浅谈微特电机技术

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浅谈微特电机技术:驱动用微特电机及其控制系统的可靠性技术探讨

摘 要：在驱动领域中，微特电机的应用越来越广泛，可靠性问题影响到其能够得到顺利应用，为此，加大对微特电机的研究，进一步提高其可靠性，是避免故障、减少损失的前提。本文主要探讨了微特电机的控制系统可靠性技术，主要目的是为微特电机日后的应用提供有效的借鉴和参考。

关键词：驱动领域；微特电机；控制系统；可靠性技术

20世纪30年代，微特电机开始兴起，它是应军事装备、科学技术发展而快速发展起来的一门技术，按照其用途可划分为驱动用微特电机和控制用微特电机两种类型。对于驱动用微特电机来说，转换能量是其最主要的任务，在农业、工业等各个领域中发挥着不可替代的作用。在微特电机及其控制系统运行过程中，电力电子器件不可避免地出现故障现象，影响到电机驱动系统的可靠性，尤其是在军事装备以及航天等重要领域，对电机驱动系统可靠性要求更为严格。为此，加强对驱动用微特电机系统可靠性技术的研究，具有重大的现实意义。在国际的相关研究成果中，把可靠性技术划分为冗余和容错两种方法。本文主要是从微特电机驱动系统可靠性、系统主要故障进行分析，并在此基础上提出提高微特电机驱动系统可靠性建议，希望能够引起国内相关科研人员的高度重视，加大对驱动用微特电机及其控制系统的可靠性技术研究，推动国内在此领域技术进一步发展。

1. 可靠性理论概述

所谓的可靠性主要是指在规定的时间以及条件内，产品可以顺利完成某一规定功能的一种能力，或者说是产品维持功能的时间。电机驱动系统在多个领域当中都得到了充分应用，电机驱动系统在不同的场合完成规定功能的能力也会存在差异。例如：对于电动车来说，虽然它的驱动系统有一部分发生了故障，但因为系统具备容错能力，为此可以带故障继续运行，及时电动出的转速质量在不断地下降，这些故障不会影响到它的运行。可以及时把电动车送到维修店进行维修，在这种情况下，可以说电动车在存在故障的情况下顺利完成了规定的功能，它的功能并没有失效。又例如，对于高射炮来说，它的3个主要功能分别为射速、射程和命中精度3个方面，如果该电机驱动系统发生了故障导致仅有两个功能符合要求，这种情况下是不能说明其顺利完成规定的功能。所以，在判断一个产品是否顺利完成规定功能，首先需要把判断故障的主要依据明确出来，接着再于实际情况进行结合分析。工况不同，判断产品功能失效的标准也会有所不同。

2. 电机驱动系统主要故障

一般来说，电机驱动系统的故障情况可划分电气故障和机械故障两种。

不同的类型，其表现出来的故障也会存在差异。对于电机结构来说，其内部一般存在励磁绕组和电枢绕组两套绕组。因此，电机本体内的主要故障主要是指励磁绕组和电枢绕组两套绕组发生短路或者断路。对于永磁电机来说，其电机体内只有电枢绕组没有励磁绕组。在条件相同的情况之下，绕组发生故障的几率往往比较低。但是，永磁电机自身也存在一定的局限性：因为永磁体主要是在转子的表面进行安装且不容易冷却，容易导致高温发生退磁故障现象。在运行环境一样的条件之下，和其他一般的电机对比，开关磁阻电机发生故障的几率也是比较低，因为在内部均不存在永磁体，也不存在绕组。

一般来说，电机本体故障主要分为以下几种情况：

（1）绕组发生断路。

（2）绕组匝间、绕组出线端、绕组相间发生短路。

（3）永磁体励磁发生故障。

此外，驱动电路的功率变换器故障也是电机驱动系统的故障表现，一般可分为以下几种：

（1）直流母线接地。

（2）输入电源对地短路。

（3）开关器件操作过程中发生失误。

（4）功率开关器件操作过程中，发生断路。

对于电机驱动系统来说，要具备高可靠性应满足以下几个基本特征：电机的结构设计以及驱动控制电路相间的电耦合、磁耦合、热耦合可以达到最小，当发生以上描述的各种故障的时候，可以及时对一部分故障进行物理隔离，在最大程度上降低故障产生的影响，即发生一个或者多个故障的时候，电机依然可以在仅符合某一种技术指标的条件下带着故障继续运行，具备比较高的可靠性。

