一 永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)

　　永磁電機的應用主要包括兩類，一類用于異步起動的同步電動機，另一類用于運動控制系統(tǒng)和傳動。前者主要為了節(jié)能的目的，因為永磁同步電動機的效率、功率因素都高于異步電機，其電源是50Hz的三相交流電，但同步電動機不能在高頻直接起動，轉(zhuǎn)子上需放置起動繞組。后者則需要調(diào)速，需要專用的電源變換裝置，俗稱變頻器或驅(qū)動器。小于5kW的永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)大部分用于伺服控制，即控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、速度、位置、加速度，甚至加速度的變化率，改善應用系統(tǒng)的動態(tài)過程。在日本，這類小功率的應用系統(tǒng)被稱為機械電子系統(tǒng)，歐美則稱為運動控制系統(tǒng)。功率較大的系統(tǒng)即功率從5kW到30kW，一般稱為傳動系統(tǒng)，因為這類系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)的速度，位置及加減速不是重要指標。在我國籠統(tǒng)地將運動控制系統(tǒng)和數(shù)十千瓦的傳動系統(tǒng)稱為驅(qū)動系統(tǒng)。


用于上述第二類的永磁電機常常稱為永磁無刷電機，根據(jù)電流或電勢波形可分為無刷直流和無刷交流兩種。用逆變器和位置傳感器代替直流電機的電刷和換向器，并將電樞繞組放到定子上，磁極移到轉(zhuǎn)子上就得到直流無刷電機，轉(zhuǎn)子發(fā)熱顯著改善，傳感器采用霍爾（Hall）元件或光電器件，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)60°電角度產(chǎn)生一個位置信號，任一瞬間只有兩相繞組導通，即120°通電方式，繞組電流為方波或梯形波，控制軟件簡單。無刷交流電機也叫永磁同步電機，繞組電流為正弦波，多采用磁場定向控制，又稱矢量控制，傳感器為相對或絕對編碼器，分辨率從每轉(zhuǎn)幾百到幾千個脈沖。因此，無刷直流電機多用于調(diào)速場合，永磁同步電機多用于速度及位置控制等伺服系統(tǒng)。

　　在30kW以下的調(diào)速系統(tǒng)中，永磁電機調(diào)速系統(tǒng)和異步電機調(diào)速系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點：



（1）節(jié)能：由于異步電機的繞組電流包含勵磁電流分量，同樣功率的電機，永磁電機的效率高于異步電機；

　?。?）可控性：方波控制的直流無刷電機比電壓頻率比恒定的開環(huán)控制的異步電機速度響應快，永磁同步電機的磁場定向控制比異步電機的磁場定向控制簡潔，控制性能較少受電機參數(shù)變化的影響；

　?。?）省材料：永磁電機的功率密度高于異步電機，同樣的輸出功率，機座號顯著減小，節(jié)省的硅鋼片和漆包線等材料，彌補了永磁電機中永磁材料的成本。

　　近年，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級，需要大量電機驅(qū)動系統(tǒng)，不論是原來使用異步電機以恒定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的場合，還是已用異步電機調(diào)速系統(tǒng)的場合，改用永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)都有其獨特的優(yōu)勢。用于工業(yè)縫紉機的550W伺服系統(tǒng)，以及油田螺桿泵1000Nm驅(qū)動系統(tǒng)是這類系統(tǒng)的兩個典型應用。但工業(yè)縫紉機廠和螺桿泵廠只掌握應用工藝，沒有能力開發(fā)驅(qū)動系統(tǒng)。通用的異步電機的制造和設計在國內(nèi)的電機廠都能完成，而且已經(jīng)標準化、系列化，永磁電機的設計和制造還處于起步階段，況且電機廠不具備驅(qū)動和控制部分的開發(fā)和生產(chǎn)能力。通用變頻器不適合特定的永磁電機和應用工藝，變頻器生產(chǎn)商不愿意為這部分剛開始研發(fā)的用戶投入精力。這種局面對異步電機調(diào)速系統(tǒng)卻好得多，驅(qū)動和電機在市場上都能采購到，用戶只需開發(fā)控制器，在某些場合，控制器就是通用PLC，再寫入相應工藝軟件。

