并包括控制電路、控制算法在內的整個設計流程，既可以提供任意時刻電機內電磁場分布數據，又能對電機工作時所關心的各類運行曲線，如轉矩、轉速、電流、功率、效率等提供結果，同時還能提供齒槽轉矩、轉矩脈動、轉速波動等詳細指標參數，并可完成電機的各類正常工況和故障工況的仿真實驗，包括起動、堵轉、突加突減負載、突然短路等等。2）分數槽技術應用日益增多分數槽繞組技術在永磁無刷電動機中的應用已逐漸增多。如在電動自行車電機中采用三相、40極、36槽；Collmorgen公司Goldline系列交流伺服電機采用4極、18槽，6極、24槽等；松下伺服電機采用6極、9槽，8極、12槽等每極每相槽數q=1/2的分數槽繞組結構。對于多極的無刷電動機采用分數槽繞組，可以較少的定子槽數達到多槽能達到的效果。采用分數槽繞組有以下優點：a)電機電樞槽數大為減少，有利于槽利用率的提高；b)較少數目的元件數，可簡化嵌線工藝和接線，有助于降低成本；c)有可能得到線圈節距y=1的設計（集中繞組），便于采用自動繞線機繞制，提高工效；同時各個線圈端部沒有重疊，不必設相間絕緣；d)線圈周長和繞組端部縮短，電動機繞組電阻減小，銅損隨之也減低，提高了電動機的性能。采用分數槽繞組的磁動勢諧波遠大于整數槽繞組，如圖10所示。圖10整數槽繞組與分數槽繞組（q=1/2）時的反電動勢比較3）無槽、無鐵心結構電機無鐵心無刷電動機的出現是采用新材料、新工藝的結果。電樞采用耐熱性能優越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩定運行；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，消除了由齒槽效應帶來的轉矩波動，具有優異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結構，負載動行時，噪聲及振動都很低。無鐵心無刷電機可采用軸向磁場結構和徑向磁場結構。軸向磁場結構的電機電樞繞組徑向按一定規律分布，在專用模具中固化成形，電樞兩側均為盤狀轉子體，轉子磁體為軸向磁化，兩側轉子可同時布置永磁體磁極及轉子軛，成雙勵磁轉子結構，也可一側布置永磁體磁極而另一側布置轉子磁軛，成單勵磁轉子結構。徑向磁場結構電機的電樞繞組軸向按一定規律分布成筒狀，其電樞內、外圓處均為筒狀轉子體，轉子磁極為徑向磁化，內、外圓可同時布置永磁體磁極及轉子軛，成雙勵磁轉子結構，也可在其中一個圓周上布置永磁體磁極，而另一圓周上只布置轉子磁軛，成單勵磁轉子結構。徑向磁場結構和軸向磁場結構均可根據要求制造成內轉子和外轉子結構。圖11為徑向磁場結構的無鐵心無刷電動機典型結構。圖11無鐵心無刷電動機結構圖圖12分割型定子沖片和鐵心典型盤式無刷電動機定子、轉子均為圓盤形，采用軸向氣隙磁場，可做成有鐵心和無鐵心兩種結構，定子繞組呈徑向分布。無槽結構無刷電動機消除了齒槽效應，具有轉矩波動小、運行平穩、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等一系列優點，成為很有發展前景的無刷電動機。小直徑的電動機，無槽結構能獲得比有槽結構更大的轉矩指標；在特殊條件下，例如要求電動機的轉矩和功率相對不大，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，采取無槽結構會獲得好的效果。國內無槽無刷電動機已有系列產品，功率范圍至30kW，最高轉速可達20000r/min。4）工藝不斷革新在電機制造方面，通過對傳統工藝的不斷革新，出現了分割型定子鐵心結構和連續繞線工藝方法。采用多極集中繞組，減少繞組端部長度，以適應生產自動化，使產品向低成本、低價格方向發展。同時出現了適應不同性能參數永磁材料的瓦型、環型表面粘接結構和各種不同設計嵌入式磁體結構等新的轉子磁路結構。對于節距y=1分數槽設計，用專用繞線機直接繞制定子線圈，對于外轉子結構的電機比較方便，但對于內轉子結構的電機，特別是定子內徑小的小功率電機，就要困難得多了。為此，分割型定子鐵心結構的構思提出來了。圖12所示為一種新型定子鐵心結構，把定子鐵心每齒分割開來，可以在鐵心展開的狀態下繞制線圈，以便隨時調整線圈，實現規則繞制。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。這時，電樞槽的利用率可達85%以上。日本松下生產的永磁交流伺服電動機最早采用上述新工藝，生產效率大大提高，產品體積大為減小，性能也有質的提升。以400W為例，定子外徑從最早的φ125mm減小到φ56mm，效率由最早的70%提高到85%，溫升為80K。3傳感與傳感器技術3.1轉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。