永磁无刷电动机系统发展现状

1、引用 永永磁无刷刷电动机机系统发发展现状状 HYPERLINK 无刷电机机绕组绕绕线机20088-111-299 199:555:177| 分类： 默认认分类 | 标签： |字字号大中中小 订订阅引用Daviid 的的 永磁磁无刷电电动机系系统发展展现状莫会成（西安微微电机研研究所, 西安安 71100777）来源：永永磁电机机会议论论文集，编辑：闫晶芬芬摘要：永永磁无刷刷电动机机系统是是以电机机为控制制对象，以控制制器为核核心，以以电力电电子功率率变换装装置为执执行机构构的电气气传动控控制系统统。随着着电机技技术、控控制理论论、数字字脉宽调调制技术术、新材材料技术术、微电电子技术术及现代代控

2、制技技术的进进步，伺伺服系统统经历了了从步进进伺服到到直流伺伺服，进进而到永永磁无刷刷电机伺伺服系统统的发展展历程，目前已已成为电电机控制制技术的的主流方方向。1 系系统组成成永磁无无刷电动动机系统统是根据据位置、速度和和转矩等等反馈信信息构成成的控制制系统，由永磁磁无刷电电动机、传感（传感器器）和驱驱动器三三部分组组成（见见图1）。系系统有开开环运行行、转矩矩控制、速度控控制和位位置控制制4种基本本运行方方式，见见图2图5。其中中图4和图5是用于于高精度度的控制制系统，如数控控机床的的进给驱驱动等。图1 永磁无无刷电动动机系统统方框图图图2 开环运运行方框框图图3 转矩控控制系统统方框图图图

3、图4 速度控控制系统统方框图图永磁无刷刷电动机机是通过过电子电电路换相相或电流流控制的的永磁电电动机。永磁无无刷电动动机有正正弦波驱驱动和方方波驱动动两种型型式：驱驱动电流流为矩形形波的通通常称为为永磁无无刷直流流电动机机，驱动动电流为为正弦波波的通常常称为永永磁交流流伺服电电动机，按传感感类型可可分为有有传感器器电动机机和无传传感器电电动机。驱动器指指接受控控制指令令、可实实现对电电动机的的转矩、速度和和转子位位置控制制的电气气装置。驱动器按按其控制制电路和和软件的的实现方方式可分分为模拟拟量控制制、数字字模拟混混合控制制和全数数字控制制三种；按驱动动方式可可分为方方波驱动动和正弦弦波驱动动

4、。图5 位置控控制系统统方框图图传感部分分的作用用是检测测永磁无无刷电动动机的位位置、速速度和电电流。常常用的传传感器有有接近开开关、光光电编码码器、旋旋转变压压器、霍霍尔元件件和电流流传感器器等。2 结结构、设设计和工工艺2.1 电机结结构永磁无刷刷直流电电动机的的基本结结构是将将永磁直直流电动动机的定定、转子子位置进进行互换换，通常常称为“内翻外外”，转子子为永磁磁结构，产生气气隙磁通通，定子子为电枢枢，有多多相对称称绕组，直流电电动机的的电刷和和机械换换向器被被逆变器器和转子子位置传传感器所所代替。所以无无刷电动动机实际际上是一一种永磁磁同步电电机，如如图6所示。图6 永磁无无刷电动动机

5、结构构图7 外转子子永磁无无刷直流流电动机机另外，永永磁无刷刷直流电电动机可可以做成成外转子子型和盘盘式转子子型。其其结构见见图7和图8。外转转子型电电机的永永磁磁极极转子位位于定子子的外侧侧，转矩矩脉动小小，容易易做成扁扁平型，惯量较较大。盘盘式转子子型电机机的气隙隙平面与与轴垂直直，盘式式转子与与永磁磁磁极相向向配置，电机成成扁平形形，可做做成有槽槽结构，见图88，也可可以做成成无槽、无铁心心结构。这种电电动机常常用于FFDD和和CD的直直接驱动动等。图8 盘式转转子无刷刷直流电电动机无刷直流流电动机机多采用用钐钴（SmCCo）和和钕铁硼硼（NddFeBB）等稀稀土永磁磁。常见见的转子子结

6、构有有表面式式磁极，嵌入式式磁极和和环形磁磁极3种，如如图9所示。图9aa结构是是在铁心心表面粘粘贴径向向充磁的的瓦片形形永磁体体，有时时也采用用矩形小小条拼装装成瓦片片形磁极极，以降降低制造造成本。图9bb结构是是在铁心心中嵌入入矩形永永磁体。其优点点是一个个极距下下的磁通通由相邻邻两个磁磁极并联联提供，可以获获得较大大的磁通通。但结结构需要要作隔磁磁处理或或者采用用不锈钢钢轴。对对于高转转速运行行的电机机，图99a和图图9b的结结构需在在转子外外表面套套一个00.3 mm0.88 mmm的磁性性紧圈，防止离离心力将将磁钢甩甩出。紧紧圈材料料通常采采用不导导磁的不不锈钢，也可以以用环氧氧无纬

7、玻玻璃丝带带缚扎。图9cc结构是是在铁心心外套上上一个整整体稀土土永磁环环。该环环形磁体体径向充充磁为多多极，适适用于小小功率的的电机。这种结结构的转转子制造造工艺性性较好。2.2 设计计工艺技技术发展展动向1）设计计手段不不断完善善随着计算算机技术术的发展展以及电电磁场数数值计算算、优化化设计和和仿真技技术的不不断完善善，形成成了以电电磁场数数值计算算、等效效磁路解解析求解解、场路路结合求求解等一一整套分分析研究究方法和和计算机机辅助分分析的设设计软件件。如AAnsooft公公司、MMagnneFoorcee公司、Jmaag公司司均推出出各种类类型的电电机设计计软件，以方便便快捷地地完成从从

