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第1篇

【關鍵詞】永磁同步 電動機 低速大扭矩 高效節能

1 引言

隨著經濟的發展，人類社會對能源的需求也日益增加，石油、煤炭等不可再生資源也日益枯竭，能源緊張也成為了全球共同關注的話題，黨的十六屆五中全會強調，要加快建設資源節約型，環境友好型社會。同時，國家也提出了推廣變頻永磁電動機技術的要求，在這種背景下，低速永磁同步電動機技術也日益成熟，廣泛運用到了各個行業中。

2 低速永磁同步電動機的特點

永磁同步電動機與傳統感應電動機工作原理基本相同，都是由定子產生磁場帶動轉子，其不同之處在于低速永磁同步電動機由永磁體勵磁替代了傳統感應電動機的電勵磁。永磁同步電動機具有低速大扭矩、結構簡單、功率因數高、效率高、體積小、噪聲低、可靠性高等顯著優點。

低速大扭矩、結構簡單。與傳統電動機相比，低速永磁電動機的氣隙磁場是有永磁體產生的，加上永磁體形狀及磁路設計的多樣性，這樣就可以簡化電動機結構，根據需要靈活設計電動機的外形尺寸。傳統感應電動機在起動時存在最小轉矩，通常來說其最小轉矩倍數小于1，而低速永磁同步電動機是變頻起動，在起動時無最小轉矩倍數的限制，只要負載所需起動扭矩小于最大轉矩，都可以順利起動。在某些領域，傳統感應電動機低起動轉矩的特性，使其在選型時不得不提高電動機功率來增大起動轉矩，以永磁同步電動機設計轉速100rpm為例，由公式

可知，相同功率的低速永磁同步電動機與傳統4P電動機相比，其起動扭矩是傳統電動機的15倍。

效率、功率因數高。傳統感應電動機因存在定子電阻和定子電流損耗，穩定運行時風磨耗也占據一定比例，這些因素限制了功率因數的提高；低速永磁同步電動機在運行時不產生無功勵磁電流，且風磨耗、雜耗、機械耗等損耗都低于傳統感應電動機，這些因素都使永磁同步電動機的效率、功率因素高于傳統感應電動機。大量統計表明，就效率而言，同規格永磁電動機比傳統感應電動機提高了2～8%。圖1是低速永磁同步電動機和傳統感應電動機不同負載下的效率、功率因數曲線，從圖中可以看出，低速永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可以保持較高的功率因數和效率，而傳統感應電動機在低負載率或者高負載率時效率、功率因數同額定負載率相比下降很多，在低負載率時下降尤為明顯。低速永磁同步電動機這種高效率、高功率因數的優點是傳統感應電動機所不具備的。

體積小。對于傳統驅動系統，尤其是末級傳動需要較低速度時，一般需要異步電動機加減速機或者是異步電動機加2～3級皮帶輪減速來實現，這種機構體積龐大且笨重，不僅增加了設計成本，在設備安裝方面也占據了大量的空間。而低速永磁同步電動機直驅系統的體積和重量通常不到傳統驅動系統的一半，加上可以靈活設計永磁電動機的結構，在設備的安裝、調試等方面要求大大降低。

噪聲低，運行平穩。應用低速永磁同步電動機的直驅系統取消了減速機、皮帶輪等機械減速裝置，消除了齒輪嚙合或皮帶輪傳動時的噪聲，系統高速運轉時由于各個部件中間不平衡帶來的噪聲、震動大大降低。

可靠性高。機械減速傳動裝置的取消，消除了中間傳動環節的機械故障，同時，由于設備磨損、機械變形、零部件松動等帶來的油泄露問題也不復存在，大大提高了傳動系統的穩定性，如圖1所示。

