新型稀土永磁伺服電機裝置的研究與設計

李 建 羅 璇 伍昕宇 歐陽健強

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州341000）

0 引言

近年來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，帶動著相關行業(yè)如稀土永磁伺服電機快速發(fā)展。普通電動機的主極磁場由勵磁繞組通以電流產(chǎn)生，而稀土永磁電機的主極磁場由稀土永磁體產(chǎn)生，其勵磁部分不需要電流。因此稀土永磁電機有節(jié)能、沒有勵磁損耗、結構簡單、可靠性高等一系列優(yōu)點。在中小功率伺服系統(tǒng)中，目前稀土永磁伺服電機已經(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，稀土永磁電機功率不斷增大，極大地推動了稀土永磁電機的應用。據(jù)分析，在今后很長時間內(nèi)稀土永磁電機將處于高速發(fā)展階段。我們知道整個世界大約60%—70%的電力是用在各種電機上，再由電機轉(zhuǎn)換為其它動能的，因此稀土永磁伺服電機發(fā)展空間是巨大的。在稀土原材料—稀土永磁體—稀土永磁伺服電機產(chǎn)業(yè)鏈中，稀土原材料、稀土永磁體是中初級產(chǎn)品，而稀土永磁伺服電機是高科技含量、高附加值產(chǎn)品。稀土永磁伺服電機涉及稀土永磁材料、功率半導體、測量、自動控制、加工制造等技術，而稀土永磁體制造、電機繞線加工制造等相對而言是比較通用的技術。

近年來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，因而稀土永磁電機單機容量不斷增大。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機、反饋裝置和控制器。早期電氣伺服系統(tǒng)中直流電機作為主要執(zhí)行部件，在20世紀70年代以后，由于交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導執(zhí)行電機。交流伺服系統(tǒng)越來越成熟，市場呈現(xiàn)快速多元化發(fā)展，交流伺服技術已成為工業(yè)自動化的支撐性技術之一。進入21世紀，隨著稀土永磁材料、稀土永磁體研發(fā)的不斷深入，稀土永磁伺服電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高。在5KW以下交流伺服系統(tǒng)中，稀土永磁伺服電機取代交流伺服電機，已經(jīng)成為主流之選。同時，稀土永磁伺服電機符合高效節(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，其基本的技術原理是電機采用稀土永磁體產(chǎn)生主極磁場，內(nèi)嵌反饋裝置精確反饋電機轉(zhuǎn)動的位置信號至控制器，控制器用全數(shù)字化設計，軟件實現(xiàn)電流-速度-位置三環(huán)控制系統(tǒng)，在數(shù)字處理器中通過矢量變換實現(xiàn)電機電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時值有效控制，提高電機動態(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，完成閉環(huán)控制。

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

圖1 永磁伺服電機示意圖

2 總體設計

稀土永磁伺服電機包括伺服電機主體和控制器兩部份，在伺服電機主體中內(nèi)嵌反饋裝置及實時高速需求的數(shù)字處理器（DSP）。稀土永磁伺服電機涉及稀土永磁材料、絕緣材料、軸承、功率半導體、測量、自動控制、加工制造等技術，其核心技術是基于永磁電機動態(tài)解耦數(shù)學模型的矢量控制方法，用微芯片技術實現(xiàn)硬件、軟件控制。本裝置主要設計內(nèi)容包含以下幾點：

（1）稀土永磁伺服電機閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的建立；

（2）數(shù)字處理器硬件設計，對數(shù)據(jù)高速實時處理，完成算法，控制功率元件輸出三相SPWM波至伺服電機；

（3）功率元件及外圍電路設計，采用智能功率模塊IPM，并實現(xiàn)各類保護及人機界面；

（4）電流-速度-位置三環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學模型及三環(huán)控制系統(tǒng)的設計，設計原則先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，并采用數(shù)字處理器DSP全數(shù)字化軟件設計，實現(xiàn)高性能、靈活控制；

（5）稀土永磁伺服電機矢量變換控制，通過矢量變換實現(xiàn)電機電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時值有效控制，從而獲得稀土永磁伺服電機理想的動態(tài)性能；

（6）位置檢測部件及信號處理電路，采用編碼器嵌入伺服電機主體反饋位置信號，經(jīng)處理同時得到速度信號，構成閉環(huán)控制；

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

3 關鍵技術

本裝置在研制過程中解決了以下兩個關鍵的技術難點：

（1）稀土永磁伺服電機矢量變換控制方法;

（2）電流-速度-位置三環(huán)控制系統(tǒng)設計軟件；

本裝置從0～3600轉(zhuǎn)響應時間不超過0.12秒，剎車時間從3600轉(zhuǎn)到0轉(zhuǎn)不超過0.14秒，伺服電機誤差不超過1度,穩(wěn)定可靠，無抖動，而且相對電勵磁伺服電機節(jié)能5%以上，同時伺服電機沒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，功能上帶有無極調(diào)速和人機界面，可按要求調(diào)整參數(shù)。

4 結論

國內(nèi)交流伺服的市場規(guī)模2008年估計在25億人民幣左右，市場規(guī)模近3年一直保持了大于25%的年復合增長率，在所有自動化產(chǎn)品中當屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國轉(zhuǎn)移，稀土永磁伺服電機的市場會繼續(xù)保持快速增長的勢頭，預計從2009到2015年，年平均增長率會維持在20%以上，并且今后幾十年都將是朝陽產(chǎn)業(yè)，具有較大的規(guī)模。稀土永磁伺服電機是高新技術及高附加值產(chǎn)品。國內(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高效節(jié)能，符合世界潮流與趨勢，同時具有加工、裝配簡便，可靠性高等一系列優(yōu)點，易于推廣，市場前景十分廣闊。

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