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一 永磁電機驅動系統

　　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和傳動。前者主要為了節能的目的，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，轉子上需放置起動繞組。后者則需要調速，需要專用的電源變換裝置，俗稱變頻器或驅動器。小于5kW的永磁電機驅動系統大部分用于伺服控制，即控制系統的轉矩、速度、位置、加速度，甚至加速度的變化率，改善應用系統的動態過程。在日本，這類小功率的應用系統被稱為機械電子系統，歐美則稱為運動控制系統。功率較大的系統即功率從5kW到30kW，一般稱為傳動系統，因為這類系統主要用來控制系統的速度，位置及加減速不是重要指標。在我國籠統地將運動控制系統和數十千瓦的傳動系統稱為驅動系統。


用于上述第二類的永磁電機常常稱為永磁無刷電機，根據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，磁極移到轉子上就得到直流無刷電機，轉子發熱顯著改善，傳感器采用霍爾（Hall）元件或光電器件，轉子每轉60°電角度產生一個位置信號，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，分辨率從每轉幾百到幾千個脈沖。因此，無刷直流電機多用于調速場合，永磁同步電機多用于速度及位置控制等伺服系統。

　　在30kW以下的調速系統中，永磁電機調速系統和異步電機調速系統相比有以下優點：



（1）節能：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，隨著我國產業結構的調整和升級，需要大量電機驅動系統，不論是原來使用異步電機以恒定轉速運轉的場合，還是已用異步電機調速系統的場合，改用永磁電機驅動系統都有其獨特的優勢。用于工業縫紉機的550W伺服系統，以及油田螺桿泵1000Nm驅動系統是這類系統的兩個典型應用。但工業縫紉機廠和螺桿泵廠只掌握應用工藝，沒有能力開發驅動系統。通用的異步電機的制造和設計在國內的電機廠都能完成，而且已經標準化、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動和控制部分的開發和生產能力。通用變頻器不適合特定的永磁電機和應用工藝，變頻器生產商不愿意為這部分剛開始研發的用戶投入精力。這種局面對異步電機調速系統卻好得多，驅動和電機在市場上都能采購到，用戶只需開發控制器，在某些場合，控制器就是通用PLC，再寫入相應工藝軟件。

　　因此，為加速永磁電機驅動系統的研發和產業化進程，必須采取集成開發的策略。集成開發不等于系統集成，后者是將成熟的各部分通過適當的硬件或軟件連接成系統，完成某一特定的工藝。當各部分還不成熟時，就要根據系統目標，綜合考量，重點研發，這是集成開發的特點。


　 在日本和歐美等國，領先的功率電子技術和微控制器技術促進了電機驅動系統的發展，廠家有能力對這3部分進行綜合的研究和開發。我國對永磁電機驅動系統的開發和應用還處于起步階段。如何借鑒國外經驗，發揮研發機構、制造廠家、用戶各自的優勢，加強三者的聯系，攻克技術瓶頸，盡快推廣這一技術的應用，值得各方面思考和探索。

　　 本文在分析我國研發和推廣永磁電機驅動系統面臨的現狀后，從永磁電機、驅動、控制集成開發的觀點，介紹應用于工業縫紉機和油田螺桿泵驅動的永磁電機驅動系統，最后就我國開發永磁電機驅動系統，提出一些關鍵技術進行探討。

　　 二 工業縫紉機永磁同步伺服系統

　　我國是服裝生產大國，也是縫紉機生產大國，全世界的工業縫紉機絕大部分在我國制造，平縫機是工業縫紉機的主要機種，年產量在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速的異步電機，主要存在以下不足：

　?。?）調速系統效率低；

　?。?）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必須具備速度和位置控制的功能，具體指標和功能如下：

