稀土永磁无刷直流力矩电机控制概述

　　在国外，从20世纪70年代末，特别是20世纪80年代初以来，由于大功率开关器件、模拟和专用集成电路、微处理技术、传感器技术、电力电子技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展，交流伺服系统已有突破性进展。进入20世纪80年代以来，世界先进工业国（如日本、美国、德国等）的著名厂家都先后进入了研制开发这一系统的行列，并相继有多种类型的交流伺服系统问世，且广泛应用于各个工业领域。无刷直流机等交流伺服系统更加受到人们的青睐，电风扇、电吹风、空调等许多产品都用到无刷直流电机。

　　交流伺服系统取代直流伺服系统已是必然趋势，直流伺服电机的机械换向器和电刷给应用带来一系列问题。比如，结构和制造工艺复杂，电刷和换向器容易发生故障：电刷和换向器之间滑动接触的电阻不稳定，使电机运行不稳定；换向器上产生火花，引起无线电干扰，影响放大器和计算机正常工作，且使电机无法直接应用于易燃、易爆的工作环境中；电刷和换向器之间的摩擦增加了电机的阻力矩，使电机工作不稳定；换向器的表面线速度换向电流、电压有一极限容许值，约束了电机的最大转速和功率：为使换向器可靠工作，电枢和换向器直径一般较大，使得电机转动惯量增大，在快速响应要求较高、安装空间较小的应用场合受到限制。

　　因此，人们一直在寻求能克服上述缺点的交流伺服电机，以满足各种应用领域的需要。交流伺服电机结构简单，坚固耐用，便于维修，价格合理，克服了直流伺服电机存在的缺点。特别是新型永磁交流伺服电机的优点更加明显：永磁同步电机调速性能优越，克服了直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的系列限制，且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题。永磁同步电机按其工作原理、驱动电流和控制方式的不同，可分为具有正弦波反电动势的永磁同步电机（PMSM）和具有梯形波反电动势的永磁同步电机，后者又称为无刷直流电机（BLDCM）。BLDCM和PMSM相比，具有更加明显的优越性：控制结构更为简便，能够使电机和逆变器各自的潜力得到更充分的发挥，因而在高性能、高精度的伺服驱动等领域具有广阔的应用前景。BLDCM交流伺服系统是高性能交流伺服系统发展的主要方向。

　　现代电力电子学的大发展为交流伺服系统取代传统的直流伺服系统奠定了基础。向高频化、大容量、智能化方向发展的性能优越的全控型大功率电子器件，及集成半导体开关、信号处理、自我保护功能于一体的智能功率模块（IPM）和大功率集成电路，使交流伺服系统的关键部件之———变频器成本降低，且向高频化、小型化发展。同时，各种新型脉宽调制（PWM）技术、高频谐振逆变技术的广泛发展，并克服了相控方式变频电源谐波含量大、功率因数差、转矩脉动大、动态响应慢、电路复杂等缺点，大大优化了变频器的性能，这为交流系统性能的提高提供了物质保障。

　　现代控制理论的应用，促进了许多新型交流伺服电机控制方式的诞生，为交流伺服系统取代直流伺服系统提供了进一步的依据。1971年，F．Blaschke提出的矢量控制原理开创了交流伺服传动的新纪元。此后出现的直接转矩控制、磁场加速控制、参数自适应控制、滑模变结构控制以及建立在微分几何基础上的非线性解耦控制等方法，使交流伺服系统的性能达到一个较高的水平，可以和直流伺服系统的性能相媲美，甚至优于直流伺服系统的性能。

　　微电子技术的迅速发展，使得各种性能的微处理器不断推出，特别是适用于工业领域实时控制的单片机和高速数字信号处理器（DSP）在伺服系统中的应用，大大加快了交流伺服系统取代直流伺服系统的进程。

　　综合交流伺服系统发展过程和现状，其发展趋势如下：

　　1）伺服技术继续迅速地由直流伺服系统转向交流化。

　　2）交流伺服系统向两大方向发展：一是简易、低成本交流伺服系统将迅速发展，应用领域进一步扩大；二是向更高性能的全数字化、智能化软件伺服的方向发展。

　　3）在硬件结构上，由模拟电子器件转向数字电子器件、微处理器、数字信号处理器，实现半数字化、全数字化，进而由硬件伺服技术转向软件伺服技术发展，极大地增强了交流伺服系统设计与使用的柔性。

　　4）由于微机控制用于伺服系统，模糊控制、人工智能、神经元网络等新成果将应用于高性能交流伺服系统的研究工作。

　　5）交流伺服系统所采用的逆变器将逐渐转向高频化、小型化、无噪声的逆变器。

　　6）永磁伺服电机转子磁钢由采用铁氧体、稀土钴转向铷铁硼发展，使电机具有更好的性能价格比。

　　无刷直流力矩电机是20世纪70年代末发展起来的较新颖的一种电机，它既具各无刷直流电机的优越性，又有力矩电机的特点。这种电机可以不通过减速器直接驱动负载，并可在低速甚至堵转的情况下运行，从而提高了系统的运行性能。

　　由于无刷直流力矩电机的显著优点，使得它可以很好的应用于空间宇航技术、位置和速度伺服控制系统、机器人技术以及一些特殊环境的设各中。