3 低速永磁同步電動機應用現狀

自1831年科學家巴洛發明世界上第一臺永磁電動機以來，各國的科技工作者一直在探索永磁同步電動機的發展，但由于永磁材料性能的限制，一直停滯不前。二十世紀三十年代以來，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體材料的先后出現，永磁材料的性能得到了很大的提升，用永磁體做成的電動機也不斷的出現在軍事裝備、工業生產設備、日常家電等領域。但是，由于鋁鎳鈷和鐵氧體材料矯頑力偏低、剩磁密度不高等缺陷，永磁電動機性能并沒有達到預期效果，加上當時永磁電動機成本較高，在一定程度上限制了永磁電動機的發展。1983年，銣鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現，極大的提高了永磁材料的各項性能，且加上價格相對便宜，加快了國內外對永磁電動機研究的步伐，研究的重點也逐漸的轉移到了工業裝備自動化和日常生活領域。隨著科學工作者對永磁材料研究的不斷深入，永磁材料的電磁性能、耐高溫性能也在不斷的提升。同時，伴隨著電力電子控制技術的發展，與傳統電勵磁電動機相比，永磁電動機高效節能的優勢更加明顯，低速永磁同步電動機也朝著大功率化、高轉矩化、微型化、智能化等多個方向發展。

目前，由于低速永磁同步電動機低速大扭矩、體積小、輸出平穩、高效節能等優點，已經在很多方面作為驅動裝置得到應用，如電動車輛、煤炭開采、石油開采、冶金、電梯等領域。在電動車輛方面，日本已將其用于低地板式電動車、獨立車輪式電動車上；德國、法國也將永磁同步電動機用于高速列車組和低地板車；在煤炭、石油、冶金、港口起重等工業裝備自動化領域，低速永磁同步電動機在保證高性能、高效率、高精度需求的同時，省去了傳統傳動系統中的機械減速裝置，已經成功得到應用；在電梯曳引機上，由于低速永磁同步電動機可以實現無需機械減速裝置的直驅運行，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動機作為動力源，美國奧迪斯公司研發的GEN2系統也廣泛采用了永磁無齒輪曳引機技術。

4 低速永磁同步電動機的發展趨勢

目前來看，去除減速機、多級皮帶輪等機械減速裝置，采用低速永磁直驅系統，更能夠充分發揮低速永磁同步電動機的優勢。低速永磁同步電動機作為驅動系統動力提供者，正向著專用化、高性能化、輕型化、機電一體化等等方向發展。

4.1 專用化發展

在工業生產領域，有很多設備需要減速機等機械減速裝置來減速進而驅動負載，這就需要電動機行業技術人員仔細分析其負載特性，專門設計一種性能優良、運行可靠且價格合理的低速永磁同步電動機，來替代傳統傳動裝置。據統計，有些專用低速永磁同步電動機節電率可以達到20%左右，如油田用到的抽油機電機、泥漿泵電機，陶瓷行業用到了陶瓷球磨機電機等。

4.2 高性能方向發展

S著工業的發展，對電動機的要求不僅僅是簡單的提供動力，而是提出了各種各樣的性能要求。如航空航天領域要求具備高性能同時，還要具備高可靠性；化纖行業、數控機床、智能加工中心等設備要求電動機具有高調速精度。

4.3 輕型化方向發展

由于安裝空間、攜帶等方面的因素，都對永磁同步電動機提出了重量輕、體積小的要求。如地下煤礦開采、數控機床、醫療器械、船舶推進、便攜式機電一體化產品等都有這方面的要求。

4.4 機電一體化方向發展

高性能的永磁電動機是實現機電一體化的基礎，電力電子技術、微電子控制技術和永磁同步電動機技術的結合催化出了一批新型且性能優異的機電一體化產品。

5 結語

我國具有豐富的稀土礦產資源，且對以稀土作為原材料的永磁材料和永磁電動機技術研究都已位列世界先進水平，充分發揮這種優勢，加快低速永磁同步電動機技術的研究和推廣，對加快我國經濟建設具有十分重要的意義。低速永磁同步電動機較傳統電勵磁電動機在性能上有很大優勢，但目前在我國工業領域并沒有得到廣泛應用，其市場還正處在推廣階段。相信隨著永磁材料技術的發展、電力電子和驅動裝置技術的進步，以及人類社會環境保護意識、能源問題社會意識的提高，在不久的將來，低速永磁同步電動機作為動力的驅動裝置會慢慢滲透到工業和日常生活的各個方面，低速永磁同步電動機也將得到廣泛應用。

參考文獻

[1]楊萌.起重用低速大扭矩永磁同步電動機研究與設計[D].華中科技大學（碩士學位論文），2013.

