永磁無刷電動(dòng)機(jī)

1) 設(shè)計(jì)手段不斷完善

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)的不斷完善，形成了以電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、等效磁路解析求解、場(chǎng)路結(jié)合求解等一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助分析的設(shè)計(jì)軟件。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各種類型的電機(jī)設(shè)計(jì)軟件，以方便快捷地完成從電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)計(jì)算、損耗計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)、噪聲抑制、特性分析等。針對(duì)無刷電機(jī)特點(diǎn)，提供多種轉(zhuǎn)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(jì)算分析著名的Infolytica公司，推出了專門針對(duì)永磁無刷電機(jī)的Motorsolve設(shè)計(jì)軟件。

這些軟件除了對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，還可對(duì)電機(jī)在槽形、繞組、材料等設(shè)計(jì)變量改變情況下多方案比較分析、電磁場(chǎng)精確計(jì)算和電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并包括控制電路、控制算法在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)流程，既可以提供任意時(shí)刻電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，又能對(duì)電機(jī)工作時(shí)所關(guān)心的各類運(yùn)行曲線，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率、效率等提供結(jié)果，同時(shí)還能提供齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)等詳細(xì)指標(biāo)參數(shù)，并可完成電機(jī)的各類正常工況和故障工況的仿真實(shí)驗(yàn)，包括起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、突加突減負(fù)載、突然短路等等。

2)分?jǐn)?shù)槽技術(shù)應(yīng)用日益增多?

分?jǐn)?shù)槽繞組技術(shù)在永磁無刷電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用已逐漸增多。如在電動(dòng)自行車電機(jī)中采用三相、40極、36槽;Collmorgen公司Goldline系列交流伺服電機(jī)采用4極、18槽，6極、24槽等;松下伺服電機(jī)采用6極、9槽，8極、12槽等每極每相槽數(shù)q=1/2的分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)。

對(duì)于多極的無刷電動(dòng)機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽繞組，可以較少的定子槽數(shù)達(dá)到多槽能達(dá)到的效果。采用分?jǐn)?shù)槽繞組有以下優(yōu)點(diǎn):

a)電機(jī)電樞槽數(shù)大為減少，有利于槽利用率的提高;

b)較少數(shù)目的元件數(shù)，可簡(jiǎn)化嵌線工藝和接線，有助于降低成本;

c)有可能得到線圈節(jié)距y=1的設(shè)計(jì)(集中繞組)，便于采用自動(dòng)繞線機(jī)繞制，提高工效;同時(shí)各個(gè)線圈端部沒有重疊，不必設(shè)相間絕緣;

d)線圈周長(zhǎng)和繞組端部縮短，電動(dòng)機(jī)繞組電阻減小，銅損隨之也減低，提高了電動(dòng)機(jī)的性能。采用分?jǐn)?shù)槽繞組的磁動(dòng)勢(shì)諧波遠(yuǎn)大于整數(shù)槽繞組，如圖10所示。

3)無槽、無鐵心結(jié)構(gòu)電機(jī)

無鐵心無刷電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)是采用新材料、新工藝的結(jié)果。電樞采用耐熱性能優(yōu)越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)帶來的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，具有優(yōu)異的控制性能;運(yùn)行效率高、溫升低、轉(zhuǎn)速范圍廣;電機(jī)的電樞中無齒槽且采用全塑封結(jié)構(gòu)，負(fù)載動(dòng)行時(shí)，噪聲及振動(dòng)都很低。

無鐵心無刷電機(jī)可采用軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)電樞繞組徑向按一定規(guī)律分布，在專用模具中固化成形，電樞兩側(cè)均為盤狀轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)子磁體為軸向磁化，兩側(cè)轉(zhuǎn)子可同時(shí)布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可一側(cè)布置永磁體磁極而另一側(cè)布置轉(zhuǎn)子磁軛，成單勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)電機(jī)的電樞繞組軸向按一定規(guī)律分布成筒狀，其電樞內(nèi)、外圓處均為筒狀轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)子磁極為徑向磁化，內(nèi)、外圓可同時(shí)布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可在其中一個(gè)圓周上布置永磁體磁極，而另一圓周上只布置轉(zhuǎn)子磁軛，成單勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)均可根據(jù)要求制造成內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖11為徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的無鐵心無刷電動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)。

典型盤式無刷電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子均為圓盤形，采用軸向氣隙磁場(chǎng)，可做成有鐵心和無鐵心兩種結(jié)構(gòu)，定子繞組呈徑向分布。

