郭有權(quán)，司紀凱，劉群坡，李應(yīng)生，曹文平

(1.河南理工大學(xué)，焦作 454003；2.鄭州潤華智能設(shè)備有限公司，鄭州 450001；3.阿斯頓大學(xué),伯明翰 B47ET,UK)

0 引 言

近來年，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型與升級，機器人技術(shù)被看作是未來高技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一，已經(jīng)引起了科學(xué)界與學(xué)術(shù)界的高度重視[1]。直驅(qū)永磁電機用作機器人的動力源，具有極大地應(yīng)用潛力，也成為了近年來研究的熱點之一。為了彌補傳統(tǒng)機器人因減速器而存在傳動間隙大、齒輪磨損、維護頻繁、機械噪聲和效率低下等缺陷，研究人員提出了具有效率高、損耗低控制精度高和安裝維護方便等優(yōu)勢的機器人用直驅(qū)永磁電機，優(yōu)化了傳動系統(tǒng)，顯著提升了機器人的系統(tǒng)性能。

直驅(qū)永磁電機直接驅(qū)動負載,提高了機器人工作效率等性能，但也有新問題隨之產(chǎn)生。機器人驅(qū)動系統(tǒng)中的各種擾動直接作用到電機上，直驅(qū)永磁電機對轉(zhuǎn)矩波動、電機參數(shù)和負載轉(zhuǎn)矩變化的敏感性增強，從而影響傳動和定位的準確性。對于系統(tǒng)控制，機器人運行系統(tǒng)中的不利因素將直接作用到負載上，系統(tǒng)控制變得更加困難，還可能出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。低速時，直驅(qū)永磁電機作用在機器人負載上的不利影響將被放大，顯得尤為突出，比如磁阻效應(yīng)、齒槽效應(yīng)、高次諧波脈動等[2]。針對上述問題，如何提高機器人用直驅(qū)永磁電機的性能，國內(nèi)外學(xué)者對此做出了大量的研究工作。在直驅(qū)永磁電機的設(shè)計中，為了獲得低速大轉(zhuǎn)矩等特性，電機必須采用粗短的電樞結(jié)構(gòu)和多極化；在電機性能優(yōu)化上，采用分數(shù)槽繞組、極/槽數(shù)配合、斜極和斜槽等方法減小磁動勢諧波含量、電機振動、齒槽轉(zhuǎn)矩和徑向力的脈動；在直驅(qū)永磁電機磁場解析上，主要有等效磁路法、磁網(wǎng)絡(luò)法、解析法和數(shù)值解析法，以及由電磁場解析法衍生出的方法；在控制方面上，提出矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和智能控制等控制技術(shù)。

文獻[3]分析了機器人結(jié)構(gòu)模型，得到直驅(qū)式永磁電機的輸入?yún)?shù)；對比西門子電機的技術(shù)指標和外形尺寸，采用場路結(jié)合法對電機進行磁路設(shè)計分析，不斷地優(yōu)化永磁體形狀和減小齒槽轉(zhuǎn)矩，提高直驅(qū)永磁電機的性能。文獻[4]針對電機使用的特殊環(huán)境，設(shè)計了一種直驅(qū)低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電機，采用有限元法對電機進行仿真和優(yōu)化，驗證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠顯著提高驅(qū)動系統(tǒng)的整體性能。文獻[5]為了準確評估滑槽效應(yīng)，提出了一種用于計算直驅(qū)式永磁電機氣隙磁密的半分析法，經(jīng)過不斷實驗，驗證了這種方法的準確性和可靠性。文獻[2] 基于機器人直接驅(qū)動方式的特點，分析了永磁同步直驅(qū)電機的控制技術(shù)，利用MRACS與模糊算法相結(jié)合的控制技術(shù)進行仿真，驗證各種算法的準確性。文獻[6]對比分析了交流異步減速電機和直驅(qū)永磁電機在復(fù)雜工況、負載變化情況下的運行情況以及性能，驗證了直驅(qū)永磁電機在實際應(yīng)用中具有的優(yōu)良性能。文獻[7]介紹了機器人用直驅(qū)永磁電機的伺服控制、混沌控制和弱磁調(diào)速控制等控制技術(shù)。

本文參考并總結(jié)了近年來國內(nèi)外研究學(xué)者在機器人用直驅(qū)永磁電機方面所做的研究，從電機的磁路方面，分析了目前機器人用直驅(qū)永磁電機的結(jié)構(gòu)類型；從電機設(shè)計優(yōu)化、磁路計算及優(yōu)化、應(yīng)用領(lǐng)域和控制方式等方面總結(jié)了目前的相關(guān)研究現(xiàn)狀；討論了機器人用直驅(qū)永磁電機未來的研究發(fā)展方向。

