機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)研究與發(fā)展綜述

郭有權(quán)，司紀(jì)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(rùn)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(jí)，機(jī)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(jī)用作機(jī)器人的動(dòng)力源，具有極大地應(yīng)用潛力，也成為了近年來研究的熱點(diǎn)之一。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人因減速器而存在傳動(dòng)間隙大、齒輪磨損、維護(hù)頻繁、機(jī)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(hù)方便等優(yōu)勢(shì)的機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)，優(yōu)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，顯著提升了機(jī)器人的系統(tǒng)性能。

直驅(qū)永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載,提高了機(jī)器人工作效率等性能，但也有新問題隨之產(chǎn)生。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的各種擾動(dòng)直接作用到電機(jī)上，直驅(qū)永磁電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、電機(jī)參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的敏感性增強(qiáng)，從而影響傳動(dòng)和定位的準(zhǔn)確性。對(duì)于系統(tǒng)控制，機(jī)器人運(yùn)行系統(tǒng)中的不利因素將直接作用到負(fù)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(shí)，直驅(qū)永磁電機(jī)作用在機(jī)器人負(fù)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(dòng)等[2]。針對(duì)上述問題，如何提高機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做出了大量的研究工作。在直驅(qū)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了獲得低速大轉(zhuǎn)矩等特性，電機(jī)必須采用粗短的電樞結(jié)構(gòu)和多極化；在電機(jī)性能優(yōu)化上，采用分?jǐn)?shù)槽繞組、極/槽數(shù)配合、斜極和斜槽等方法減小磁動(dòng)勢(shì)諧波含量、電機(jī)振動(dòng)、齒槽轉(zhuǎn)矩和徑向力的脈動(dòng)；在直驅(qū)永磁電機(jī)磁場(chǎng)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(chǎng)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(xiàn)[3]分析了機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型，得到直驅(qū)式永磁電機(jī)的輸入?yún)?shù)；對(duì)比西門子電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和外形尺寸，采用場(chǎng)路結(jié)合法對(duì)電機(jī)進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)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(jī)的性能。文獻(xiàn)[4]針對(duì)電機(jī)使用的特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種直驅(qū)低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電機(jī)，采用有限元法對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠顯著提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體性能。文獻(xiàn)[5]為了準(zhǔn)確評(píng)估滑槽效應(yīng)，提出了一種用于計(jì)算直驅(qū)式永磁電機(jī)氣隙磁密的半分析法，經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這種方法的準(zhǔn)確性和可靠性。文獻(xiàn)[2] 基于機(jī)器人直接驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，分析了永磁同步直驅(qū)電機(jī)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(jìn)行仿真，驗(yàn)證各種算法的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[6]對(duì)比分析了交流異步減速電機(jī)和直驅(qū)永磁電機(jī)在復(fù)雜工況、負(fù)載變化情況下的運(yùn)行情況以及性能，驗(yàn)證了直驅(qū)永磁電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中具有的優(yōu)良性能。文獻(xiàn)[7]介紹了機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)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(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)方面所做的研究，從電機(jī)的磁路方面，分析了目前機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)類型；從電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化、磁路計(jì)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(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)未來的研究發(fā)展方向。

1 直驅(qū)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)類型

隨著電力電子、計(jì)算機(jī)控制和機(jī)電一體化等技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，各種直驅(qū)永磁電機(jī)被廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人。下面按照機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)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(diǎn)。

1.1 徑向磁通永磁電機(jī)

徑向磁通永磁電機(jī)是由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)上最多、最常見的永磁電機(jī)類型。徑向磁通永磁電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、制造方便以及少漏磁的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

徑向磁通永磁電機(jī)的研究已經(jīng)相當(dāng)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(diǎn)，但其轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)，通過Halbach陣列使磁通量集中來提高電機(jī)的性能；實(shí)驗(yàn)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(jī)定子有20個(gè)電樞齒，每個(gè)電樞齒含有兩個(gè)通量調(diào)制極；采用分?jǐn)?shù)槽單層集中繞組實(shí)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(zhǎng)度和銅耗；外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)增大了電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和結(jié)構(gòu)緊湊程度，徑向磁通永磁電機(jī)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(jī)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(dú)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(jī)結(jié)構(gòu)