無槽結(jié)構(gòu)無刷電動(dòng)機(jī)消除了齒槽效應(yīng)，具有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為很有發(fā)展前景的無刷電動(dòng)機(jī)。

小直徑的電動(dòng)機(jī)，無槽結(jié)構(gòu)能獲得比有槽結(jié)構(gòu)更大的轉(zhuǎn)矩指標(biāo);在特殊條件下，例如要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率相對(duì)不大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的體積限制不嚴(yán)，而對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制要求很高的情況下，采取無槽結(jié)構(gòu)會(huì)獲得好的效果。

國(guó)內(nèi)無槽無刷電動(dòng)機(jī)已有系列產(chǎn)品，功率范圍至30 kW，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20 000 r/min。

4)工藝不斷革新

在電機(jī)制造方面，通過對(duì)傳統(tǒng)工藝的不斷革新，出現(xiàn)了分割型定子鐵心結(jié)構(gòu)和連續(xù)繞線工藝方法。采用多極集中繞組，減少繞組端部長(zhǎng)度，以適應(yīng)生產(chǎn)自動(dòng)化，使產(chǎn)品向低成本、低價(jià)格方向發(fā)展。同時(shí)出現(xiàn)了適應(yīng)不同性能參數(shù)永磁材料的瓦型、環(huán)型表面粘接結(jié)構(gòu)和各種不同設(shè)計(jì)嵌入式磁體結(jié)構(gòu)等新的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。?

對(duì)于節(jié)距y=1分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)，用專用繞線機(jī)直接繞制定子線圈，對(duì)于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)比較方便，但對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)，特別是定子內(nèi)徑小的小功率電機(jī)，就要困難得多了。為此，分割型定子鐵心結(jié)構(gòu)的構(gòu)思提出來了。圖12所示為一種新型定子鐵心結(jié)構(gòu)，把定子鐵心每齒分割開來，可以在鐵心展開的狀態(tài)下繞制線圈，以便隨時(shí)調(diào)整線圈，實(shí)現(xiàn)規(guī)則繞制。繞圈繞制完成后，再把全部磁極對(duì)接成圓，形成一個(gè)完整的定子。這時(shí)，電樞槽的利用率可達(dá)85%以上。

永磁無刷電動(dòng)機(jī)可以看做是一臺(tái)用電子換向裝置取代機(jī)械換向的直流電動(dòng)機(jī)，如圖1 所示，永磁 直流無刷電動(dòng)機(jī)主要由永磁電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向電路組成。無論是結(jié)構(gòu)或控制方式，永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)都有很多相似之處:用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極;用具有多相繞組的定子取代電樞;用由固態(tài)逆變器和軸位置檢測(cè)器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷。

電動(dòng)機(jī)本體和永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)相似，轉(zhuǎn)子采用永磁磁鐵，目前多使用稀土永磁材料，但沒有籠式繞組和其他啟動(dòng)裝置。其定子繞組采用交流繞組行駛，一般支撐多相(三相、四相或五相)，轉(zhuǎn)子由永磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2P=2,4,6…)組成。設(shè)計(jì)中要求在定子繞組中獲得頂寬為120°的梯形波，因此繞組行駛往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保留磁密中的其他諧波。有刷直流電動(dòng)機(jī)是依靠機(jī)械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換位近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動(dòng)機(jī)是依靠電子換向器將方波電流按一定的相序逐次輸入到定子的各相電樞繞組中。當(dāng)無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的某相通電時(shí)，該相電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鐵位置變換成電信號(hào)去控制電子開關(guān)線路，從而使定子的各項(xiàng)繞組按一定的次序?qū)?，使定子的相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按正確的次序換相。這樣才能讓電子磁場(chǎng)隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不斷地變化、產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)始終保持90°左右的空間角，用最大轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，起到機(jī)械換向器的換向作用，保證了電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中定子與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)始終保持基本垂直，以提高運(yùn)行效率。所以無刷直流電動(dòng)機(jī)就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以人為是一臺(tái)由電子開關(guān)換相電流、永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的"自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)"，它在運(yùn)行過程中不會(huì)失步。永磁無刷電動(dòng)機(jī)BLDCM 的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)既有傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，又有今年來出現(xiàn)的額盤式結(jié)構(gòu)、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和線性結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)形式，伴隨著新型永磁材料的實(shí)用化，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)越來越多樣化，使電動(dòng)汽車電機(jī)永磁無刷電動(dòng)機(jī)BLDCM 正朝著高出力、高精度、微型化合耐環(huán)境等多種用途發(fā)展。