[2]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1997.

[3]王秀和.永磁電機[M]，北京：中國電力出版社，2007.

[4]閆萍，吳夢艷.現代永磁電機技術的研究[J].防爆電機.2014.

[5]王帥.抽油機直驅用低速大轉矩永磁電機及其控制系統研究[D].沈陽工業大學（碩士學位論文），2010

作者簡介

王錦涵（2000-），女，河南省南陽市人。現為南陽第一高級中學在讀學生。

第2篇

[關鍵詞]超環面；機電傳動；參數選擇；結構分析

中圖分類號：TH132.44 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0093-03

在機械工程領域，機械傳動技術是機械工程技術的重要組成部分，在一定程度上標志著機械工程技術的水平。為適應這一趨勢，人們一般從以下方面對齒輪及蝸桿傳動展開新的研究工作。一、應用現代材料科學技術，研究開發齒輪及蝸輪新材料；二、采用先進制造技術，不斷完善高性能齒輪及蝸輪蝸桿齒廓成型技術，提高加工精度；三、運用計算機輔助設計技術，對齒輪及蝸輪蝸桿傳動進行齒廓優化、參數優化及機構優化。

隨著電子、信息和控制等技術向機械工程領域的不斷滲透，傳統的機械傳動系統也發生了很大變化，跨越舊的機構組成概念，實現機電和控制有機結合的新型復合傳動機構已成為機械科學領域的國際性前沿課題。機電集成超環面傳動是一種集電、機、控制于一體的新型傳動機構。

超環面機電傳動系統機構由行星輪、環面蝸桿、環面定子和行星架組成。由于在結構上它具有蝸桿上一個外環面和定子上一個內環面兩個環面，所以稱其為超環面。同時，由于它是由電磁力替代了超環面行星蝸桿傳動機構中的接觸嚙合力，所以稱其為超環面機電傳動機構。蝸桿環面上均勻分布螺旋槽，槽內安放電磁線圈，行星輪圓周上均勻安放弧形永磁體，環面定子內環面上均勻安置螺旋形永磁體。

與現有的超環面行星傳動相比，它不僅具有環面蝸桿傳動震動小、嚙合齒數多、結構緊湊、體積小、重量輕、承載力高、傳動功率及傳動比范圍廣和傳動效率高的優點，它在工作時，是用磁場力替代嚙合力，具有無嚙合、無和效率高等優點。超環面行星蝸桿傳動機構在工作時需要配帶電動機，而超環面機電傳動機構不需要配帶電動機。

在超環面行星蝸桿傳動的加工制造方面，國內外的專家、學者一直在進行著不停的研究和探索。我國武漢水運工程學院陳定方教授、哈爾濱工業大學姚立綱博士都對該種傳動的制造加工進行了深入的研究。燕山大學許立忠教授于1999年制成國內首臺滾錐齒超環面傳動試驗樣機，進行了臺架實驗，并取得良好的試驗效果[6]，之后又對滾錐齒超環面行星蝸桿傳動進行了優化設計，有效的減小了樣機的體積和質量[7]。

實踐證明， 超環面機電傳動機構有著其他機構所不具備的很多優點。隨著永磁傳動技術的快速發展，用磁力線嚙合代替機械嚙合成為解決摩擦損耗的一個新思路。在實際的加工生產過程中，電動機可以有效的將電能轉化為機械能，通常也作為驅動的目的使用，磁性是電動機工作的基礎。

電動機是工業中的重負荷機器，有很多類型的電動機，每種類型的電動機都有自己各自的特征和優點。有些電動機是以恒定速度運行的，還有一些電動機會隨著負載的增加，在速度上有一定的滑落，而另一些則會由于負載的原因使其速度大幅度降低。

如圖1所示為超環面傳動機構簡圖，該機構由定子0、行星輪1、中心蝸桿2和行星架3組成。也正是由于在結構上它具有蝸桿2上一個外環面和定子0上一個內環面兩個環面的原因才稱之為超環面傳動。