8、电机的的电磁设设计计算算、损耗耗计算、优化设设计、噪噪声抑制制、特性性分析等等。针对对无刷电电机特点点，提供供多种转转子类型型、多种种绕组型型式及主主电路的的连接方方式，以以便组合合。20006年年三季度度，加拿拿大以电电磁计算算分析著著名的IInfoolytticaa公司，推出了了专门针针对永磁磁无刷电电机的MMotoorsoolvee设计软软件。图9 无刷直直流电动动机转子子结构形形式这些软件件除了对对电机进进行电磁磁设计，还可对对电机在在槽形、绕组、材料等等设计变变量改变变情况下下多方案案比较分分析、电电磁场精精确计算算和电机机多目标标优化设设计，并并包括控控制电路路、控制制算法在在内的

9、整整个设计计流程，既可以以提供任任意时刻刻电机内内电磁场场分布数数据，又又能对电电机工作作时所关关心的各各类运行行曲线，如转矩矩、转速速、电流流、功率率、效率率等提供供结果，同时还还能提供供齿槽转转矩、转转矩脉动动、转速速波动等等详细指指标参数数，并可可完成电电机的各各类正常常工况和和故障工工况的仿仿真实验验，包括括起动、堵转、突加突突减负载载、突然然短路等等等。2）分数数槽技术术应用日日益增多多分数槽绕绕组技术术在永磁磁无刷电电动机中中的应用用已逐渐渐增多。如在电电动自行行车电机机中采用用三相、40极、36槽；Colllmoorgeen公司司Golldliine系系列交流流伺服电电机采用用4

10、极、188槽，6极、244槽等；松下伺伺服电机机采用66极、9槽，8极、122槽等每每极每相相槽数qq=1/2的分分数槽绕绕组结构构。对于多极极的无刷刷电动机机采用分分数槽绕绕组，可可以较少少的定子子槽数达达到多槽槽能达到到的效果果。采用用分数槽槽绕组有有以下优优点：a)电机机电枢槽槽数大为为减少，有利于于槽利用用率的提提高；b)较少少数目的的元件数数，可简简化嵌线线工艺和和接线，有助于于降低成成本；c)有可可能得到到线圈节节距y=1的设设计（集集中绕组组），便便于采用用自动绕绕线机绕绕制，提提高工效效；同时时各个线线圈端部部没有重重叠，不不必设相相间绝缘缘；d)线圈圈周长和和绕组端端部缩短短

11、，电动动机绕组组电阻减减小，铜铜损随之之也减低低，提高高了电动动机的性性能。采采用分数数槽绕组组的磁动动势谐波波远大于于整数槽槽绕组，如图110所示示。图10 整数数槽绕组组与分数数槽绕组组（q=1/2）时时的反电电动势比比较3）无槽槽、无铁铁心结构构电机无铁心无无刷电动动机的出出现是采采用新材材料、新新工艺的的结果。电枢采采用耐热热性能优优越的材材料制成成刚性整整体，可可以在高高温及高高速情况况下长期期稳定运运行；由由于电枢枢无铁心心，电感感小，完完全消除除了铁心心中的磁磁滞损耗耗和涡流流损耗，消除了了由齿槽槽效应带带来的转转矩波动动，具有有优异的的控制性性能；运运行效率率高、温温升低、转速

12、范范围广；电机的的电枢中中无齿槽槽且采用用全塑封封结构，负载动动行时，噪声及及振动都都很低。无铁心无无刷电机机可采用用轴向磁磁场结构构和径向向磁场结结构。轴轴向磁场场结构的的电机电电枢绕组组径向按按一定规规律分布布，在专专用模具具中固化化成形，电枢两两侧均为为盘状转转子体，转子磁磁体为轴轴向磁化化，两侧侧转子可可同时布布置永磁磁体磁极极及转子子轭，成成双励磁磁转子结结构，也也可一侧侧布置永永磁体磁磁极而另另一侧布布置转子子磁轭，成单励励磁转子子结构。径向磁磁场结构构电机的的电枢绕绕组轴向向按一定定规律分分布成筒筒状，其其电枢内内、外圆圆处均为为筒状转转子体，转子磁磁极为径径向磁化化，内、外圆可

13、可同时布布置永磁磁体磁极极及转子子轭，成成双励磁磁转子结结构，也也可在其其中一个个圆周上上布置永永磁体磁磁极，而而另一圆圆周上只只布置转转子磁轭轭，成单单励磁转转子结构构。径向向磁场结结构和轴轴向磁场场结构均均可根据据要求制制造成内内转子和和外转子子结构。图111为径向向磁场结结构的无无铁心无无刷电动动机典型型结构。图11 无铁铁心无刷刷电动机机结构图图图12 分割割型定子子冲片和和铁心典型盘式式无刷电电动机定定子、转转子均为为圆盘形形，采用用轴向气气隙磁场场，可做做成有铁铁心和无无铁心两两种结构构，定子子绕组呈呈径向分分布。无槽结构构无刷电电动机消消除了齿齿槽效应应，具有有转矩波波动小、运行

14、平平稳、噪噪声低、电枢电电感小、定位干干扰力矩矩小等一一系列优优点，成成为很有有发展前前景的无无刷电动动机。小直径的的电动机机，无槽槽结构能能获得比比有槽结结构更大大的转矩矩指标；在特殊殊条件下下，例如如要求电电动机的的转矩和和功率相相对不大大，对电电动机的的体积限限制不严严，而对对电动机机的控制制要求很很高的情情况下，采取无无槽结构构会获得得好的效效果。国内无槽槽无刷电电动机已已有系列列产品，功率范范围至330 kkW，最最高转速速可达220 0000 r/mmin。4）工艺艺不断革革新在电机制制造方面面，通过过对传统统工艺的的不断革革新，出出现了分分割型定定子铁心心结构和和连续绕绕线工艺艺

15、方法。采用多多极集中中绕组，减少绕绕组端部部长度，以适应应生产自自动化，使产品品向低成成本、低低价格方方向发展展。同时时出现了了适应不不同性能能参数永永磁材料料的瓦型型、环型型表面粘粘接结构构和各种种不同设设计嵌入入式磁体体结构等等新的转转子磁路路结构。对于节距距y=11分数槽槽设计，用专用用绕线机机直接绕绕制定子子线圈，对于外外转子结结构的电电机比较较方便，但对于于内转子子结构的的电机，特别是是定子内内径小的的小功率率电机，就要困困难得多多了。为为此，分分割型定定子铁心心结构的的构思提提出来了了。图112所示示为一种种新型定定子铁心心结构，把定子子铁心每每齿分割割开来，可以在在铁心展展开的状

