李 建 羅 璇 伍昕宇 歐陽(yáng)健強(qiáng)

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州341000）

0 引言

近年來(lái)稀土材料中釹鐵硼稀土永磁體發(fā)展很快，隨著稀土永磁材料、稀土永磁體研發(fā)的不斷深入，帶動(dòng)著相關(guān)行業(yè)如稀土永磁伺服電機(jī)快速發(fā)展。普通電動(dòng)機(jī)的主極磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組通以電流產(chǎn)生，而稀土永磁電機(jī)的主極磁場(chǎng)由稀土永磁體產(chǎn)生，其勵(lì)磁部分不需要電流。因此稀土永磁電機(jī)有節(jié)能、沒(méi)有勵(lì)磁損耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。在中小功率伺服系統(tǒng)中，目前稀土永磁伺服電機(jī)已經(jīng)占有主流地位。隨著永磁材料的發(fā)展，特別是高磁能積稀土永磁材料釹鐵硼的深入研究發(fā)展，稀土永磁電機(jī)功率不斷增大，極大地推動(dòng)了稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用。據(jù)分析，在今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)稀土永磁電機(jī)將處于高速發(fā)展階段。我們知道整個(gè)世界大約60%—70%的電力是用在各種電機(jī)上，再由電機(jī)轉(zhuǎn)換為其它動(dòng)能的，因此稀土永磁伺服電機(jī)發(fā)展空間是巨大的。在稀土原材料—稀土永磁體—稀土永磁伺服電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈中，稀土原材料、稀土永磁體是中初級(jí)產(chǎn)品，而稀土永磁伺服電機(jī)是高科技含量、高附加值產(chǎn)品。稀土永磁伺服電機(jī)涉及稀土永磁材料、功率半導(dǎo)體、測(cè)量、自動(dòng)控制、加工制造等技術(shù)，而稀土永磁體制造、電機(jī)繞線加工制造等相對(duì)而言是比較通用的技術(shù)。

近年來(lái)隨著稀土永磁材料的發(fā)展，稀土永磁體所能產(chǎn)生的磁能積逐步提高，因而稀土永磁電機(jī)單機(jī)容量不斷增大。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過(guò)程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。早期電氣伺服系統(tǒng)中直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件，在20世紀(jì)70年代以后，由于交流伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。交流伺服系統(tǒng)越來(lái)越成熟，市場(chǎng)呈現(xiàn)快速多元化發(fā)展，交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技術(shù)之一。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著稀土永磁材料、稀土永磁體研發(fā)的不斷深入，稀土永磁伺服電機(jī)具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高。在5KW以下交流伺服系統(tǒng)中，稀土永磁伺服電機(jī)取代交流伺服電機(jī)，已經(jīng)成為主流之選。同時(shí)，稀土永磁伺服電機(jī)符合高效節(jié)能的世界潮流，正向高精度、大功率方向發(fā)展，處于快速發(fā)展階段。

1 裝置原理

本研制的稀土永磁伺服電機(jī)，其基本的技術(shù)原理是電機(jī)采用稀土永磁體產(chǎn)生主極磁場(chǎng)，內(nèi)嵌反饋裝置精確反饋電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信號(hào)至控制器，控制器用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，軟件實(shí)現(xiàn)電流-速度-位置三環(huán)控制系統(tǒng)，在數(shù)字處理器中通過(guò)矢量變換實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值有效控制，提高電機(jī)動(dòng)態(tài)控制性能，控制智能功率模塊IPM輸出三相SPWM波至伺服電機(jī)，完成閉環(huán)控制。