英國(guó)Cytec公司研制的TK系列無(wú)框架式徑向電機(jī)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系沒有得到有效解決，功率密度低，價(jià)格高等。它與普通徑向電機(jī)參數(shù)的比較如表1所示。

表1 Cytec徑向電機(jī)與普通徑向電機(jī)的參數(shù)比較

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

1.2 軸向磁通永磁電機(jī)

軸向磁通永磁電機(jī)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(dāng)成熟。與徑向磁通永磁電機(jī)相比，軸向磁通永磁電機(jī)整體呈盤狀，軸向長(zhǎng)度短，故又稱盤式電機(jī)。軸向磁通永磁電機(jī)有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、軸向長(zhǎng)度短、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、輪船、風(fēng)力發(fā)電以及機(jī)器人等領(lǐng)域。

軸向磁通永磁電機(jī)的定轉(zhuǎn)子對(duì)稱放置，并呈圓盤形；對(duì)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(jī)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(jí)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(jí)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(jī)在不同場(chǎng)合的應(yīng)用提供了更多的選擇。研究結(jié)果表明，在電機(jī)的基本參數(shù)確定的情況下，轉(zhuǎn)矩隨著級(jí)數(shù)的增加而增大，多級(jí)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?。唤Y(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(jí)軸向磁通永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種新型多級(jí)永磁電機(jī)采用開槽磁鋼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電樞分段(YASA)、無(wú)軛定子、橢圓形定子齒和柔性電源電路等方法實(shí)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?fù)銷S圓環(huán)的短定子軛結(jié)構(gòu)結(jié)合而來的。以兩級(jí)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(gè)分段的無(wú)軛定子和在3個(gè)轉(zhuǎn)子上的4個(gè)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(jī)具有結(jié)構(gòu)多樣，力矩密度大，低速運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，使得機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，不便于安裝與維護(hù)；作為機(jī)器人動(dòng)力源還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，仍有漏磁大以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等問題需要解決。

1.3 橫向磁通永磁電機(jī)

為了克服傳統(tǒng)永磁電機(jī)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(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論和實(shí)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(guó)HerbertWeh教授于20世紀(jì)80年代初期提出的橫向磁通永磁電機(jī)(以下簡(jiǎn)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(jī)結(jié)構(gòu)

TFPM的結(jié)構(gòu)克服了普通電機(jī)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(dú)立，定子尺寸設(shè)計(jì)不受繞組結(jié)構(gòu)的限制。電機(jī)的設(shè)計(jì)方便靈活，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)能夠解耦，獲得更高的電磁氣隙力密度和良好的運(yùn)行特性。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，TFPM能提高電機(jī)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(shì)，也是制約其進(jìn)一步推廣的因素。

針對(duì)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(zhǎng)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(duì)齊，定子相互錯(cuò)開一個(gè)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(jī)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(jī)整體的容錯(cuò)性。

與外轉(zhuǎn)子永磁爪極電機(jī)不同，新型外轉(zhuǎn)子橫向磁通永磁爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)子由一個(gè)內(nèi)表面內(nèi)置永磁體的非導(dǎo)磁圓筒構(gòu)成，2個(gè)法蘭盤較短的爪極相對(duì)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(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、高槽滿率、轉(zhuǎn)矩密度大和易實(shí)現(xiàn)多極化等優(yōu)勢(shì)，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(jī)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(dòng)變換器功率等級(jí)等問題。

2 直驅(qū)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)分析方法

機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)需要根據(jù)實(shí)際的工況來設(shè)計(jì)，因此合理的磁路分析方法對(duì)快速設(shè)計(jì)電機(jī)非常重要。目前直驅(qū)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)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(chǎng)解析法衍生出的方法，諸如場(chǎng)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(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)弱由磁化強(qiáng)度決定，因此磁體磁場(chǎng)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(gè)定子以槽數(shù)均分成相互獨(dú)立的子區(qū)域，分析單個(gè)子區(qū)域以及獨(dú)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(xì)小的網(wǎng)格，利用網(wǎng)格邊界和節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)格相互連接在一起，建立以所有網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)為未知量的代數(shù)方程組，求解方程組得到各節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值。數(shù)值解析結(jié)合法主要用于求解電機(jī)的磁場(chǎng)問題，將電機(jī)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(chǎng)采用解析法分析，利用磁場(chǎng)邊界條件將兩類方程組整合成一個(gè)完整的方程組。