16、状态下绕绕制线圈圈，以便便随时调调整线圈圈，实现现规则绕绕制。绕绕圈绕制制完成后后，再把把全部磁磁极对接接成圆，形成一一个完整整的定子子。这时时，电枢枢槽的利利用率可可达855%以上上。日本松下下生产的的永磁交交流伺服服电动机机最早采采用上述述新工艺艺，生产产效率大大大提高高，产品品体积大大为减小小，性能能也有质质的提升升。以4400 W为例例，定子子外径从从最早的的1255 mmm减小到到56 mm，效率由由最早的的70%提高到到85%，温升升为800K。3 传感感与传感感器技术术3.1 转子磁磁场位置置传感器器在无刷直直流电动动机中，常用的的位置传传感器有有以下几几种。1）电磁磁式位置置传

17、感器器电磁式位位置传感感器是利利用电磁磁效应来来检测转转子位置置，有开开口变压压器、接接近开关关电路等等；使用用较多的的是开口口变压器器。电磁式位位置传感感器具有有输出信信号强、工作可可靠、寿寿命长、适应性性强、对对环境要要求不高高等优点点，多用用于航空空航天领领域，但但体积较较大，信信噪比较较低，同同时，其其输出波波形为交交流，需需整流、滤波方方可使用用，因而而限制了了它在普普通条件件下的应应用。2）磁敏敏式位置置传感器器常见的磁磁敏式位位置传感感器由霍霍尔元件件或霍尔尔集成电电路构成成。霍尔尔元件位位置传感感器由于于结构简简单、性性能可靠靠、成本本低，是是目前应应用最多多的一种种位置传传感

18、器。霍尔元件件所产生生的电动动势很低低，往往往需要外外接放大大器，很很不方便便，随着着半导体体技术的的发展，将霍尔尔元件与与附加电电路封装装成三端端模块，构成霍霍尔集成成电路。霍尔集集成电路路有开关关型和线线性型两两种，通通常用开开关型作作为位置置传感器器。3）光电电式位置置传感器器光电式位位置传感感器由安安装在电电机转子子上的遮遮光盘和和固定不不动的光光电开关关组成。其原理理如图113所示示。遮光光盘上开开有1550电角度度的扇形形开口，扇形开开口的数数目等于于无刷直直流电机机转子磁磁极的极极对数。4极电机机所用遮遮光盘如如图133。光电电开关通通常采用用将发光光二极管管和光敏敏三极管管封装

19、在在一起的的光断续续器。图13 光电电传感器器对于两相相导通星星形三相相六状态态无刷直直流电动动机，33个光电电开关在在空间依依次相差差1200电角度度，光电电开关与与电枢绕绕组的相相对位置置以及遮遮光盘与与转子磁磁极的相相对位置置类似于于霍尔位位置传感感器。4）对于于高精度度无刷伺伺服系统统，用于于速度和和位置反反馈的传传感器有有：（1）光光学绝对对式编码码器绝对式编编码器的的精度由由光电码码盘的机机械位置置决定，不受停停电等干干扰影响响；由机机械位置置决定的的每个位位置是唯唯一的，无需记记忆，无无需找参参考点，而且不不用一直直计数，数据的的可靠性性大大提提高了。（2）光光学增量量式编码码器

20、增量编码码器的特特点是每每产生一一个输出出脉冲信信号就对对应一个个增量位位移角，不能直直接检测测出轴的的绝对角角度。常常选用的的分辨率率为每转转25000个脉脉冲。（3）无无刷旋转转变压器器+R/D变换换器无刷旋转转变压器器是一种种精密角角度、位位置、速速度检测测元件，适用于于高温、严寒、潮湿、高速、高振动动等旋转转编码器器无法正正常工作作的场合合。无刷刷旋转变变压器是是一种输输出电压压随转子子转角变变化的信信号元件件。无刷刷旋转变变压器的的精度主主要由函函数误差差和零位位误差衡衡量。其其精度高高于自整整角机。（4）感感应同步步器感应同步步器是利利用两个个平面形形绕组的的互感随随位置不不同而变

21、变化的原原理制做做的；可可用来测测量直线线和转角角位移；测量直直线位移移的称长长感应同同步器，测量转转角位移移的称圆圆感应同同步器。感应同同步器的的优点是是分辨率率高、抗抗干扰能能力强、寿命长长，维护护简便。（5）无无刷测速速发电机机。用于精度度要求不不高的无无刷伺服服系统的的速度和和位置传传感器有有：（1）磁磁阻旋转转变压器器；（2）磁磁电式脉脉冲测速速发电机机；（3）磁磁性编码码器；此外，在在经济型型系统中中，还有有利用转转子磁场场位置信信号经倍倍频处理理或利用用在电机机槽中放放置线圈圈的简易易型测速速发电机机作速度度和位置置检测的的方式。3.2 无位位置传感感器检测测技术1）利用用反电动

22、动势检测测转子位位置按照无刷刷直流电电动机工工作原理理，必须须要有转转子磁极极位置信信号来决决定电子子开关的的换相。目前，大多数数采用安安装位置置传感器器（例如如霍尔元元件）方方法来得得到这些些信号。它有必必须占用用电机一一些空间间，安装装位置要要准，需需较多引引出线，影响可可靠性，在某些些场合，如压缩缩机内的的高温高高压环境境，不允允许安放放霍尔元元件。为为此，880年代代以来，微机控控制技术术的快速速进展，出现了了各种称称为无位位置传感感器控制制技术方方法，是是当代无无刷直流流电动机机控制研研究热点点之一。它从电电子电路路以软件件方法获获得转子子磁极位位置信号号，实现现电子换换相。在在诸多