轉(zhuǎn)子位置傳感器有光電式、磁敏式和電磁式三種類型。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇發(fā)出脈沖信號(hào)。

磁敏式位置傳感器是指它的某些點(diǎn)闡述隨周圍磁場(chǎng)按一定規(guī)律變化的半導(dǎo)體敏感元件，其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。磁敏元件的主要工作原理是電流的磁效應(yīng)，主要是霍爾效應(yīng)。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其磁敏傳感器件(如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐?裝載定子組件上，用來檢測(cè)永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，是在定子組件上安裝電磁傳感器部件，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器長(zhǎng)生高頻調(diào)制信號(hào)(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化)。

幾年來還出現(xiàn)了無位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，磁中電動(dòng)機(jī)利用定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)作為轉(zhuǎn)子磁鐵的位置信號(hào)，該信號(hào)檢出后，經(jīng)數(shù)字電路處理，送給邏輯開關(guān)電路去控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的換向。由于它省去了位置傳感器，使無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，所以應(yīng)用日趨廣泛。

電子換向電路由功率變換電路和控制電路兩大部分組成，它與位置傳感器相配合，控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組的通電順序和時(shí)間，起到與機(jī)械換向類似的作用。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，功率變換器接受控制電路的控制信息，使系統(tǒng)工作電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。逆變器將直流電流轉(zhuǎn)換成交流電流向電動(dòng)機(jī)供電，與一般逆變器不同，它輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)"自控式逆變器"。永磁無刷電動(dòng)機(jī)BLDCM 由于采用自控式逆變器，電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電動(dòng)機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是永磁無刷電動(dòng)機(jī)BLDCM 的顯著優(yōu)點(diǎn)之一。

電動(dòng)汽車電機(jī)電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號(hào)，但位置所產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來驅(qū)動(dòng)功率變換器的功率開關(guān)元件，往往需要經(jīng)過控制電路進(jìn)行邏輯處理、隔離放大后才能驅(qū)動(dòng)功率變換器的開關(guān)元件，往往需要經(jīng)過控制電路進(jìn)行邏輯處理、隔離方法后才能驅(qū)動(dòng)功率變換器的開關(guān)元件。驅(qū)動(dòng)空盒子電路的作用是將位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理，按一定的邏輯代碼輸出，去觸發(fā)功率開關(guān)管。

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)主要有永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、直流電壓、逆變器、位置傳感器和控制器幾部分組成，采用"三相六拍-120°方波型"驅(qū)動(dòng)。如圖所示5.21所示。

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)通過逆變器功率管按一定的規(guī)律導(dǎo)通、關(guān)斷，使電動(dòng)機(jī)定子電樞產(chǎn)生按60°電角度不斷前進(jìn)的磁勢(shì)，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。分析如圖5.21所示。圖a是理想條件下的電樞各相反電勢(shì)和電流，每個(gè)功率管導(dǎo)通120°電角度，互差60°電角度，當(dāng)功率管V3和V4導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)的V和-U(電流流進(jìn)繞組方向?yàn)檎?相通(參考圖1)。定子電樞合成磁勢(shì)為圖b所示的Fa5;若功率管V3關(guān)斷，功率管V5導(dǎo)通，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的W相和-U相通電，電樞合成磁勢(shì)變?yōu)镕a5，F(xiàn)a5 比Fa4順時(shí)針前進(jìn)了60°電角度。由此可知，定子電樞產(chǎn)生的磁勢(shì)將隨著功率管有規(guī)律地不斷導(dǎo)通和關(guān)斷，并按60°電角度不斷地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。逆變器功率管共有六種出發(fā)組合狀態(tài)，每種出發(fā)組合狀態(tài)只有與確定的轉(zhuǎn)子位置或發(fā)電動(dòng)機(jī)波形相對(duì)應(yīng)，才能產(chǎn)生最大的平均電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)兩個(gè)磁勢(shì)向量的夾角為90°是，相互作用力最大。而電子電樞產(chǎn)生的磁勢(shì)是以60°電角度在前進(jìn)，因此在每種出發(fā)模式下，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與定子磁勢(shì)的夾角在 60°~120°范圍變化才能產(chǎn)生最大的平均電磁轉(zhuǎn)矩。如圖c所示，假如在t1時(shí)刻，轉(zhuǎn)子的此時(shí)Fj處于線圈U、X平面內(nèi)，且使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)應(yīng)該導(dǎo)通功率管V5和V4，使定子的合成磁勢(shì)為Fa5與Fj的夾角成120°。轉(zhuǎn)子在Fa5與Fj相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，到t3時(shí)刻Fa5與Fj的夾角成60°，此時(shí)關(guān)斷功率管V4，導(dǎo)通功率管V6，定子合成磁勢(shì)為Fa6，與Fj的夾角成120°，兩者產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。