上述的解析分析法均是針對(duì)具體的研究對(duì)象提出來的，也驗(yàn)證了它的準(zhǔn)確可行性，但也存在相應(yīng)的缺陷，能否進(jìn)一步推廣有待繼續(xù)研究。等效磁荷法直觀形象，計(jì)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(jì)算結(jié)果精確，更接近于實(shí)際情況，但是計(jì)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(dá)式明確、易于理解和普適性的優(yōu)勢(shì)以及數(shù)值法的計(jì)算精確、運(yùn)算量少的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)控制技術(shù)

機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)具有較高的定位精度和動(dòng)態(tài)特性。由于機(jī)器人對(duì)外部干擾和負(fù)載擾動(dòng)更敏感，所以機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)需要更好的控制技術(shù)來滿足機(jī)器人直驅(qū)方式的要求。經(jīng)過不斷地研究和驗(yàn)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(cè)控制都是應(yīng)用于實(shí)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(jī)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(dòng)特性以及體積小、質(zhì)量輕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、維護(hù)簡(jiǎn)單和節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)。變壓變頻調(diào)速技術(shù)取得了長(zhǎng)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(duì)穩(wěn)態(tài)問題有很強(qiáng)的實(shí)用性；對(duì)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(shì)，被廣泛應(yīng)用于永磁電機(jī)[17]。永磁電機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)等良好特性，但是對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的難預(yù)測(cè)性、低速時(shí)電阻的影響較大和坐標(biāo)變化的復(fù)雜性等問題都使得矢量控制實(shí)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(bǔ)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(guó)和日本學(xué)者首先提出的，利用轉(zhuǎn)矩、磁鏈等兩個(gè)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(cè)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(jī)解耦成等效電樞和勵(lì)磁電流來控制轉(zhuǎn)矩，也不需要進(jìn)行相當(dāng)復(fù)雜的坐標(biāo)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(fù)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(dòng)比較大、逆變器的開關(guān)頻率會(huì)隨著磁鏈、負(fù)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(jìn)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(wú)位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，都能有效地彌補(bǔ)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(cè)控制技術(shù)被提出并不斷得到推廣應(yīng)用[20]，預(yù)測(cè)控制基于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)建立預(yù)測(cè)模型，不斷滾動(dòng)優(yōu)化得到每個(gè)周期內(nèi)的最優(yōu)結(jié)果，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行反饋校正，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性和可控性。在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)矢量控制調(diào)速法。

4 直驅(qū)永磁電機(jī)的發(fā)展方向

直驅(qū)永磁電機(jī)具有大轉(zhuǎn)矩、低損耗、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和高精度等優(yōu)勢(shì)，取代了原來的“電機(jī)+減速器”模式，使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)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(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)進(jìn)行分析與總結(jié)，機(jī)器人用直驅(qū)永磁電機(jī)仍有許多問題有待進(jìn)一步研究與分析：

(1) 直驅(qū)永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。直驅(qū)永磁電機(jī)具有多種結(jié)構(gòu)形式，拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能盡可能地減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)成為研究重點(diǎn)方向之一。

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

(3) 直驅(qū)永磁電機(jī)控制方法研究。直驅(qū)永磁電機(jī)控制需要較高的跟蹤能力，對(duì)參數(shù)變化和外界擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性，具有其他裝置無(wú)法比擬的優(yōu)良性能、高精度和高加速度等優(yōu)勢(shì)。直驅(qū)永磁電機(jī)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(wú)位置傳感控制技術(shù)為輔，可以說是相當(dāng)成熟。但是系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，控制起來非常不方便。如何找到一種控制過程簡(jiǎn)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(jī)研究方向和重點(diǎn)之一。