23、方方法中，以反电电势法较较成功。它检测测不激励励相绕组组的反电电势过零零点，经经过运算算后，决决定换相相时刻。这也是是硬件软软件化的的一个成成功例子子。反电动势势法的缺缺陷是当当电机在在静止或或低速运运行时，反电动动势为00或太小小，因而而无法利利用，一一般采用用专门的的起动电电路，使使电机以以他控变变频方式式起动，当电机机具有一一定的初初速度和和电动势势后，再再切换到到自控变变频状态态。这个个过程称称为三段段式起动动，包括括转子定定位、加加速和运运行状态态切换三三个阶段段。2）续流流二极管管检测法法通过对逆逆变器开开关管施施加特殊殊时序的的斩波控控制信号号，使电电机绕组组的续流流电流沿沿着特

24、定定的回路路流通，当断开开相绕组组的反电电动势过过零时，与断开开相开关关管并联联的续流流二极管管中将流流过续流流电流，通过对对该续流流二极管管导通与与否的检检测就可可以确定定出绕组组反电动动势的过过零点，从而得得到电机机的转子子位置信信号。这种检测测方法实实际检测测的也是是绕组的的反电动动势，但但是检测测的灵敏敏度相对对较高，在电机机额定转转速的22%以上上有效，起动容容易、调调速比大大，缺点点是实现现电路稍稍复杂一一些。3）瞬时时电压方方程法利用电机机各相瞬瞬时电压压和电流流方程，实时计计算电机机由静止止到正常常运转任任一时刻刻转子的的位置，控制电电机的运运行。该该方法不不需专门门的起动动线

25、路，电路简简单、起起动转矩矩大，但但对电机机本体的的数学模模型依赖赖性大，当电机机参数因因温度变变化发生生漂移时时，容易易造成建建模误差差，使控控制精确确性受到到影响；另外，由于在在线计算算复杂，计算量量很大，考虑到到转子位位置检测测的实时时性，必必须采用用具有快快速运算算能力的的DSPP和高速速A/DD转换器器。4）脉冲冲注入法法转子位置置的不同同使电机机磁场的的分布也也不同。该方法法采用脉脉冲注入入检测无无刷电机机静止状状态下的的转子位位置，通通过依次次向定子子绕组注注入一系系列脉冲冲，根据据测量得得到的电电流峰值值判断转转子位置置。该方方法对电电机参数数的依赖赖性低。4 控制制技术发发展

26、动向向4.1 DSSP的应应用促进进了无刷刷电动机机系统技技术发展展1）DSSP的特特点随着技术术进步和和用户对对电机控控制器的的运算速速度、数数据处理理能力、控制精精度和实实时性提提出了更更高的要要求，过过去单纯纯的靠开开、停时时间长短短或单片片机来控控制电机机运行的的方式已已不能满满足实际际需要；特别是是对于采采用矢量量变换控控制的系系统，由由于需要要处理的的数据量量大，对对系统的的实时性性和精度度要求较较高，单单片机往往往不能能满足要要求。与单片机机相比，DSPP器件集集成度较较高，CCPU速速度较快快，存储储器容量量更大，更适用用于电动动机的变变速驱动动控制，同时可可以提高高系统的的性

27、能，降低成成本和功功耗，简简化外围围电路的的设计工工作。因因此，为为了达到到电机控控制不断断增加的的计算量量和速度度要求，更好地地发挥电电机的运运行性能能，具有有强大数数字信号号处理功功能的DDSP芯芯片应运运而生。DSPP技术的的应用使使现代控控制理论论中先进进而复杂杂的算法法得以实实现。DDSP芯芯片的飞飞速发展展促进了了无刷电电机控制制技术的的发展与与创新。DSP把把现实生生活中的的各种模模拟信号号转换成成数字信信号，再再用数学学计算方方法来处处理这些些数字信信号并得得到相应应结果。数字信信号处理理的主要要任务是是完成大大量的实实时计算算。例如如在DSSP中常常用的FFIR滤滤波和FFF

28、T快快速算法法。DSP芯芯片是一一种特别别适用于于数字信信号处理理的微处处理器。它强调调对数据据进行运运算处理理的实时时性，除除具备普普通微处处理器强强调的快快速计算算和控制制功能，在芯片片结构、数据流流程和指指令系统统方面有有较大改改进。例例如：采采用哈佛佛结构及及改进的的哈佛结结构，比比传统的的冯诺依曼曼结构具具有更高高的指令令执行速速度，更更适于处处理具有有高度实实时要求求的数字字信号。广泛采采用流水水线技术术，加快快指令执执行速度度，增强强了处理理器处理理数据的的能力。采用多多总线结结构，解解决了传传统芯片片的总线线冲突问问题，大大大提高高了系统统的速度度和效率率。可以以在一个个周期内

29、内同时访访问数据据和程序序存储空空间，解解决了传传统芯片片的总线线冲突问问题，大大大提高高了系统统的速度度和效率率。快速速的中断断处理能能力和硬硬件I/O接口口支持。2）DSSP在无无刷电机机控制中中的应用用（1）DDSP技技术在无无刷电机机控制中中的发展展20世纪纪80年代代，数字字信号处处理技术术开始应应用于电电机控制制领域，其主要要用来直直接控制制感应电电机的磁磁通量和和转矩，以达到到对电机机转矩进进行快速速、高性性能的控控制。典典型的产产品代表表为TII公司的的TMSS320010。但由于于以前数数字信号号处理器器芯片的的价格较较高，人人们对其其在电机机控制中中的应用用也没有有给予足足

30、够的重重视，这这种芯片片主要用用在通讯讯、图像像处理等等领域，而在电电机控制制中的应应用较少少，后来来由于数数字信号号处理器器芯片的的性价比比不断提提高，而而且其强强大的数数字信号号处理能能力越来来越受到到用户的的欢迎，DSPP的应用用得到了了较快的的发展。尽管最初初把DSSP技术术应用于于电机控控制的目目的是其其快速的的数据处处理能力力能够对对电机进进行矢量量控制和和直接转转矩控制制，使复复杂的算算法得以以实现，但以前前的DSSP芯片片没有集集成数模模转换和和脉宽调调制等外外围电路路，芯片片只是作作为在算算法上比比MCUU占优势势的通用用处理器器来使用用，大大大增加了了系统的的体积和和产品的