　　因此，為加速永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程，必須采取集成開發(fā)的策略。集成開發(fā)不等于系統(tǒng)集成，后者是將成熟的各部分通過適當?shù)挠布蜍浖B接成系統(tǒng)，完成某一特定的工藝。當各部分還不成熟時，就要根據(jù)系統(tǒng)目標，綜合考量，重點研發(fā)，這是集成開發(fā)的特點。


　 在日本和歐美等國，領(lǐng)先的功率電子技術(shù)和微控制器技術(shù)促進了電機驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，廠家有能力對這3部分進行綜合的研究和開發(fā)。我國對永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)和應用還處于起步階段。如何借鑒國外經(jīng)驗，發(fā)揮研發(fā)機構(gòu)、制造廠家、用戶各自的優(yōu)勢，加強三者的聯(lián)系，攻克技術(shù)瓶頸，盡快推廣這一技術(shù)的應用，值得各方面思考和探索。

　　 本文在分析我國研發(fā)和推廣永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)面臨的現(xiàn)狀后，從永磁電機、驅(qū)動、控制集成開發(fā)的觀點，介紹應用于工業(yè)縫紉機和油田螺桿泵驅(qū)動的永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)，最后就我國開發(fā)永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)，提出一些關(guān)鍵技術(shù)進行探討。

　　 二 工業(yè)縫紉機永磁同步伺服系統(tǒng)

　　我國是服裝生產(chǎn)大國，也是縫紉機生產(chǎn)大國，全世界的工業(yè)縫紉機絕大部分在我國制造，平縫機是工業(yè)縫紉機的主要機種，年產(chǎn)量在300萬臺以上。到目前為止，85%以上的平縫機的動力仍是利用電磁滑差離合器調(diào)速的異步電機，主要存在以下不足：

　?。?）調(diào)速系統(tǒng)效率低；

　?。?）適應不了新的縫紉功能，如自動剪線、前后回縫、撥線、針位控制等。要克服以上不足，必須去掉電磁滑差離合器，由電機直接帶動負載。新的永磁同步伺服系統(tǒng)必須具備速度和位置控制的功能，具體指標和功能如下：

　　（3）運行范圍寬，從200～6000r/min；

　?。?）速度響應快；

　?。?）位置精確度±3°以內(nèi)；

　?。?）待機狀態(tài)電磁轉(zhuǎn)距為零，以便操作者自由盤轉(zhuǎn)。

　　若用常規(guī)思路開發(fā)滿足以上條件的伺服系統(tǒng)，即圖1所示的集中控制結(jié)構(gòu)。就是縫紉機廠家先購買伺服電機和驅(qū)動器，再自己開發(fā)控制部分。如前所述，縫紉機廠暫時還沒有能力或不全具備能力開發(fā)控制部分，重要的是500W左右的伺服電機和驅(qū)動器是進口產(chǎn)品，價格在人民幣4000元以上，遠遠高出國內(nèi)按集成開發(fā)思路生產(chǎn)的系統(tǒng)價格1600元人民幣。

　　圖2是按集成開發(fā)思想設計的平縫機伺服系統(tǒng)。與圖1結(jié)構(gòu)不同是控制器和驅(qū)動器所起的作用。圖1中的驅(qū)動器僅控制永磁電機，系統(tǒng)的實時控制由控制器完成。圖2中的控制器實時任務大大減少，但是增加了驅(qū)動器的任務，控制器僅完成顯示、鍵盤、存儲、通信等功能，驅(qū)動器除了完成永磁電機的磁場定向控制外，還要根據(jù)接收的命令和針桿位置，觸發(fā)相應電磁鐵動作，完成剪線、前后回縫、撥線等輔助功能。由于驅(qū)動器的控制芯片特別是磁場定向控制中都使用了快速的數(shù)字信號處理器（DSP），完成這些輔助功能不影響對永磁電機的控制。但對控制器中微處理器的要求卻降低很多，一般的8位單片機即可勝任。