1 直驅(qū)永磁電機結(jié)構(gòu)類型

隨著電力電子、計算機控制和機電一體化等技術(shù)的不斷發(fā)展進步，各種直驅(qū)永磁電機被廣泛地應(yīng)用于機器人。下面按照機器人用直驅(qū)永磁電機磁通方向，介紹了其結(jié)構(gòu)、工作原理和研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點。

1.1 徑向磁通永磁電機

徑向磁通永磁電機是由永磁體產(chǎn)生的磁場沿徑向穿過氣隙、定子和轉(zhuǎn)子形成閉合回路而定義的，也是目前市場上最多、最常見的永磁電機類型。徑向磁通永磁電機以其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、制造方便以及少漏磁的優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

徑向磁通永磁電機的研究已經(jīng)相當成熟，其定子結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，主要有轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)側(cè)的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子位于定子外側(cè)的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是最傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型，如圖1(a)所示，該結(jié)構(gòu)具有體積小、通風(fēng)效果良好和溫升低等性能；外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有永磁體安裝方便、轉(zhuǎn)子可靠性高等優(yōu)點，但其轉(zhuǎn)動慣量大、通風(fēng)效果不佳，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

近年來，研究學(xué)者提出了一種新型徑向磁通永磁電機，通過Halbach陣列使磁通量集中來提高電機的性能；實驗證明鐵磁轉(zhuǎn)子磁軛能夠增大轉(zhuǎn)矩，而非磁轉(zhuǎn)子磁軛能夠提高功率因數(shù)[8]。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

新型徑向磁通永磁電機定子有20個電樞齒，每個電樞齒含有兩個通量調(diào)制極；采用分數(shù)槽單層集中繞組實現(xiàn)各相之間電、磁和熱等物理量的隔離，顯著地減小端部繞組的長度和銅耗；外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)增大了電機的轉(zhuǎn)矩密度，提高了定子的空間利用率。

(a) 內(nèi)轉(zhuǎn)子

(b) 外轉(zhuǎn)子

圖2 新型徑向磁通永磁電機結(jié)構(gòu)

為了進一步提高電機的轉(zhuǎn)矩密度和結(jié)構(gòu)緊湊程度，徑向磁通永磁電機采用多轉(zhuǎn)子或多定子復(fù)合結(jié)構(gòu)[9]。雙定子永磁電機減少齒體寬度來固定繞組，采用將磁體形狀制成為具有平行磁化方向的矩形、轉(zhuǎn)子靴固定永磁體和制造轉(zhuǎn)子孔等方法來固定轉(zhuǎn)子支撐件以及組合轉(zhuǎn)子心和永磁體；永磁體懸突的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也是其獨特創(chuàng)新之處，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙定子徑向磁通永磁電機結(jié)構(gòu)

英國Cytec公司研制的TK系列無框架式徑向電機具有良好的性能，但仍存在徑向結(jié)構(gòu)的固有限制，即電磁競爭關(guān)系沒有得到有效解決，功率密度低，價格高等。它與普通徑向電機參數(shù)的比較如表1所示。

表1 Cytec徑向電機與普通徑向電機的參數(shù)比較

徑向磁通永磁電機是最常規(guī)、最普通的永磁電機形式，其結(jié)構(gòu)簡單，漏磁小等優(yōu)勢非常有利于機器人的裝配，并且維護方便；但是存在體積大、軸向長度大等不足，不利于機器人的微型化發(fā)展。

1.2 軸向磁通永磁電機

軸向磁通永磁電機在過去30年一直都是全球范圍內(nèi)的重要研究工作主題，發(fā)展至今，技術(shù)已經(jīng)相當成熟。與徑向磁通永磁電機相比，軸向磁通永磁電機整體呈盤狀，軸向長度短，故又稱盤式電機。軸向磁通永磁電機有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、軸向長度短、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和質(zhì)量輕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、輪船、風(fēng)力發(fā)電以及機器人等領(lǐng)域。

軸向磁通永磁電機的定轉(zhuǎn)子對稱放置，并呈圓盤形；對稱排列的定轉(zhuǎn)子使其具有良好的散熱性和高功率密度。軸向磁通永磁電機的結(jié)構(gòu)類型有單定子-單轉(zhuǎn)子、雙定子-單轉(zhuǎn)子、單定子-雙轉(zhuǎn)子和多級結(jié)構(gòu)4種類型[10]，依次如圖4所示。