31、的成本，增加系系统设计计的复杂杂性，延延长开发发周期，降低系系统工作作的可靠靠性。(2)典典型的DDSP芯芯片在无无刷电机机控制中中的应用用TI系系列DSSP芯片片TI公司司于19998年年推出的的TMSS3200F2440是电电机控制制领域一一个划时时代的进进步。芯芯片的执执行速度度很快，在200 MHHz的时时钟频率率下，指指令周期期仅为550 nns，且且多数指指令都能能在一个个指令周周期内完完成，片片内具有有Flaash ROMM。内部部有166通道两两路转换换精度为为10位的的AD变换换器，转转换时间间仅为66.6s。在电电机调速速系统构构成电流流闭环时时，反馈馈电流信信号可以以经A

32、DD输入CPPU处理理。另外外，TMMS3220F2240还还提供228个I/OO口，用用于控制制系统所所需的各各种开关关量。芯芯片内集集成的事事件管理理器（EEV）具具有控制制三个半半高桥的的能力，当各个个桥需要要互补的的PWMM去控制制时，EEV可以以提供这这种功能能，极大大地方便便了电机机控制系系统的设设计。它它是专门门用于电电机控制制的模块块。AD系系列DSSP芯片片AD公司司推出基基于166位26MMIPSS定点DSSP核ADSSP21171的的ADMMC3000、3300、3311电机控控制芯片片，把数数字信号号处理器器和外围围电路结结合在一一起，集集成了116位三三相PWWM发生

33、生器、存存储器，串行通通讯口，定时器器等外围围器件，还具有有7路模拟拟量的输输入通道道，用户户不必在在外围再再设置模模数转换换器，从从而降低低成本，提高系系统工作作的可靠靠性。采采用ADDSP221000系列的的代码兼兼容语言言，使程程序的移移植非常常方便，缩短了了产品的的开发周周期，工工作量大大大减少少。AD公司司开发的的电机控控制DSSP芯片片ADMMC4001具有有一套完完备的外外围控制制接口和和丰富的的电机控控制外设设电路，增强了了DSPP的快速速运算能能力，可可以在高高度集成成的环境境中对电电机进行行控制。它的基基本控制制外设电电路是带带有8路模拟拟量输入入的模/数转换换系统、光电编

34、编码器接接口单元元和灵活活、简便便的脉冲冲宽度调调制单元元，可以以输出66路PWMM信号，以控制制逆变器器功率开开关的动动作，借借助于快快速、高高精度的的模/数转换换系统和和控制器器来监视视和调控控电机的的运行。ADMMC4001芯片片可广泛泛应用于于控制交交流电机机、直流流电机及及开关磁磁阻电机机等。Mottoroola系系列DSSP芯片片Motoorolla公司司研制的的DSPP56FF8xxx系列集集成了MMotoorolla 116位定定点DSSP微控控制器内内核DSSP5668000。芯片片内核最最高可工工作于880 MMHz，指令执执行速度度可达440MIIPS，单指令令周期可可以

35、完成成1616位的的并行乘乘、加运运算，支支持166位双向向循环移移位。芯芯片内集集成相位位检测器器和PWWM模块块，提供供硬件循循环操作作，具有有JTAAG程序序调试接接口，允允许在系系统设计计过程中中随时进进行实时时调试，非常适适用于电电机的实实时控制制。DSSP566F8xxx系列列芯片可可以实现现复杂的的算法并并降低产产品成本本，提高高系统的的可靠性性与稳定定性，可可用于控控制交流流感应电电机、有有刷直流流及无刷刷电机、有传感感器及无无传感器器电机、可变磁磁阻电机机及步进进电机等等。4.2 控制制理论的的发展1）基于于稳态模模型的标标量控制制交流电动动机最初初的运行行方式是是不受控控运

36、行。其控制制功能仅仅限于接接通和关关断以及及某些情情况下的的辅助起起动、制制动和反反转。为为了满足足一些调调速传动动的需要要，产生生了一些些性能较较差的控控制：如如鼠笼异异步电动动机降压压调速、绕线式式异步电电动机转转子串电电阻调速速和电磁磁转差离离合器调调速、绕绕线式异异步电动动机串极极调速、鼠笼异异步电动动机变压压变频调调速（VVVVFF）、变变极调速速和同步步电机变变压变频频调速。在以上上调速方方法中，除变压压变频调调速外，一般为为开环控控制，不不需变频频器，设设备简单单，但效效率低，性能差差。鼠笼笼异步电电动机基基于恒压压频比控控制而构构成的转转差频率率闭环控控制，性性能相对对较好，但

37、由于于它们都都是基于于稳态模模型，动动态性能能较差，一般只只用于水水泵、风风机等动动态性能能要求较较低的节节能调速速和一般般调速场场合。2）矢量量控制19711年由德德国学者者Blaaschhke提提出的矢矢量控制制理论使使交流电电机控制制由外部部宏观稳稳态控制制深入到到电机内内部电磁磁过程的的瞬态控控制。永永磁同步步电机的的控制性性能由此此发生了了质的飞飞跃。矢矢量控制制最本质质的特征征是通过过坐标变变换将交交流电机机内部复复杂耦合合的非线线性变量量变换为为相对坐坐标系为为静止的的直流变变量（如如电流，磁链，电压等等），从从中找到到约束条条件，获获得某一一目标的的最佳控控制策略略。3）直接接

38、转矩控控制19855年，Deepennbroock教教授提出出异步电电机直接接转矩控控制方法法。该方方法在定定子坐标标系下分分析交流流电机的的数学模模型，在在近似圆圆形旋转转磁场的的条件下下强调对对电机的的转矩进进行直接接控制，省掉了了矢量坐坐标变换换等复杂杂的计算算。其磁磁场定向向应用的的是定子子磁链，只需知知道定子子电阻就就可以把把它观测测出来，相对矢矢量控制制更不易易受电机机参数变变化的影影响。近近年来，直接转转矩控制制方式被被移植到到永磁同同步电机机的控制制中，其其控制规规律和关关键技术术正逐渐渐被人们们了解、掌握。直接转转矩控制制在全数数字化、大转矩矩、快速速响应的的交流伺伺服系统统