　?。?）運行范圍寬，從200～6000r/min；

　?。?）速度響應快；

　?。?）位置精確度±3°以內；

　?。?）待機狀態電磁轉距為零，以便操作者自由盤轉。

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

　　圖2是按集成開發思想設計的平縫機伺服系統。與圖1結構不同是控制器和驅動器所起的作用。圖1中的驅動器僅控制永磁電機，系統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，但是增加了驅動器的任務，控制器僅完成顯示、鍵盤、存儲、通信等功能，驅動器除了完成永磁電機的磁場定向控制外，還要根據接收的命令和針桿位置，觸發相應電磁鐵動作，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，面裝式磁鋼結構保證電機能以高的功率因數運行，分數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據處理能力。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。經過近年的開發和完善，這類系統在平縫機上已達到每年近30萬臺的應用規模，在特種縫紉機上也有一定的使用量。

　　三 直驅式螺桿泵驅動系統

　　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，具有節電、占地少的優點，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。但當前使用的傳統螺桿泵還存在以下不足：

　?。?）容易斷桿：井下發生異常或地面出口管線阻塞等原因發生時，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；

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

　?。?）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，功率因數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%；

　　（5）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。通過驅動器實現平滑調速，調速范圍0～250r/min，額定轉矩1000Nm，過載倍數4倍，額定效率達到91%，在1/3負載時效率也能達到88%。電機直接驅動油泵旋轉，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，采油工可根據井況方便地調節螺桿泵的運行速度。

　　采用永磁直流無刷電機驅動系統還解決了困擾幾十年的螺桿泵停機剎車問題。傳統機械式剎車有兩種，一是棘輪止反轉方法，結構簡單，但可靠性差，而且泵桿的彈性儲能無法釋放。二是反轉液壓抑制方法，動作雖然可靠，但成本高，結構復雜。永磁直流無刷電機驅動系統可通過電氣控制進行剎車。在控制箱內設有能耗電阻和獨立的剎車控制器，當停機操作或系統失電時，泵桿彈性釋放，拖動電機反轉，電機處于發電狀態，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，便于下次起動或修井作業。另外，驅動器還能控制和識別負載轉矩，判斷超載或輕載等異常情況，減少斷桿等情況的發生。

　　直驅式螺桿泵驅動系統中，低速大轉矩永磁直流無刷電機是根據螺桿泵負載特性而特殊研制的，驅動器的硬件與同等容量的異步電機驅動器相似，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、驅動器、控制器集成開發的實際意義。

　　四 關鍵技術

　　異步電機的變頻調速我國起步晚，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。永磁電機驅動系統給我們提供了機遇，一是我國的稀土儲量很豐富；二是國外對永磁電機驅動系統的研究也不是很普及，應用也不多；三是永磁電機的可控性。要普及永磁電機驅動系統的應用，必須對一些關鍵技術和共性技術進行攻關，具體為：

　?。?）控制器：硬件技術最成熟、實現最容易、見效最快。但目前使用較多的是PLC，也為進口產品，價格偏高，不利于形成具有我國自主知識產權的產品。如何用微控制器為核心組成的系統替代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域建立簡單易學的開發平臺外，最好建立一套較為簡潔通用的應用語言和算法；

　?。?）電機：應對電機的結構、制造工藝、材料、電磁設計進行研究，適當時制訂相應工業標準。對某些應用在特殊場合如低速大轉矩、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品；

　　（3）傳感器：是控制系統中的主要元件，電機的磁場定向控制就需要電流和位置傳感器，運動控制系統中還需要其他種類的傳感器。我國雖能生產相當種類的傳感器，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；

　　（4）驅動器：是制約伺服運動系統工業化的瓶頸，主要原因有3部分，一是復雜準確的電機模型難以在傳統的單片機上實現，數字信號處理器（DSP）的出現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性、系統的快速響應等。二是功率電子器件的可靠性及系統設計水平低下，智能功率模塊（IPM）和專用智能功率模塊（ASIPM）的發展，使一般技術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研究。

　　永磁電機驅動系統的集成開發涉及眾多技術，絕非少數人或某一方面的人就能完成，特別在初期，系統結構類似于圖2分布式系統，涉及電機、機械、電力電子、控制和應用等方面的技術。實現產業化既要攻克技術難關，又要建立合理機制，激發研發、制造、應用等環節的積極性。這方面探索尤為迫切和重要。

　　五 結論

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