(a) 單定子-單轉(zhuǎn)子

(b) 雙定子-單轉(zhuǎn)子

(c) 單定子-雙轉(zhuǎn)子

(d) 多級結(jié)構(gòu)

上述4種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于產(chǎn)生力矩的能力，也為軸向磁通永磁電機在不同場合的應(yīng)用提供了更多的選擇。研究結(jié)果表明，在電機的基本參數(shù)確定的情況下，轉(zhuǎn)矩隨著級數(shù)的增加而增大，多級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩最大，雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)次之，單定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最小；結(jié)構(gòu)難度隨著轉(zhuǎn)矩變大而增加。因此結(jié)構(gòu)的選擇要根據(jù)具體情況而定，做到既符合要求又節(jié)約資源。

近年來，研究人員提出了一種新型的多級軸向磁通永磁電機拓撲結(jié)構(gòu)。這種新型多級永磁電機采用開槽磁鋼拓撲結(jié)構(gòu)、電樞分段(YASA)、無軛定子、橢圓形定子齒和柔性電源電路等方法實現(xiàn)模塊化；電樞結(jié)構(gòu)是NN圓環(huán)的卷繞結(jié)構(gòu)與拓撲NS圓環(huán)的短定子軛結(jié)構(gòu)結(jié)合而來的。以兩級的2kW,1 000 r/min的10極12槽的MM-AFPM為例，其參數(shù)如表2所示[11]，其結(jié)構(gòu)與磁路如圖5所示。

表2 MM-AFPM參數(shù)

MM-AFPM由2個分段的無軛定子和在3個轉(zhuǎn)子上的4個PM層組成，如圖5(a)所示；圖5(b)顯示了MM-AFPM的基本通量路徑。

軸向磁通永磁電機具有結(jié)構(gòu)多樣，力矩密度大，低速運行平穩(wěn)等優(yōu)勢，使得機器人的直驅(qū)方式特性得

(a) 結(jié)構(gòu)3D模型

(b)基本磁路

到了更好的發(fā)揮。但該電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，不便于安裝與維護；作為機器人動力源還處于實驗研究階段，仍有漏磁大以及轉(zhuǎn)矩脈動大等問題需要解決。

1.3 橫向磁通永磁電機

為了克服傳統(tǒng)永磁電機增加磁通量和電流密度乘積相制約的矛盾，獲得更大的轉(zhuǎn)矩密度。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者在理論和實踐等方面做出了大量的研究和探索，也取得了較大的成果。德國HerbertWeh教授于20世紀80年代初期提出的橫向磁通永磁電機(以下簡稱TFPM)是最具代表性的[12]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 橫向磁通永磁電機結(jié)構(gòu)

TFPM的結(jié)構(gòu)克服了普通電機電樞線圈和定子槽在空間上相互制約的困難，形成相互垂直的結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)能夠使主磁路與繞組結(jié)構(gòu)相互獨立，定子尺寸設(shè)計不受繞組結(jié)構(gòu)的限制。電機的設(shè)計方便靈活，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場能夠解耦，獲得更高的電磁氣隙力密度和良好的運行特性。與傳統(tǒng)電機相比，TFPM能提高電機的穩(wěn)定性和可靠性等特性。磁路的空間性既是TFPM的優(yōu)勢，也是制約其進一步推廣的因素。

針對如何改善TFPM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及加工難度，研究學(xué)者提出了一種新型組合式TFPM。四相組合式的多極結(jié)構(gòu)TFPM是由多模塊組合而成，每相模塊采用組合式定子來降低加工難度和采用聚磁式轉(zhuǎn)子來提高氣隙磁通以及使用集中式環(huán)形電樞繞組降低繞制難度[13]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 四相組合式的多極結(jié)構(gòu)TFPM

為了避免磁路中長路徑的出現(xiàn)，相鄰兩相以相同磁鋼極數(shù)順序排列使轉(zhuǎn)子磁鋼位置對齊，定子相互錯開一個極距，使相鄰兩相間形成磁通短路徑。每相均為雙氣隙結(jié)構(gòu)，提高了氣隙磁通密度，得到更大的輸出轉(zhuǎn)矩。電機的整體是由多相模塊化構(gòu)成，相互之間互不干擾，提高了電機整體的容錯性。