中心蝸桿2環面上均勻分布螺旋槽，槽內安放電磁線圈，行星輪1圓周上均勻安置弧形永磁體，環形定子0內環面上均勻安置螺旋形永磁體。由電機學和永磁理論可知在工作的時候，中心蝸桿2由硅鋼片疊加而成，外表纏有電磁線圈，接通三相交流電產生空間旋轉電磁場，驅動行星輪自轉和公轉，定子處也有磁場力驅動行星輪公轉。

永磁行星輪齒N、S極相間、均勻地嵌在行星輪的圓周上。螺旋定子由若干個鋼材或者永磁體制成的空間螺旋梁組成。螺旋梁均勻的嵌在定子支架上，用于吸引行星輪齒沿軌跡運動。

由于該系統是傳統意義上的驅動系統和減速增矩系統的集成，因此該傳動機構結構緊湊，可以在很小的空間內傳遞很大的扭矩，特別適合于航空和航天等尖端技術領域以及坦克潛艇等重要軍事領域。

超環面機電傳動機構傳動部分，如圖2所示，主要包括電樞蝸桿、永磁行星輪、永磁定子及行星架等部件。超環面機電傳動蝸桿由鐵心和電樞組成，蝸桿結構為由開口的硅鋼片疊加而成，以便于減少渦流損耗，硅鋼片中間由一根芯軸固定，外面呈現超環面的內環面部分。開口按一定的規律在內環面上加工出電樞槽，用以安放電樞導線。

超環面機電傳動系統是在超環面行星蝸桿傳動的基礎上，對各個組成零件進行機電組合而得到。行星輪仍然是該傳動的中心構件，根據行星輪的結構及運動特點，行星輪結構采用永磁勵磁方式，永磁勵磁與電流勵磁相比，不需要勵磁電流，不設電樞導線，結構簡單，使用方便，可靠性高，在一定范圍內，可以具有比電磁式更小的體積和重量，從而減小整個傳動機構的重量和體積。

超環面機電傳動機構在行星輪圓周上安置永磁體，N、S極由隔磁材料隔開，齒數為偶數，形成永磁行星輪；為了能更好地控制輸入轉矩，蝸桿采用電流勵磁方式，三相交流電樞均勻地嵌于蝸桿表面，通過控制三相交流電的頻率和強弱，進而控制整個機構的轉速和力矩，電樞的纏繞方式取決于需要的磁極數目和行星輪齒數，在整體結構上類似于電動機的定子結構；為了獲得較大的輸出力矩，定子也采用稀土永磁勵磁，結構簡單， 便于加工， 解決了超環面行星蝸桿傳動定子加工難的問題。

在超環面機電傳動機構中， 分別存在兩個磁回路， 對應于蝸桿與行星輪嚙合和定子與行星輪嚙合， 從原理上來說蝸桿與行星輪嚙合相當于電動機， 蝸桿線圈通電產生旋轉磁場帶動行星輪轉動， 這樣行星輪上磁極的磁力線通過氣隙到達蝸桿旋轉磁場磁極， 蝸桿由硅鋼片疊加而成， 磁力線通過硅鋼片到達蝸桿的另一磁極，經過氣隙回到行星輪磁極， 經過行星輪體完成磁力線的閉合。

超環面機電傳動系統的主要優點就是能實現系統的內部減速，可以實現較大的傳動比。我們把系統的傳動比定義為：輸入的旋轉電磁場的轉速與輸出軸轉速之比[1]。超環面機電傳動的傳動比計算分成兩種情況：環面定子固定和行星架固定。

磁齒輪的嚙合與普通齒輪的嚙合有根本的不同，普通齒輪嚙合時，靠接觸線或接觸點，通過接觸處材料的彈力傳遞機械力， 實現傳動；而磁齒輪嚙合實際上是兩個磁極的正對面相互對齊，靠彼此之間的磁力作用傳遞運動。根據電磁理論，電樞合力方向為齒槽面的法線方向，可分解為三個相互垂直方向的作用力，使行星輪發生自轉和公轉，帶動行星架轉動， 實現運動的輸出。