電動(dòng)機(jī)的主極磁場(chǎng)可以由勵(lì)磁繞組通以電流產(chǎn)生，也可以直接由永磁體產(chǎn)生。普通電機(jī)采用在勵(lì)磁繞組通以電流的方法產(chǎn)生主極磁場(chǎng)，而稀土永磁體電機(jī)主極磁場(chǎng)則由稀土永磁體直接產(chǎn)生。由于稀土永磁體電機(jī)不需要電勵(lì)磁的主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組，不存在勵(lì)磁損耗，因而電機(jī)效率高，能耗低。稀土永磁體電機(jī)采用稀土永磁磁極后，電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，也不再需要電刷和滑環(huán)，因而電機(jī)加工裝配便利、可靠性高?？驁D1如下：

圖1 永磁伺服電機(jī)示意圖

2 總體設(shè)計(jì)

稀土永磁伺服電機(jī)包括伺服電機(jī)主體和控制器兩部份，在伺服電機(jī)主體中內(nèi)嵌反饋裝置及實(shí)時(shí)高速需求的數(shù)字處理器（DSP）。稀土永磁伺服電機(jī)涉及稀土永磁材料、絕緣材料、軸承、功率半導(dǎo)體、測(cè)量、自動(dòng)控制、加工制造等技術(shù)，其核心技術(shù)是基于永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制方法，用微芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件、軟件控制。本裝置主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包含以下幾點(diǎn)：

（1）稀土永磁伺服電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的建立；

（2）數(shù)字處理器硬件設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)處理，完成算法，控制功率元件輸出三相SPWM波至伺服電機(jī)；

（3）功率元件及外圍電路設(shè)計(jì)，采用智能功率模塊IPM，并實(shí)現(xiàn)各類保護(hù)及人機(jī)界面；

（4）電流-速度-位置三環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及三環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，并采用數(shù)字處理器DSP全數(shù)字化軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高性能、靈活控制；

（5）稀土永磁伺服電機(jī)矢量變換控制，通過(guò)矢量變換實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值有效控制，從而獲得稀土永磁伺服電機(jī)理想的動(dòng)態(tài)性能；

（6）位置檢測(cè)部件及信號(hào)處理電路，采用編碼器嵌入伺服電機(jī)主體反饋位置信號(hào)，經(jīng)處理同時(shí)得到速度信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制；

（7）隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析和動(dòng)態(tài)校正，利用系統(tǒng)數(shù)字描述，確定校正裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)具有給定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本裝置在研制過(guò)程中解決了以下兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)：

（1）稀土永磁伺服電機(jī)矢量變換控制方法;

（2）電流-速度-位置三環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件；

本裝置從0～3600轉(zhuǎn)響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)0.12秒，剎車時(shí)間從3600轉(zhuǎn)到0轉(zhuǎn)不超過(guò)0.14秒，伺服電機(jī)誤差不超過(guò)1度,穩(wěn)定可靠，無(wú)抖動(dòng)，而且相對(duì)電勵(lì)磁伺服電機(jī)節(jié)能5%以上，同時(shí)伺服電機(jī)沒(méi)有明顯的電流聲和電磁聲，編碼盤具有抗灰塵、抗干擾能力極強(qiáng)，功能上帶有無(wú)極調(diào)速和人機(jī)界面，可按要求調(diào)整參數(shù)。

4 結(jié)論

國(guó)內(nèi)交流伺服的市場(chǎng)規(guī)模2008年估計(jì)在25億人民幣左右，市場(chǎng)規(guī)模近3年一直保持了大于25%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，在所有自動(dòng)化產(chǎn)品中當(dāng)屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國(guó)轉(zhuǎn)移，稀土永磁伺服電機(jī)的市場(chǎng)會(huì)繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，預(yù)計(jì)從2009到2015年，年平均增長(zhǎng)率會(huì)維持在20%以上，并且今后幾十年都將是朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，具有較大的規(guī)模。稀土永磁伺服電機(jī)是高新技術(shù)及高附加值產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)稀土資源豐富，稀土永磁體發(fā)展很快。

由于稀土永磁伺服電機(jī)高效節(jié)能，符合世界潮流與趨勢(shì)，同時(shí)具有加工、裝配簡(jiǎn)便，可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，易于推廣，市場(chǎng)前景十分廣闊。

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