　　圖3（a）是用于平縫機的550W伺服電機，后端蓋安裝光電編碼器，面裝式磁鋼結(jié)構(gòu)保證電機能以高的功率因數(shù)運行，分數(shù)槽繞組有效地抑制了齒諧波，減小了振動和噪聲。圖3（b）是驅(qū)動器，功率器件采用功率模塊，提高了可靠性，控制芯片為DSP，保證了磁場定向控制的數(shù)據(jù)處理能力。圖3（c）是控制器，又稱模式盒，接受操作者的指令并存儲，筆記本式的人機界面，操作簡潔，感觀舒適。經(jīng)過近年的開發(fā)和完善，這類系統(tǒng)在平縫機上已達到每年近30萬臺的應用規(guī)模，在特種縫紉機上也有一定的使用量。

　　三 直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動系統(tǒng)

　　油田采油泵一般有3種形式：潛油泵、游梁式抽油機和螺桿泵。螺桿泵采油機適用于含沙、含氣、油稠的場合，具有節(jié)電、占地少的優(yōu)點，下泵深度不超過1500m的油井幾乎都可使用螺桿泵。螺桿泵采油機已在大慶油田廣泛使用，其他油田也在積極推廣。但當前使用的傳統(tǒng)螺桿泵還存在以下不足：

　?。?）容易斷桿：井下發(fā)生異常或地面出口管線阻塞等原因發(fā)生時，因無法降速造成泵桿扭斷、減速齒輪斷裂、電機燒壞；

　　（2）機械傳動部分維護量大；

　?。?）反轉(zhuǎn)脫扣：近千米長的泵桿，外加扭力致使泵桿圓周方向發(fā)生彈性變形，停機時泵桿彈性恢復產(chǎn)生的高速反轉(zhuǎn)造成脫扣；

　?。?）傳動效率仍然偏低：螺桿泵用的異步電機同游梁式抽油機一樣，屬于大馬拉小車性質(zhì)，功率因數(shù)0.4左右，異步電機效率大約75%，考慮皮帶和減速齒輪，傳動效率不到65%；

　?。?）螺桿泵的運行速度改變困難：只能改變皮帶輪的大小或改接電機繞組。

　　用直流無刷電機取代異步電機可克服以上眾多不足。通過驅(qū)動器實現(xiàn)平滑調(diào)速，調(diào)速范圍0～250r/min，額定轉(zhuǎn)矩1000Nm，過載倍數(shù)4倍，額定效率達到91%，在1/3負載時效率也能達到88%。電機直接驅(qū)動油泵旋轉(zhuǎn)，省掉了皮帶和減速齒輪，傳動效率顯著提高，機械傳動部分免維護?？刂破髟O有人機對話界面，采油工可根據(jù)井況方便地調(diào)節(jié)螺桿泵的運行速度。

　　采用永磁直流無刷電機驅(qū)動系統(tǒng)還解決了困擾幾十年的螺桿泵停機剎車問題。傳統(tǒng)機械式剎車有兩種，一是棘輪止反轉(zhuǎn)方法，結(jié)構(gòu)簡單，但可靠性差，而且泵桿的彈性儲能無法釋放。二是反轉(zhuǎn)液壓抑制方法，動作雖然可靠，但成本高，結(jié)構(gòu)復雜。永磁直流無刷電機驅(qū)動系統(tǒng)可通過電氣控制進行剎車。在控制箱內(nèi)設有能耗電阻和獨立的剎車控制器，當停機操作或系統(tǒng)失電時，泵桿彈性釋放，拖動電機反轉(zhuǎn)，電機處于發(fā)電狀態(tài)，剎車控制器工作，泵桿速度越快，電磁制動力矩就越大，最終使泵桿回到初始狀態(tài)，便于下次起動或修井作業(yè)。另外，驅(qū)動器還能控制和識別負載轉(zhuǎn)矩，判斷超載或輕載等異常情況，減少斷桿等情況的發(fā)生。