1）電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應來檢測轉子位置，有開口變壓器、接近開關電路等；使用較多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號強、工作可靠、壽命長、適應性強、對環境要求不高等優點，多用于航空航天領域，但體積較大，信噪比較低，同時，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用。2）磁敏式位置傳感器常見的磁敏式位置傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路構成。霍爾元件位置傳感器由于結構簡單、性能可靠、成本低，是目前應用最多的一種位置傳感器。霍爾元件所產生的電動勢很低，往往需要外接放大器，很不方便，隨著半導體技術的發展，將霍爾元件與附加電路封裝成三端模塊，構成霍爾集成電路。霍爾集成電路有開關型和線性型兩種，通常用開關型作為位置傳感器。3）光電式位置傳感器光電式位置傳感器由安裝在電機轉子上的遮光盤和固定不動的光電開關組成。其原理如圖13所示。遮光盤上開有150°電角度的扇形開口，扇形開口的數目等于無刷直流電機轉子磁極的極對數。4極電機所用遮光盤如圖13。光電開關通常采用將發光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續器。圖13光電傳感器對于兩相導通星形三相六狀態無刷直流電動機，3個光電開關在空間依次相差120°電角度，光電開關與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器。4）對于高精度無刷伺服系統，用于速度和位置反饋的傳感器有：（1）光學絕對式編碼器絕對式編碼器的精度由光電碼盤的機械位置決定，不受停電等干擾影響；由機械位置決定的每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，數據的可靠性大大提高了。（2）光學增量式編碼器增量編碼器的特點是每產生一個輸出脈沖信號就對應一個增量位移角，不能直接檢測出軸的絕對角度。常選用的分辨率為每轉2500個脈沖。（3）無刷旋轉變壓器+R/D變換器無刷旋轉變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測元件，適用于高溫、嚴寒、潮濕、高速、高振動等旋轉編碼器無法正常工作的場合。無刷旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。無刷旋轉變壓器的精度主要由函數誤差和零位誤差衡量。其精度高于自整角機。（4）感應同步器感應同步器是利用兩個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角位移；測量直線位移的稱長感應同步器，測量轉角位移的稱圓感應同步器。感應同步器的優點是分辨率高、抗干擾能力強、壽命長，維護簡便。（5）無刷測速發電機。用于精度要求不高的無刷伺服系統的速度和位置傳感器有：（1）磁阻旋轉變壓器；（2）磁電式脈沖測速發電機；（3）磁性編碼器；此外，在經濟型系統中，還有利用轉子磁場位置信號經倍頻處理或利用在電機槽中放置線圈的簡易型測速發電機作速度和位置檢測的方式。。3.2無位置傳感器檢測技術1）利用反電動勢檢測轉子位置按照無刷直流電動機工作原理，必須要有轉子磁極位置信號來決定電子開關的換相。目前，大多數采用安裝位置傳感器（例如霍爾元件）方法來得到這些信號。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，如壓縮機內的高溫高壓環境，不允許安放霍爾元件。為此，80年代以來，微機控制技術的快速進展，出現了各種稱為無位置傳感器控制技術方法，是當代無刷直流電動機控制研究熱點之一。它從電子電路以軟件方法獲得轉子磁極位置信號，實現電子換相。在諸多方法中，以反電勢法較成功。它檢測不激勵相繞組的反電勢過零點，經過運算后，決定換相時刻。這也是硬件軟件化的一個成功例子。反電動勢法的缺陷是當電機在靜止或低速運行時，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，使電機以他控變頻方式起動，當電機具有一定的初速度和電動勢后，再切換到自控變頻狀態。這個過程稱為三段式起動，包括轉子定位、加速和運行狀態切換三個階段。