行星輪受力分析如圖3示，中心蝸桿表面上均勻排布N 極、S 極間隔的稀土永磁體， 定子的內環面上也均勻排布N 極、S極間隔的螺旋形稀土永磁體。當中心蝸桿的電樞接通三相交流電時， 在其周圍將產生旋轉磁場，行星輪在蝸桿和環面定子兩處將受到磁場力的共同作用，在這兩處磁場力的共同作用之下， 行星輪將在自轉的同時還繞中心蝸桿軸線公轉，支撐行星輪的行星架將在行星輪的驅動之下作自轉運動， 行星架的自轉運動就是該機構的輸出運動。

設行星輪輪齒在任一轉角ψi處與中心蝸桿嚙合， 即行星輪上一個永磁體與蝸桿旋轉磁場在這個位置有磁場力作用。Fni表示此刻行星輪受到的磁場力，即法向力。Fai和Fti分別表示其軸向分力和切向分力。在超環面機電傳動機構中， 行星輪上永磁體與蝸桿間氣隙非常小，如果把行星輪上均勻分布的永磁體當量為一段通電導體， 這個當量通電導體可以近似認為與中心蝸桿電磁場平行。那么可以得到中心蝸桿與行星輪之間的磁力作用， 如圖3所示的法向力Fni，即：

（1）

式中： Fni――中心蝸桿與行星輪之間的法向力N；

B――中心蝸桿旋轉磁場與行星輪永磁體磁場的合磁場強度， T；

L――行星輪上均勻分布永磁體的有效長度，mm；

Id――行星輪永磁體磁場當量電流強度， A 。

切向分力Fti提供行星輪自轉驅動力矩Ti， 軸向分力Fai驅動行星輪公轉， 行星輪自轉的同時要與定子嚙合。定子上螺旋分布的永磁體與行星輪上均勻分布的永磁體產生磁力， 這個磁力與在蝸桿處受到的磁力一樣， 可以分解為一個軸向分力F’ai和一個切向分力F’ti。F’ti施加行星輪自轉阻力矩T’1。T1與T’1大小相等。

超環面機電傳動機構中，行星架與所有行星輪中心軸連在一起，所有行星輪的公轉力矩共同形成行星架的輸出力矩。對于每一個行星輪，它的公轉力矩分為兩個部分，一部分是蝸桿處的軸向力對蝸桿中心軸形成的力矩，另外一部分是定子處的軸向力形成的力矩。這兩部分力矩共同形成一個行星輪的公轉力矩Tni。即：

（2）

式中，φ1――蝸桿嚙合點處的位置角，rad；

ψ1 ――定子嚙合點處的位置角，rad；

a――蝸桿與行星輪的中心距，mm。

超環面機電傳動機構輸出力矩具有以下特征：

1、輸出力矩與行星輪個數m，合磁場強度B，永磁體當量電流強度Id，行星輪永磁體的有效長度L，行星輪半徑R等因素成正比的關系。

2、當其他因素相同，改變行星輪齒數將改變嚙合時中心蝸桿對行星輪包圍的齒數，以及包圍齒數突變點的位置。但是，輸出力矩并不是隨著行星輪齒數的增加而增加的，因為行星輪齒數的增加并不一定能增加行星輪與中心蝸桿的嚙合。

桿上齒槽分布情況確定以后，線圈具體的纏繞方式可以參考電機繞組的纏繞方式。由于蝸桿布線槽形狀比較復雜，為提高齒槽的利用率，使繞線嵌線方便， 蝸桿繞組一般采用單層型式、鏈式繞組。

根據環面蝸桿與行星輪的嚙合情況，電樞分布有兩種形式：行星輪齒完全嚙合，和蝸桿齒完全嚙合兩種情況。無論采取何種嚙合方式最終產生的電磁齒與行星輪的齒都存在一定的嚙合關系。隨著a/R的增加，蝸桿電樞和定子梁的螺旋角減小，行星輪與蝸桿之間的嚙合齒數增加；隨著極對數的增加，蝸桿電樞和定子梁的螺旋角增加，極對數越多嚙合點也越多。

n=0時，表示行星輪和蝸桿全部完全嚙合。螺旋角的表達式可以統一，根據超環面機電傳動系統的正確嚙合條件方程式，可知超環面機電傳動必須滿足以下表達式：

（3）

中心蝸桿的極對數是成對出現的，有一個N極就必然有一個S極與其對應。所以中心蝸桿的齒數可以用極對數p表示，即Z2=2p，p取自然數。所以當中心蝸桿每增加一對極，通過行星輪與之嚙合的定子齒數就應增加兩個。用Z0表示定子齒數，可得定子齒數與極對數存在如下關系：