永磁無刷電動(dòng)機(jī)控制理論的發(fā)展

交流電動(dòng)機(jī)最初的運(yùn)行方式是不受控運(yùn)行。其控制功能僅限于接通和關(guān)斷以及某些情況下的輔助起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。為了滿足一些調(diào)速傳動(dòng)的需要，產(chǎn)生了一些性能較差的控制:如鼠籠異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速、繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線式異步電動(dòng)機(jī)串極調(diào)速、鼠籠異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速(VVVF)、變極調(diào)速和同步電機(jī)變壓變頻調(diào)速。在以上調(diào)速方法中，除變壓變頻調(diào)速外，一般為開環(huán)控制，不需變頻器，設(shè)備簡(jiǎn)單，但效率低，性能差。鼠籠異步電動(dòng)機(jī)基于恒壓頻比控制而構(gòu)成的轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)控制，性能相對(duì)較好，但由于它們都是基于穩(wěn)態(tài)模型，動(dòng)態(tài)性能較差，一般只用于水泵、風(fēng)機(jī)等動(dòng)態(tài)性能要求較低的節(jié)能調(diào)速和一般調(diào)速場(chǎng)合。

1971年由德國(guó)學(xué)者Blaschke提出的矢量控制理論使交流電機(jī)控制由外部宏觀穩(wěn)態(tài)控制深入到電機(jī)內(nèi)部電磁過程的瞬態(tài)控制。永磁同步電機(jī)的控制性能由此發(fā)生了質(zhì)的飛躍。矢量控制最本質(zhì)的特征是通過坐標(biāo)變換將交流電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜耦合的非線性變量變換為相對(duì)坐標(biāo)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(biāo)的最佳控制策略。

1985年，Depenbrock教授提出異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。該方法在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在近似圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的條件下強(qiáng)調(diào)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，省掉了矢量坐標(biāo)變換等復(fù)雜的計(jì)算。其磁場(chǎng)定向應(yīng)用的是定子磁鏈，只需知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來，相對(duì)矢量控制更不易受電機(jī)參數(shù)變化的影響。近年來，直接轉(zhuǎn)矩控制方式被移植到永磁同步電機(jī)的控制中，其控制規(guī)律和關(guān)鍵技術(shù)正逐漸被人們了解、掌握。直接轉(zhuǎn)矩控制在全數(shù)字化、大轉(zhuǎn)矩、快速響應(yīng)的交流伺服系統(tǒng)中有廣闊應(yīng)用前景。

交流電機(jī)是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性、多變量系統(tǒng):非線性控制通過非線性狀態(tài)反饋和非線性變換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦和全局線性化，將非線性、多變量、強(qiáng)耦合的交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)分解為兩個(gè)獨(dú)立的線性單變量系統(tǒng)。其中轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成。兩個(gè)子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)按線性控制理論分別設(shè)計(jì)，以使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。

但是，非線性系統(tǒng)反饋線性化的基礎(chǔ)是已知參數(shù)的電動(dòng)機(jī)模型和系統(tǒng)的精確測(cè)量或觀測(cè)，而電機(jī)在運(yùn)行中，參數(shù)受各個(gè)因素的影響會(huì)發(fā)生變化，磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性也很難論證，這些都會(huì)影響系統(tǒng)的魯棒性，甚至造成系統(tǒng)性能惡化。目前這種控制方法仍有待進(jìn)一步完善。

自適應(yīng)控制能在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善，是克服參數(shù)變化影響的有力手段。應(yīng)用于永磁交流電機(jī)控制的自適應(yīng)方法有模型參考自適應(yīng)、參數(shù)辨識(shí)自校正控制以及新發(fā)展的各種非線性自適應(yīng)控制。但所有這些方法都存在的問題是:①數(shù)學(xué)模型和運(yùn)算繁瑣，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化;②辨識(shí)和校正都需要一個(gè)過程，所以對(duì)一些參數(shù)變化較快的系統(tǒng)，就會(huì)因來不及校正而難以產(chǎn)生很好的效果。

滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制的一種控制策略，它與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)"結(jié)構(gòu)"隨時(shí)變化的開關(guān)特性。其主要特點(diǎn)是，根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導(dǎo)數(shù)，有目地的使系統(tǒng)沿設(shè)計(jì)好的"滑動(dòng)模態(tài)"軌跡運(yùn)動(dòng)。這種滑動(dòng)模態(tài)是可以設(shè)計(jì)的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動(dòng)無關(guān)，因而使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。另外，滑模變結(jié)構(gòu)控制不需要任何在線辨識(shí)，所以很容易實(shí)現(xiàn)。在過去10多年里，將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于交流傳動(dòng)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，并已取得了一些有效的結(jié)果。但滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上的不連續(xù)開關(guān)特性使系統(tǒng)存在"抖振"問題。主要原因是:①對(duì)于實(shí)際的滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其控制力總是受到限制的，從而使系統(tǒng)的加速度有限;②系統(tǒng)的慣性、切換開關(guān)的時(shí)間空間滯后及狀態(tài)檢測(cè)的誤差，特別對(duì)于計(jì)算機(jī)的采樣系統(tǒng)，當(dāng)采樣時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，形成"準(zhǔn)滑模"等。所以，在實(shí)際系統(tǒng)中"抖振"必定存在且無法消除，這就限制了它的應(yīng)用。

電動(dòng)機(jī)類型的選擇對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)以及航行器整體性能有較大影響，需要對(duì)不同電動(dòng)機(jī)及其控制方式進(jìn)行比較和分析。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的中小功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)四類。由這四類電動(dòng)機(jī)所組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其總體比較如表所示。

直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)并有優(yōu)良電磁轉(zhuǎn)矩控制的特性，所以直到 20世紀(jì)80年代中期它仍是國(guó)內(nèi)外的主要研發(fā)對(duì)象，目前直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還在廣泛的應(yīng)用。但是普通直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生電火花，不宜在多塵、潮濕、易燃易爆環(huán)境中使用，其換向器維護(hù)困難，很難向大容量、高速度發(fā)展。此外，電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對(duì)高度電子化的水下航行器來說將是致命的。此外，直流電動(dòng)機(jī)價(jià)格較高、體積和重量大。隨著控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，己處于劣勢(shì)。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，廠礦企業(yè)，交通工具，娛樂，科研農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，日常生活都離不開感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。常見的有鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，繞線式異步電動(dòng)機(jī)和各種控制用電動(dòng)機(jī)三大類。一般的感應(yīng)電機(jī)有啟動(dòng)力矩小、過載能力低、體積大、效率低、調(diào)速不理想等缺點(diǎn)，在要求較高的場(chǎng)合下，往往不能滿足要求。

永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類，一類是方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(BDCM)，另一類是永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(PMSM)，也稱之為正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。BDCM系統(tǒng)不需要絕對(duì)位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)波形換相。PMSM系統(tǒng)一般需要絕對(duì)式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器。從磁鐵所處不同位置的結(jié)構(gòu)上看，永磁無刷電動(dòng)機(jī)可以分成表面型、鑲嵌型、深埋式等結(jié)構(gòu)型式。

開關(guān)磁 阻電動(dòng)機(jī)(SRM)目前己投入實(shí)際使用，SRM是沒有任何形式的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和永久磁鐵的無刷電動(dòng)機(jī)，它的定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極都是凸的。由于SRM具有集中的定子繞組和脈沖電流，其功率變換器可以采用更可靠的電路拓?fù)湫问?。SRM具有簡(jiǎn)單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、可四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但SRM有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測(cè)器、系統(tǒng)非線性特性等缺點(diǎn)。所以，目前應(yīng)用還受到限制。

可以看到，相對(duì)而言無刷直流電機(jī)結(jié)合了直流電機(jī)與交流同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有體積小，壽命長(zhǎng)，控制簡(jiǎn)單，調(diào)速精度高的特點(diǎn)，且不會(huì)失步?？紤]到集成電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)使用的特種電機(jī)在結(jié)構(gòu)上受到了很大限制，并且推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)調(diào)速性能的要求，集成電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)使用永磁直流無刷電機(jī)是比較適合的。

無刷直流電動(dòng)機(jī)可分為正弦波電機(jī)和方波電機(jī)，正弦波電機(jī)的磁通分布為正弦波形式。方波電機(jī)的磁通分布為120。的平頂方波，瓦片永磁體的充磁方向?yàn)閺较蚣ご?，極弧寬度大于120'電角度，若采用整距集中繞組，可獲得梯形反電勢(shì)，電樞電流為矩形波。推進(jìn)系統(tǒng)中選用了方波電機(jī)，它與正弦波電機(jī)相比，具有電機(jī)與電力電子控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、在同樣的情況下材料利用率高，出力大、控制方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。