與外轉(zhuǎn)子永磁爪極電機不同，新型外轉(zhuǎn)子橫向磁通永磁爪極電機的轉(zhuǎn)子由一個內(nèi)表面內(nèi)置永磁體的非導(dǎo)磁圓筒構(gòu)成，2個法蘭盤較短的爪極相對裝配[14]，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(a) 內(nèi)定子結(jié)構(gòu)

(b)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

新型外轉(zhuǎn)子橫向磁通永磁爪極電機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、高槽滿率、轉(zhuǎn)矩密度大和易實現(xiàn)多極化等優(yōu)勢，使其被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域；在風(fēng)力發(fā)電、調(diào)速和伺服以及機器人等領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景。但是這種結(jié)構(gòu)并不完善，仍有許多問題尚未解決，處于探索階段，比如功率因數(shù)較低，需要較高的驅(qū)動變換器功率等級等問題。

2 直驅(qū)永磁電機設(shè)計分析方法

機器人用直驅(qū)永磁電機需要根據(jù)實際的工況來設(shè)計，因此合理的磁路分析方法對快速設(shè)計電機非常重要。目前直驅(qū)永磁電機設(shè)計分析方法有很多種，主要有等效磁路法、磁網(wǎng)絡(luò)法、解析法和數(shù)值解析法，以及由電磁場解析法衍生出的方法，諸如場路耦合法、解析數(shù)值結(jié)合法。

等效磁荷法是依據(jù)等效磁荷理論，利用磁體中假設(shè)的磁荷來產(chǎn)生磁體空間磁場，磁場強弱由磁化強度決定，因此磁體磁場可以用按照一定規(guī)律排列的磁荷來等效[15]；全局解析法是整個定子以槽數(shù)均分成相互獨立的子區(qū)域，分析單個子區(qū)域以及獨立區(qū)域間的影響，得到全局的解析[16]。數(shù)值解析結(jié)合法將所求區(qū)域劃分為許多細小的網(wǎng)格，利用網(wǎng)格邊界和節(jié)點將網(wǎng)格相互連接在一起，建立以所有網(wǎng)格各節(jié)點為未知量的代數(shù)方程組，求解方程組得到各節(jié)點的函數(shù)值。數(shù)值解析結(jié)合法主要用于求解電機的磁場問題，將電機的求解區(qū)域分為定子、轉(zhuǎn)子和氣隙3部分，定子和轉(zhuǎn)子區(qū)域采用有限元法分析，氣隙磁場采用解析法分析，利用磁場邊界條件將兩類方程組整合成一個完整的方程組。

上述的解析分析法均是針對具體的研究對象提出來的，也驗證了它的準確可行性，但也存在相應(yīng)的缺陷，能否進一步推廣有待繼續(xù)研究。等效磁荷法直觀形象，計算量小，但使用局限性較大，結(jié)果不太精確，想要得到精確的結(jié)果必須借助于其他的分析方法；全局解析法計算結(jié)果精確，更接近于實際情況，但是計算過程復(fù)雜，使用范圍有限；數(shù)值解析結(jié)合法綜合了解析法表達式明確、易于理解和普適性的優(yōu)勢以及數(shù)值法的計算精確、運算量少的優(yōu)點，是目前最有效、應(yīng)用最廣泛的磁路分析方法。

3 直驅(qū)永磁電機控制技術(shù)

機器人用直驅(qū)永磁電機具有較高的定位精度和動態(tài)特性。由于機器人對外部干擾和負載擾動更敏感，所以機器人用直驅(qū)永磁電機需要更好的控制技術(shù)來滿足機器人直驅(qū)方式的要求。經(jīng)過不斷地研究和驗證，變壓變頻調(diào)速控制、矢量調(diào)制方式、直接轉(zhuǎn)矩控制以及近來發(fā)展起來的預(yù)測控制都是應(yīng)用于實踐的非常有效的控制技術(shù)。

變壓變頻調(diào)速控制是永磁電機調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)最成熟、最完善、應(yīng)用最多的控制技術(shù)，其具有直流傳動特性以及體積小、質(zhì)量輕、動態(tài)響應(yīng)好、維護簡單和節(jié)約資源等優(yōu)點。變壓變頻調(diào)速技術(shù)取得了長足的發(fā)展，從推導(dǎo)過程也不難發(fā)現(xiàn)，這種控制技術(shù)對穩(wěn)態(tài)問題有很強的實用性；對暫態(tài)問題有很大的局限性。