39、中有广广阔应用用前景。4）非线线性控制制交流电机机是一个个强耦合合、非线线性、多多变量系系统：非非线性控控制通过过非线性性状态反反馈和非非线性变变换，实实现系统统的动态态解耦和和全局线线性化，将非线线性、多多变量、强耦合合的交流流电动机机系统分分解为两两个独立立的线性性单变量量系统。其中转转子磁链链子系统统由两个个惯性环环节组成成。两个个子系统统的调节节按线性性控制理理论分别别设计，以使系系统达到到预期的的性能指指标。但是，非非线性系系统反馈馈线性化化的基础础是已知知参数的的电动机机模型和和系统的的精确测测量或观观测，而而电机在在运行中中，参数数受各个个因素的的影响会会发生变变化，磁磁链观测测

40、的准确确性也很很难论证证，这些些都会影影响系统统的鲁棒棒性，甚甚至造成成系统性性能恶化化。目前前这种控控制方法法仍有待待进一步步完善。5）自适适应控制制自适应控控制能在在系统运运行过程程中不断断提取有有关模型型的信息息，使模模型逐渐渐完善，是克服服参数变变化影响响的有力力手段。应用于于永磁交交流电机机控制的的自适应应方法有有模型参参考自适适应、参参数辨识识自校正正控制以以及新发发展的各各种非线线性自适适应控制制。但所所有这些些方法都都存在的的问题是是：数学模模型和运运算繁琐琐，使控控制系统统复杂化化；辨识和和校正都都需要一一个过程程，所以以对一些些参数变变化较快快的系统统，就会会因来不不及校正

41、正而难以以产生很很好的效效果。6）滑模模变结构构控制滑模变结结构控制制是变结结构控制制的一种种控制策策略，它它与常规规控制的的根本区区别在于于控制的的不连续续性，即即一种使使系统“结构”随时变变化的开开关特性性。其主主要特点点是，根根据被调调量的偏偏差及其其导数，有目地地的使系系统沿设设计好的的“滑动模模态”轨迹运运动。这这种滑动动模态是是可以设设计的，且与系系统的参参数及扰扰动无关关，因而而使系统统具有很很强的鲁鲁棒性。另外，滑模变变结构控控制不需需要任何何在线辨辨识，所所以很容容易实现现。在过过去100多年里里，将滑滑模变结结构控制制应用于于交流传传动一直直是国内内外学者者的研究究热点，并

42、已取取得了一一些有效效的结果果。但滑滑模变结结构控制制本质上上的不连连续开关关特性使使系统存存在“抖振”问题。主要原原因是：对于实实际的滑滑模变结结构系统统，其控控制力总总是受到到限制的的，从而而使系统统的加速速度有限限；系统的的惯性、切换开开关的时时间空间间滞后及及状态检检测的误误差，特特别对于于计算机机的采样样系统，当采样样时间较较长时，形成“准滑模模”等。所所以，在在实际系系统中“抖振”必定存存在且无无法消除除，这就就限制了了它的应应用。7）智能能控制（1）专专家系统统智能控控制专家控制制(Exxperrt cconttroll)是智智能控制制的一个个重要分分支。专专家控制制的实质质是基

43、于于控制对对象和控控制规律律各种知知识，并并以智能能方式利利用这些些知识使使控制系系统尽可可能优化化。专专家控制制的基本本思想是是：自动动控制理理论+专家系系统技术术。自动动控制系系统中存存在大量量的启发发式逻辑辑，这是是因为工工业控制制对象及及其环境境的变化化呈现出出多样性性、非线线性和不不确定性性，这些些启发式式逻辑实实际上是是实现最最优控制制目标的的各种经经验知识识，难以以用一般般的数值值形式描描述，而而适于用用符号形形式来表表达，人人工智能能中的专专家系统统技术恰恰恰为这这类经验验知识提提供了有有效的表表示和处处理方法法。知知识库和和推理机机为专家家系统的的两大要要素，知知识库存存储某

44、一一专门领领域的专专家知识识、条目目，推理理机制按按照专家家水平的的问题求求解方法法调用知知识库中中的知识识条目进进行推理理、判断断和决策策。专家家系统与与传统自自动控制制理论的的结合，形成了了专家控控制系统统，这类类系统以以模仿人人类智能能为基础础，弥补补了以数数学模型型为基础础的控制制系统的的不足。目前专家家控制的的研究大大致包括括用于传传统PIID控制制和自适适应控制制的专家家控制和和.基于模模糊规则则的控制制方法。（2）模模糊逻辑辑智能控控制模糊逻辑辑控制实实质上是是利用计计算机模模拟人的的模糊逻逻辑思维维功能实实现的一一种数字字反馈控控制。人人的思维维具有模模糊逻辑辑的特点点，因此此

45、用计算算机模拟拟人的模模糊思维维，即模模糊概念念、模糊糊判断和和模糊推推理，就就是模糊糊控制的的思维科科学基础础，再和和反馈控控制理论论相结合合就可以以实现模模糊控制制。传统的PPID控控制系统统设计中中需要给给出被控控对象的的精确模模型。模模型的不不精确性性及不确确定性都都会影响响PIDD控制性性能。相相反，模模糊控制制不需要要知道被被控对象象的精确确模型，它是基基于控制制系统输输入/输出数数据因果果关系的的模糊推推理控制制。模糊控制制不是基基于被控控对象精精确模型型的控制制方式，因此具具有较强强的鲁棒棒性，其其稳态精精度可以以通过引引进智能能积分等等方法达达到所要要求的精精度。此此外，还还