2）續流二極管檢測法通過對逆變器開關管施加特殊時序的斬波控制信號，使電機繞組的續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，與斷開相開關管并聯的續流二極管中將流過續流電流，通過對該續流二極管導通與否的檢測就可以確定出繞組反電動勢的過零點，從而得到電機的轉子位置信號。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，在電機額定轉速的2%以上有效，起動容易、調速比大，缺點是實現電路稍復雜一些。3）瞬時電壓方程法利用電機各相瞬時電壓和電流方程，實時計算電機由靜止到正常運轉任一時刻轉子的位置，控制電機的運行。該方法不需專門的起動線路，電路簡單、起動轉矩大，但對電機本體的數學模型依賴性大，當電機參數因溫度變化發生漂移時，容易造成建模誤差，使控制精確性受到影響；另外，由于在線計算復雜，計算量很大，考慮到轉子位置檢測的實時性，必須采用具有快速運算能力的DSP和高速A/D轉換器。4）脈沖注入法轉子位置的不同使電機磁場的分布也不同。該方法采用脈沖注入檢測無刷電機靜止狀態下的轉子位置，通過依次向定子繞組注入一系列脈沖，根據測量得到的電流峰值判斷轉子位置。該方法對電機參數的依賴性低。4控制技術發展動向4.1DSP的應用促進了無刷電動機系統技術發展1）DSP的特點隨著技術進步和用戶對電機控制器的運算速度、數據處理能力、控制精度和實時性提出了更高的要求，過去單純的靠開、停時間長短或單片機來控制電機運行的方式已不能滿足實際需要；特別是對于采用矢量變換控制的系統，由于需要處理的數據量大，對系統的實時性和精度要求較高，單片機往往不能滿足要求。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動控制，同時可以提高系統的性能，降低成本和功耗，簡化外圍電路的設計工作。因此，為了達到電機控制不斷增加的計算量和速度要求，更好地發揮電機的運行性能，具有強大數字信號處理功能的DSP芯片應運而生。DSP技術的應用使現代控制理論中先進而復雜的算法得以實現。DSP芯片的飛速發展促進了無刷電機控制技術的發展與創新。DSP把現實生活中的各種模擬信號轉換成數字信號，再用數學計算方法來處理這些數字信號并得到相應結果。數字信號處理的主要任務是完成大量的實時計算。例如在DSP中常用的FIR濾波和FFT快速算法。DSP芯片是一種特別適用于數字信號處理的微處理器。它強調對數據進行運算處理的實時性，除具備普通微處理器強調的快速計算和控制功能，在芯片結構、數據流程和指令系統方面有較大改進。例如：采用哈佛結構及改進的哈佛結構，比傳統的馮·諾依曼結構具有更高的指令執行速度，更適于處理具有高度實時要求的數字信號。廣泛采用流水線技術，加快指令執行速度，增強了處理器處理數據的能力。采用多總線結構，解決了傳統芯片的總線沖突問題，大大提高了系統的速度和效率。可以在一個周期內同時訪問數據和程序存儲空間，解決了傳統芯片的總線沖突問題，大大提高了系統的速度和效率。快速的中斷處理能力和硬件I/O接口支持。2）DSP在無刷電機控制中的應用（1）DSP技術在無刷電機控制中的發展20世紀80年代，數字信號處理技術開始應用于電機控制領域，其主要用來直接控制感應電機的磁通量和轉矩，以達到對電機轉矩進行快速、高性能的控制。典型的產品代表為TI公司的TMS32010。但由于以前數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、圖像處理等領域，而在電機控制中的應用較少，后來由于數字信號處理器芯片的性價比不斷提高，而且其強大的數字信號處理能力越來越受到用戶的歡迎，DSP的應用得到了較快的發展。盡管最初把DSP技術應用于電機控制的目的是其快速的數據處理能力能夠對電機進行矢量控制和直接轉矩控制，使復雜的算法得以實現，但以前的DSP芯片沒有集成數模轉換和脈寬調制等外圍電路，芯片只是作為在算法上比MCU占優勢的通用處理器來使用，大大增加了系統的體積和產品的成本，增加系統設計的復雜性，延長開發周期，降低系統工作的可靠性。(2)典型的DSP芯片在無刷電機控制中的應用·TI系列DSP芯片TI公司于1998年推出的TMS320F240是電機控制領域一個劃時代的進步。芯片的執行速度很快，在20MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50ns，且多數指令都能在一個指令周期內完成，片內具有FlashROM。內部有16通道兩路轉換精度為10位的AD變換器，轉換時間僅為6.6μs。在電機調速系統構成電流閉環時，反饋電流信號可以經AD輸入CPU處理。另外，TMS320F240還提供28個I/O口，用于控制系統所需的各種開關量。芯片內集成的事件管理器（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的設計。