矢量控制理論具有效率高、可靠性高和轉(zhuǎn)矩密度大等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于永磁電機[17]。永磁電機的矢量控制中采用電流控制較多，主要方式有弱磁控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制和最大功率輸出控制。矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、大范圍調(diào)速和定位控制以及快速動態(tài)響應(yīng)等良好特性，但是對轉(zhuǎn)子磁鏈的難預(yù)測性、低速時電阻的影響較大和坐標變化的復(fù)雜性等問題都使得矢量控制實際應(yīng)用與推廣受到很大的阻礙。

直接轉(zhuǎn)矩控制是為了彌補矢量控制系統(tǒng)本身存在的不足而發(fā)展起來的。直接轉(zhuǎn)矩控制是由德國和日本學(xué)者首先提出的，利用轉(zhuǎn)矩、磁鏈等兩個滯環(huán)控制器輸出值以及求解區(qū)域的定子磁鏈域等參數(shù)選擇預(yù)測開關(guān)表中合適的電壓空間矢量，繼而控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈[18]。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要將交流電機解耦成等效電樞和勵磁電流來控制轉(zhuǎn)矩，也不需要進行相當復(fù)雜的坐標旋轉(zhuǎn)變換和矢量等效變換，只需要在保證定子磁鏈幅值不變的前提下，調(diào)節(jié)負載角控制轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制也存在一些不足，諸如其磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動比較大、逆變器的開關(guān)頻率會隨著磁鏈、負載轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制的滯環(huán)寬度等變化而改變等。

目前，為了改善直接轉(zhuǎn)矩控制存在的不足，研究人員已經(jīng)提出了改進的控制技術(shù)[19]，比如基于恒定開關(guān)頻率的直接轉(zhuǎn)矩控制算法，結(jié)合矢量法的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，無位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，都能有效地彌補直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中存在的不足。

除了上述控制技術(shù)，近年來，預(yù)測控制技術(shù)被提出并不斷得到推廣應(yīng)用[20]，預(yù)測控制基于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)建立預(yù)測模型，不斷滾動優(yōu)化得到每個周期內(nèi)的最優(yōu)結(jié)果，對優(yōu)化結(jié)果進行反饋校正，增強了系統(tǒng)的魯棒性和可控性。在現(xiàn)場控制精度更高的要求下，單一的控制技術(shù)或理論已經(jīng)不能滿足需求，多種控制理論結(jié)合形成的新控制技術(shù)不斷出現(xiàn)，諸如直接轉(zhuǎn)矩矢量電壓控制法，矢量變頻調(diào)速法，預(yù)測矢量控制調(diào)速法。

4 直驅(qū)永磁電機的發(fā)展方向

直驅(qū)永磁電機具有大轉(zhuǎn)矩、低損耗、動態(tài)響應(yīng)速度快和高精度等優(yōu)勢，取代了原來的“電機+減速器”模式，使機器人的驅(qū)動系統(tǒng)性能大幅度提升，因此具有很大的應(yīng)用潛力。

經(jīng)過對現(xiàn)有的文獻進行分析與總結(jié)，機器人用直驅(qū)永磁電機仍有許多問題有待進一步研究與分析：

(1) 直驅(qū)永磁電機拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。直驅(qū)永磁電機具有多種結(jié)構(gòu)形式，拓撲結(jié)構(gòu)多樣化。永磁體的發(fā)展非常緩慢，這就使得如何有效地利用較少的磁體獲得最大的轉(zhuǎn)矩和采用何種拓撲結(jié)構(gòu)才能盡可能地減小轉(zhuǎn)矩波動成為研究重點方向之一。

(2) 直驅(qū)永磁電機磁場分析研究。直驅(qū)永磁電機的磁場分析方法直接影響所需參數(shù)的精確度，影響電機的性能。如何找到適合于直驅(qū)永磁電機，能夠得到準確的各種磁密以及各種磁場損耗的磁場分析法是直驅(qū)永磁電機研究熱點之一。

(3) 直驅(qū)永磁電機控制方法研究。直驅(qū)永磁電機控制需要較高的跟蹤能力，對參數(shù)變化和外界擾動具有較強的魯棒性，具有其他裝置無法比擬的優(yōu)良性能、高精度和高加速度等優(yōu)勢。直驅(qū)永磁電機控制技術(shù)目前以矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制為主，無位置傳感控制技術(shù)為輔，可以說是相當成熟。但是系統(tǒng)相對復(fù)雜，控制起來非常不方便。如何找到一種控制過程簡單的控制方法取代那些復(fù)雜的系統(tǒng)是直驅(qū)永磁電機研究方向和重點之一。