46、可以将将模糊逻逻辑推理理和PIID控制制相结合合，对PPID控控制参数数进行自自适应调调整，实实现无静静态跟踪踪伺服控控制。（3）神神经网络络智能控控制人工神经经网络是是利用计计算机模模拟人类类大脑神神经系统统的联接接机制而而设计的的一种信信息处理理的网络络结构，一般简简称神经经网络（NN）。神经网网络中最最基本单单元是神神经细胞胞，简称称神经元元。它是是一种多多输入单单输出的的信息处处理单元元，包括括输入处处理、活活化处理理和输出出处理三三个部分分。从控控制的观观点，神神经元模模型由加加权加法法器、单单输入单单输出线线性动态态系统和和静态非非线性函函数所组组成。它它们模拟拟神经细细胞综合合处

47、理信信息的突突变性和和饱和性性的非线线性特征征。神经网络络是由大大量神经经元构成成网络，能够根根据某种种学习规规则，通通过调整整神经元元之间的的联接强强度（权权重）来来不断改改进网络络的逼近近性能，即神经经网络具具有非常常强的非非线性映映射能力力。正因因为如此此，神经经网络在在智能控控制、模模式识别别、故障障诊断、系统辩辩识等领领域获得得了广泛泛应用。（4）除了了上述的的专家系系统、模模糊伺服服控制、神经网网络伺服服控制策策略外，还有遗遗传算法法等控制制。5 结结语永磁无刷刷电动机机系统在在运动控控制系统统中的作作用越来来越突出出，是目目前国内内外最活活跃和最最具发展展前途的的控制系系统。文文

48、中首先先介绍了了系统的的组成，对电机机技术、设计和和工艺以以及传感感技术和和控制技技术做了了较为详详细的论论述，并并提出发发展动向向；对于于研究人人员和管管理人员员有一定定意义。参考文献献1王王宗鲜，韩光鲜鲜，程智智.无刷直直流电动动机的方方波与正正弦波驱驱动JJ.微电机机，20002，35（6）：3-6.2莫莫会成.方波励励磁永磁磁无刷伺伺服电动动机换向向过程分分析JJ.微电机机，19994，27（3）：3-7.3莫莫会成.控制电电机发展展及建设设J.微电机机，20005，38（6）：744-777.4孙孙建忠，白风仙仙.特种电电机及其其控制M.北京：中国水水利水电电出版社社，20005.5

49、正正田英介介（日）.电机电电器MM.北京：科学出出版社，20001.6祝祝恩国，杨公训训，许书书阁.引发工工业设计计革命的的DSPP技术J.微电机机，20006,39（1）：555-577.7莫莫会成.永磁交交流伺服服电动机机转矩波波动分析析J.微电机机，20007，40（3）：1-4.8孟孟明.现代电电气传动动技术C.企业产产品国际际化战略略与微电电机技术术发展论论坛，宁宁波，西西安微电电机研究究所，宁宁波，220066，12：16-19.【9】黄黄声华.永磁交交流伺服服系统国国内外发发展现状状C.微电机机工业“十一五五”发展论论坛，西西安微电电机研究究所，西西安，220055，7：1320

50、。作者简介介：莫会会成（119622-），男，研研究员级级高工，教授，享受国国务院特特殊津贴贴专家，从事永永磁交流流伺服电电动机技技术研究究及技术术管理。机研究所所, 西西安 77100077）来源：永永磁电机机会议论论文集，编辑：闫晶芬芬摘要：永永磁无刷刷电动机机系统是是以电机机为控制制对象，以控制制器为核核心，以以电力电电子功率率变换装装置为执执行机构构的电气气传动控控制系统统。随着着电机技技术、控控制理论论、数字字脉宽调调制技术术、新材材料技术术、微电电子技术术及现代代控制技技术的进进步，伺伺服系统统经历了了从步进进伺服到到直流伺伺服，进进而到永永磁无刷刷电机伺伺服系统统的发展展历程，目

51、前已已成为电电机控制制技术的的主流方方向。1 系系统组成成永磁无无刷电动动机系统统是根据据位置、速度和和转矩等等反馈信信息构成成的控制制系统，由永磁磁无刷电电动机、传感（传感器器）和驱驱动器三三部分组组成（见见图1）。系统统有开环环运行、转矩控控制、速速度控制制和位置置控制44种基本本运行方方式，见见图2图5。其中图图4和图图5是用用于高精精度的控控制系统统，如数数控机床床的进给给驱动等等。图1 永磁无无刷电动动机系统统方框图图 图图2 开环运运行方框框图图3 转矩控控制系统统方框图图图 图44 速速度控制制系统方方框图永磁无刷刷电动机机是通过过电子电电路换相相或电流流控制的的永磁电电动机。永

52、磁无无刷电动动机有正正弦波驱驱动和方方波驱动动两种型型式：驱驱动电流流为矩形形波的通通常称为为永磁无无刷直流流电动机机，驱动动电流为为正弦波波的通常常称为永永磁交流流伺服电电动机，按传感感类型可可分为有有传感器器电动机机和无传传感器电电动机。驱动器指指接受控控制指令令、可实实现对电电动机的的转矩、速度和和转子位位置控制制的电气气装置。驱动器按按其控制制电路和和软件的的实现方方式可分分为模拟拟量控制制、数字字模拟混混合控制制和全数数字控制制三种；按驱动动方式可可分为方方波驱动动和正弦弦波驱动动。图5 位置控控制系统统方框图图传感部分分的作用用是检测测永磁无无刷电动动机的位位置、速速度和电电流。常

53、常用的传传感器有有接近开开关、光光电编码码器、旋旋转变压压器、霍霍尔元件件和电流流传感器器等。2 结结构、设设计和工工艺2.1 电机结结构永磁无刷刷直流电电动机的的基本结结构是将将永磁直直流电动动机的定定、转子子位置进进行互换换，通常常称为“内翻外外”，转子子为永磁磁结构，产生气气隙磁通通，定子子为电枢枢，有多多相对称称绕组，直流电电动机的的电刷和和机械换换向器被被逆变器器和转子子位置传传感器所所代替。所以无无刷电动动机实际际上是一一种永磁磁同步电电机，如如图6所所示。图6 永磁无无刷电动动机结构构 图图7 外转子子永磁无无刷直流流电动机机另外，永永磁无刷刷直流电电动机可可以做成成外转子子型和