（4）

其中，p為環面蝸桿極對數，λ0為環面定子的螺旋角，λ2為蝸桿齒槽螺旋角，N為包含0的正整數。

綜上所述，可以得出tanλ2，tanλ0，p和Z1四者之間的關系，在實際計算過程中由于行星輪轉角Φ1一直在變化，所以定子梁螺旋角和電樞螺旋角也一定隨之變化，但是變化幅度很小，因此螺旋角通常取平均值代替。

機械傳動在機械工程領域中占有重要的地位，隨著機械工業的發展，越來越需要集成化的傳動機構。本論文提出了一種新型復合傳動機構―超環面機電傳動機構，并對該機構從驅動機理、嚙合分析、傳動比分析及結構參數選擇與設計等方面進行了研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的實用價值。

參考文獻

[1] 孫志禮，冷興聚，魏嚴剛等主編 機械設計.沈陽：東北大學出版社2000.

第3篇

【關鍵詞】伺服系統；永磁同步電機；直流無刷電機

一、概述

從70年代后期到80年代初期，隨著微處理技術，大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展，其性能價格比的日益提高，交流伺服技術－交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。目前，高性能的伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電機，永磁同步電機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優良的低速性能并可實現弱磁高速控制，能快速、準確定位的控制驅動器組成的全數字位置伺服系統。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，特別是釹鐵硼永磁的熱穩定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發展，加上永磁電機研究開發經驗的逐步成熟，經大力推廣和應用已有研究成果，其在工業生產領域中的領域也越來越廣泛，正向大功率化（高轉速、高轉矩）、高功能化和微型化方面發展。

二、永磁同步電機伺服系統的基本結構

永磁同步電機伺服系統除電機外，系統主要包括驅動單元、位置控制系統、速度控制器、轉矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。

1．永磁式交流同步伺服電機。永磁同步電機永磁式同步電機具有結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點。和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等需要更多維護給應用帶來不便的缺點。相對異步電動機而言則比較簡單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好，但存在最大轉矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉速受限制，功率較小，成本高和起動困難等缺點。與普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結構，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統引起了國內外學者的廣泛關注。

2．驅動單元。驅動單元采用三相全橋自控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結構。設有軟啟動電路和能耗泄放電路可避免上電時出現過大的瞬時電流以及電機制動時產生很高的泵升電壓。逆變部分采用集驅動電路，保護電路和功率開關于一體的智能功率模塊(IPM)。

3．控制單元。控制單元是整個交流伺服系統的核心， 實現系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制器。具有快速的數據處理能力的數字信號處理器(DSP)被廣泛應用于交流伺服系統，集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉換器、PWM發生器、定時計數器電路、異步通訊電路、CAN總線收發器以及高速的可編程靜態RAM和大容量的程序存儲器等。

4．位置控制系統。對于不同的信號，位置控制系統所表現出的特性是不同的。典型的輸入信號有三種形式:位置輸入（位置階躍輸入）、速度輸入（斜坡輸入）以及加速度輸入（拋物線輸入）。位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉子的絕對位置，但其解碼電路復雜，價格昂貴。磁編碼器是實現數字反饋控制性價比較高的器件，還可以依靠磁極變化檢測位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。

5．接口通訊單元。接口包括鍵盤/顯示、控制I/O接口、串行通信等。伺服單元內部及對外的I/O接口電路中，有許多數字信號需要隔離。這些數字信號代表的信息不同，更新速度也不同。

三、對當前兩種不同的永磁同步電機伺服系統的分析

由于轉子磁鋼的幾何形狀不同，當轉子旋轉時，在定子上產生的反電動勢波形就有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區別由它們組成的永磁同步電動機交流調速系統，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調速系統；而由梯形波（方波）永磁同步電動機組成的調速系統，在原理和控制方法上與直流電動機系統類似，故稱這種系統為無刷直流電動機（BLDCM）調速系統。