它是專門用于電機控制的模塊。·AD系列DSP芯片AD公司推出基于16位26MIPS定點DSP核ADSP2171的ADMC300、330、331電機控制芯片，把數字信號處理器和外圍電路結合在一起，集成了16位三相PWM發生器、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置模數轉換器，從而降低成本，提高系統工作的可靠性。采用ADSP2100系列的代碼兼容語言，使程序的移植非常方便，縮短了產品的開發周期，工作量大大減少。AD公司開發的電機控制DSP芯片ADMC401具有一套完備的外圍控制接口和豐富的電機控制外設電路，增強了DSP的快速運算能力，可以在高度集成的環境中對電機進行控制。它的基本控制外設電路是帶有8路模擬量輸入的模/數轉換系統、光電編碼器接口單元和靈活、簡便的脈沖寬度調制單元，可以輸出6路PWM信號，以控制逆變器功率開關的動作，借助于快速、高精度的模/數轉換系統和控制器來監視和調控電機的運行。ADMC401芯片可廣泛應用于控制交流電機、直流電機及開關磁阻電機等。·Motorola系列DSP芯片Motorola公司研制的DSP56F8xx系列集成了Motorola16位定點DSP微控制器內核DSP56800。芯片內核最高可工作于80MHz，指令執行速度可達40MIPS，單指令周期可以完成16×16位的并行乘、加運算，支持16位雙向循環移位。芯片內集成相位檢測器和PWM模塊，提供硬件循環操作，具有JTAG程序調試接口，允許在系統設計過程中隨時進行實時調試，非常適用于電機的實時控制。DSP56F8xx系列芯片可以實現復雜的算法并降低產品成本，提高系統的可靠性與穩定性，可用于控制交流感應電機、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。4.2控制理論的發展1）基于穩態模型的標量控制交流電動機最初的運行方式是不受控運行。其控制功能僅限于接通和關斷以及某些情況下的輔助起動、制動和反轉。為了滿足一些調速傳動的需要，產生了一些性能較差的控制：如鼠籠異步電動機降壓調速、繞線式異步電動機轉子串電阻調速和電磁轉差離合器調速、繞線式異步電動機串極調速、鼠籠異步電動機變壓變頻調速（VVVF）、變極調速和同步電機變壓變頻調速。在以上調速方法中，除變壓變頻調速外，一般為開環控制，不需變頻器，設備簡單，但效率低，性能差。鼠籠異步電動機基于恒壓頻比控制而構成的轉差頻率閉環控制，性能相對較好，但由于它們都是基于穩態模型，動態性能較差，一般只用于水泵、風機等動態性能要求較低的節能調速和一般調速場合。2）矢量控制1971年由德國學者Blaschke提出的矢量控制理論使交流電機控制由外部宏觀穩態控制深入到電機內部電磁過程的瞬態控制。永磁同步電機的控制性能由此發生了質的飛躍。矢量控制最本質的特征是通過坐標變換將交流電機內部復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。3）直接轉矩控制1985年，Depenbrock教授提出異步電機直接轉矩控制方法。該方法在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，在近似圓形旋轉磁場的條件下強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量坐標變換等復雜的計算。其磁場定向應用的是定子磁鏈，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變化的影響。近年來，直接轉矩控制方式被移植到永磁同步電機的控制中，其控制規律和關鍵技術正逐漸被人們了解、掌握。直接轉矩控制在全數字化、大轉矩、快速響應的交流伺服系統中有廣闊應用前景。4）非線性控制交流電機是一個強耦合、非線性、多變量系統：非線性控制通過非線性狀態反饋和非線性變換，實現系統的動態解耦和全局線性化，將非線性、多變量、強耦合的交流電動機系統分解為兩個獨立的線性單變量系統。其中轉子磁鏈子系統由兩個慣性環節組成。兩個子系統的調節按線性控制理論分別設計，以使系統達到預期的性能指標。但是，非線性系統反饋線性化的基礎是已知參數的電動機模型和系統的精確測量或觀測，而電機在運行中，參數受各個因素的影響會發生變化，磁鏈觀測的準確性也很難論證，這些都會影響系統的魯棒性，甚至造成系統性能惡化。目前這種控制方法仍有待進一步完善。5）自適應控制自適應控制能在系統運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善，是克服參數變化影響的有力手段。應用于永磁交流電機控制的自適應方法