54、盘盘式转子子型。其其结构见见图7和和图8。外转子子型电机机的永磁磁磁极转转子位于于定子的的外侧，转矩脉脉动小，容易做做成扁平平型，惯惯量较大大。盘式式转子型型电机的的气隙平平面与轴轴垂直，盘式转转子与永永磁磁极极相向配配置，电电机成扁扁平形，可做成成有槽结结构，见见图8，也可以以做成无无槽、无无铁心结结构。这这种电动动机常用用于FDDD和CCD的直直接驱动动等。图8 盘式转转子无刷刷直流电电动机无刷直流流电动机机多采用用钐钴（SmCCo）和和钕铁硼硼（NddFeBB）等稀稀土永磁磁。常见见的转子子结构有有表面式式磁极，嵌入式式磁极和和环形磁磁极3种种，如图图9所示示。图99a结构构是在铁铁心表

55、面面粘贴径径向充磁磁的瓦片片形永磁磁体，有有时也采采用矩形形小条拼拼装成瓦瓦片形磁磁极，以以降低制制造成本本。图99b结构构是在铁铁心中嵌嵌入矩形形永磁体体。其优优点是一一个极距距下的磁磁通由相相邻两个个磁极并并联提供供，可以以获得较较大的磁磁通。但但结构需需要作隔隔磁处理理或者采采用不锈锈钢轴。对于高高转速运运行的电电机，图图9a和和图9bb的结构构需在转转子外表表面套一一个0.3 mmm00.8 mm的的磁性紧紧圈，防防止离心心力将磁磁钢甩出出。紧圈圈材料通通常采用用不导磁磁的不锈锈钢，也也可以用用环氧无无纬玻璃璃丝带缚缚扎。图图9c结结构是在在铁心外外套上一一个整体体稀土永永磁环。该环形

56、形磁体径径向充磁磁为多极极，适用用于小功功率的电电机。这这种结构构的转子子制造工工艺性较较好。2.2 设计计工艺技技术发展展动向1） 设计手手段不断断完善随着计算算机技术术的发展展以及电电磁场数数值计算算、优化化设计和和仿真技技术的不不断完善善，形成成了以电电磁场数数值计算算、等效效磁路解解析求解解、场路路结合求求解等一一整套分分析研究究方法和和计算机机辅助分分析的设设计软件件。如AAnsooft公公司、MMagnneFoorcee公司、Jmaag公司司均推出出各种类类型的电电机设计计软件，以方便便快捷地地完成从从电机的的电磁设设计计算算、损耗耗计算、优化设设计、噪噪声抑制制、特性性分析等等。

57、针对对无刷电电机特点点，提供供多种转转子类型型、多种种绕组型型式及主主电路的的连接方方式，以以便组合合。20006年年三季度度，加拿拿大以电电磁计算算分析著著名的IInfoolytticaa公司，推出了了专门针针对永磁磁无刷电电机的MMotoorsoolvee设计软软件。图9 无刷直直流电动动机转子子结构形形式这些软件件除了对对电机进进行电磁磁设计，还可对对电机在在槽形、绕组、材料等等设计变变量改变变情况下下多方案案比较分分析、电电磁场精精确计算算和电机机多目标标优化设设计，并并包括控控制电路路、控制制算法在在内的整整个设计计流程，既可以以提供任任意时刻刻电机内内电磁场场分布数数据，又又能对电

58、电机工作作时所关关心的各各类运行行曲线，如转矩矩、转速速、电流流、功率率、效率率等提供供结果，同时还还能提供供齿槽转转矩、转转矩脉动动、转速速波动等等详细指指标参数数，并可可完成电电机的各各类正常常工况和和故障工工况的仿仿真实验验，包括括起动、堵转、突加突突减负载载、突然然短路等等等。2）分数数槽技术术应用日日益增多多分数槽绕绕组技术术在永磁磁无刷电电动机中中的应用用已逐渐渐增多。如在电电动自行行车电机机中采用用三相、40极极、366槽；CColllmorrgenn公司GGolddlinne系列列交流伺伺服电机机采用44极、118槽，6极、24槽槽等；松松下伺服服电机采采用6极极、9槽槽，8极

59、极、122槽等每每极每相相槽数qq=1/2的分分数槽绕绕组结构构。对于多极极的无刷刷电动机机采用分分数槽绕绕组，可可以较少少的定子子槽数达达到多槽槽能达到到的效果果。采用用分数槽槽绕组有有以下优优点：a)电机机电枢槽槽数大为为减少，有利于于槽利用用率的提提高；b)较少少数目的的元件数数，可简简化嵌线线工艺和和接线，有助于于降低成成本；c)有可可能得到到线圈节节距y=1的设设计（集集中绕组组），便便于采用用自动绕绕线机绕绕制，提提高工效效；同时时各个线线圈端部部没有重重叠，不不必设相相间绝缘缘；d)线圈圈周长和和绕组端端部缩短短，电动动机绕组组电阻减减小，铜铜损随之之也减低低，提高高了电动动机的

60、性性能。采采用分数数槽绕组组的磁动动势谐波波远大于于整数槽槽绕组，如图110所示示。图10 整数数槽绕组组与分数数槽绕组组（q=1/2）时时的反电电动势比比较3）无槽槽、无铁铁心结构构电机无铁心无无刷电动动机的出出现是采采用新材材料、新新工艺的的结果。电枢采采用耐热热性能优优越的材材料制成成刚性整整体，可可以在高高温及高高速情况况下长期期稳定运运行；由由于电枢枢无铁心心，电感感小，完完全消除除了铁心心中的磁磁滞损耗耗和涡流流损耗，消除了了由齿槽槽效应带带来的转转矩波动动，具有有优异的的控制性性能；运运行效率率高、温温升低、转速范范围广；电机的的电枢中中无齿槽槽且采用用全塑封封结构，负载动动行时