　　直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動系統(tǒng)中，低速大轉(zhuǎn)矩永磁直流無刷電機是根據(jù)螺桿泵負載特性而特殊研制的，驅(qū)動器的硬件與同等容量的異步電機驅(qū)動器相似，但軟件是針對直流無刷電機的控制，剎車控制功能也集成到驅(qū)動器中，所以這些通用變頻器是難以做到的。這一應用再次顯示了永磁電機、驅(qū)動器、控制器集成開發(fā)的實際意義。

　　四 關(guān)鍵技術(shù)

　　異步電機的變頻調(diào)速我國起步晚，異步電機的控制模型和大功率變頻器的設計水平落后于國外。永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)給我們提供了機遇，一是我國的稀土儲量很豐富；二是國外對永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的研究也不是很普及，應用也不多；三是永磁電機的可控性。要普及永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的應用，必須對一些關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)進行攻關(guān)，具體為：

　?。?）控制器：硬件技術(shù)最成熟、實現(xiàn)最容易、見效最快。但目前使用較多的是PLC，也為進口產(chǎn)品，價格偏高，不利于形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。如何用微控制器為核心組成的系統(tǒng)替代PLC，性能和可靠性可與之媲美，價格可大大降低，這是硬件方面要解決的問題。軟件除要針對不同應用領(lǐng)域建立簡單易學的開發(fā)平臺外，最好建立一套較為簡潔通用的應用語言和算法；

　?。?）電機：應對電機的結(jié)構(gòu)、制造工藝、材料、電磁設計進行研究，適當時制訂相應工業(yè)標準。對某些應用在特殊場合如低速大轉(zhuǎn)矩、周期性變化的負載、勢能負載、大慣量負載的電機應集中力量研制，這是市場上短缺的產(chǎn)品；

　?。?）傳感器：是控制系統(tǒng)中的主要元件，電機的磁場定向控制就需要電流和位置傳感器，運動控制系統(tǒng)中還需要其他種類的傳感器。我國雖能生產(chǎn)相當種類的傳感器，但性能還有一定差距，對此應予以充分的重視。對于已有的傳感器可以選用或集成，新型傳感器則要研制開發(fā)；

　?。?）驅(qū)動器：是制約伺服運動系統(tǒng)工業(yè)化的瓶頸，主要原因有3部分，一是復雜準確的電機模型難以在傳統(tǒng)的單片機上實現(xiàn)，數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)為這個問題的解決邁了一大步，但DSP的普及程度還不夠，控制算法目前要解決的實際問題包括無傳感器算法、電機的低速運行平穩(wěn)性、系統(tǒng)的快速響應等。二是功率電子器件的可靠性及系統(tǒng)設計水平低下，智能功率模塊（IPM）和專用智能功率模塊（ASIPM）的發(fā)展，使一般技術(shù)人員也能從事小功率電子線路的設計，但對大功率電子線路的設計及可靠性還應進行系統(tǒng)研究。

　　永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的集成開發(fā)涉及眾多技術(shù)，絕非少數(shù)人或某一方面的人就能完成，特別在初期，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似于圖2分布式系統(tǒng)，涉及電機、機械、電力電子、控制和應用等方面的技術(shù)。實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化既要攻克技術(shù)難關(guān)，又要建立合理機制，激發(fā)研發(fā)、制造、應用等環(huán)節(jié)的積極性。這方面探索尤為迫切和重要。

　　五 結(jié)論

　　永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)集成開發(fā)策略是針對我國目前該領(lǐng)域的現(xiàn)狀而提出的，近5年，我們在研發(fā)中始終貫穿這一策略，取得了一些成績，550W工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)，以及1000Nm直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動系統(tǒng)，是這一策略的體現(xiàn)。永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的不斷應用和推廣也帶給電機行業(yè)新的機遇，從永磁電機的設計與加工，到驅(qū)動器的開發(fā)和制造，再到應用領(lǐng)域的尋找及拓展，各個企業(yè)如何參與其中，將給他們帶來深刻的變化。