PMSM不需要勵磁電流，在逆變器供電的情況下不需要阻尼繞組，效率和功率因素都比較高，體積也較同容量的異步機小。PMSM通常采用矢量控制和直接轉矩兩種控制方式。矢量控制借助與坐標變換，將實際的三相電流變換成等效的力矩電流分量和勵磁電流分量，以實現電機的解耦控制，控制概念明確；而直接轉矩控制技術采用定子磁場定向，借助于離散的兩點是調節，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能，其控制簡單，轉矩響應迅速。PMSM的矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的速度和位置控制，但是它的傳感器則給調速系統帶來了諸如成本較高、抗干擾性和可靠性不強、電動機的軸向尺寸較長等缺陷。另外，PMSM轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統等也不同。根據永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電機的永磁于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。這種永磁電機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。

轉貼于

BLDCM組成的伺服系統具有轉速平滑，響應快，易于控制等特點，但若按照常規的控制方法，其轉速直接與電壓相關，易受電源波動和負載波動的影響。BLDCM類似于PMSM轉子上也有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產生恒定轉矩，其主要區別是前者的反電勢為梯形波，而后者的反電勢為正弦波。但由于電磁慣性，BLDCM的定子電流實際上為梯形波，而無法產生方波電流，并由集中繞組供電，所以BLDCM較PMSM脈動力矩大。在高精度伺服驅動中，PMSM有較大競爭力。另一方面，PMSM單位電流產生的力矩較BLDCM單位電流產生的力矩小。在驅動同容量的電動機時，PMSM所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關損耗也大很多。

PMSM的交軸電抗和直軸電抗隨電機磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。PMSM對參數的變化較BLDCM敏感，但當PMSM工作于電流控制方式時，磁阻轉矩很小，其矢量控制系統對參數變化的敏感性與BLDCM基本相同。當電機轉速較高，無刷直流電機反電勢與直流母線電壓相同時，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調速范圍。

四、永磁同步電機伺服系統的國內外發展現狀

早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩態特性和直接起動性能的研究。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人對永磁同步電機的直接起動方面做了大量的研究工作。在上個世紀八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電機進行了深入的研究，其供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結構基本相同，但多數情況下無阻尼繞組。并在該時期發表了大量的有關永磁同步電機數學模型、穩態特性、動態特性的研究論文。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動機穩態特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動機穩態特性。

隨著對永磁同步電機調速系統性能要求的不斷提高，G.R.Slemon等人針對調速系統快速動態性能和高效率的要求，提出了現代永磁同步電機的設計方法。可設計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機。

近年來微型計算機技術的發展，永磁同步電動機矢量控制系統的全數字控制也取得了很大的發展。D.Naunin等研制了一種永磁同步電動機矢量控制系統，采用了十六位單片機8097作為控制計算機，實現了高精度、高動態響應的全數字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等發表了大量關于永磁同步電動機矢量控制系統全數字控制的論文。

九十年代初期，R.B.Sepe首次在轉速控制器中采用自校正控制。早期自適應控制主要應用于直流電機調速系統。劉天華等也將魯棒控制理論應用于永磁同步電機伺服驅動。自適應控制技術能夠改善控制對象和運行條件發生變化時控制系統的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應控制技術應用于永磁同步電機調速系統。仿真和實驗結果表明，自適應控制技術能夠使調速系統在電機參數發生變化時保持良好的性能。滑模變結構控制 由于其特殊的“切換”控制方式與電機調速系統中逆變器的“開關”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機控制領域有廣闊的應用前景。

隨著人工智能技術的發展，智能控制已成為現代控制領域中的一個重要分支，電氣傳動控制系統中運用智能控制技術也已成為目前電氣傳動控制的主要發展方向，并且將帶來電氣傳動技術的新紀元。目前，實現智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統（ExpertSystem）;基于模糊集合理論（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經網絡（ArtificialNeuralNetwork）的神經控制。B.K.Bose等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術在電氣傳動領域的應用，并取得了可喜的研究成果。

參考文獻

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