3. 如何进一步提高微特电机驱动系统可靠性

一般来说，可通过以下几个有效途径来进一步提高微特电机驱动系统可靠性：

3.1 从驱动电路拓扑结构着手

不断开发高容错性的驱动系统电路拓扑结构是提高微特电机驱动系统可靠性的关键。在一般情况下，并联冗余相和提高缺相容错能力的方法来实现高可靠性的电路拓扑结构，电路需要具备一定的独立性是两者的前提要求。当发生故障现象的时候，其他相会承担这一部分的工作，不会给其他相的工作造成任何的影响。冗余技术可以确保系统正常运行，并进一步增强电机驱动系统的可靠性。并对控制线路和相数进行备份。虽然采用冗余结构可在很大程度上提高驱动电路的可靠性，但是由于用相的驱动电路增加了，也进一步增加了整个系统的成本，在一定程度上造成累赘以及浪费。

3.2 从电机本体结构着手

电机本体自身具有良好的容错性，对于SR电机来说，双凸极是其主要的结构，磁体、绕组、电刷等都没有在转子上安装，由于结构比较简单，当其处在高速度运行状态系的时候可以降低故障发生几率。集中绕组是R电机定子主要采用的方式，从空间上来分析，相对的定子极串联形成一相，所以它们之间是相对独立的，这种独立又可以分为电路的独立和磁路的独立。当发生短路或者断路等故障的时候，不会给其他相关的工作造成影响，利用检测装置，对故障及时进行监测，并及时在该系统把该相进行切除，防止电机运行的过程中出现故障。当电流一定的时候会不但会促使转矩脉动不断变大，还会促使平均转矩不断下降，为了提高电机在断路故障下的运行特性，把驱动电路分别于每一个极下的绕组互相进行连接。如果在运行的过程中，某一极绕组发生了故障，且该极下绕组电压为零，此时电机的转矩主要是由该相的另外一极的绕组来产生。但是，当SR电处在这种结构下发生故障的时候，不但会产生比较大的径向力，还会导致电磁力产生不平衡感。针对这些存在的问题，使用双绕组结构的SR电机进行布局可以进行弥补。

3.3 从传感集成技术着手

在电机驱动系统中，传感器是重要的组成部分，发挥着无可替代的作用。与此同时，它也其中一个安全隐患之一，长时间使用之后，受到各种因素的影响，传感器会出现不同程度地损坏，加之灰尘会给光电信号造成阻挡，容易导致系统发生故障，给整个驱动系统的正常运行造成影响。为此，在电机驱动系统的传感器集成技术方面还需要进一步深入研究，才能进一步提高系统的可靠性。

在无位置传感器技术方面，很多国外相关学者也进行了大量的研究，并或缺了很多成果，总结出很多方法。一般来说，无位置传感器检测方法主要是通过构造一个转子位置信号的检测电路，而不是在定子上直接安装位置传感器。采用较为先进的检测技术和计算机技术，主要从硬件、软件两个方面来着手，电机本身具备一定的电压、电流参数，可以充分借助这些参数达到获取转子的位置信息的目的。续流二极管法、查表计算法、反电势法以及查表计算法等等都是经常被使用到的方法，且都比较成熟。此外，在国外有很多类型的研究成果，研究者主要借助相关的软件和硬件对电机驱动系统的温度传感器以及电流传感器进行研究，并取得了较为理想的研究成果，这些成果为日后微特电机驱动发展以及应用提供了有效的借鉴和参考。

结语

综上可知，对高可靠性的微特电机及其控制系统进行开发具有重大的现实意义。本文分析了可靠性工程的基本原理，并探讨了提高微特电机驱动系统可靠性的有效途径，虽然对于微特电机驱动系统可靠性技术的研究取得了一定的成果，但由于起步较晚，技术还未完善，理论和技术还需要加以完善。

浅谈微特电机技术:微特电机的误差测试分析

【摘 要】当今社会文明最基本的支撑技术中有一项就是电机技术的发展和广泛应用，电机的使用改变了我国传统的生产和生活方式。而微特电机是电机技术领域最先进、最活跃、最具有潜力的一个分枝。在我国已经渐渐发展成为一个相对比较完善、独立的产业体系和技术体系，并且拥有自己的一套技术考核标准，成为应用较为广泛的一个电机门类。

【关键词】微特电机；误差测试；分析

微特电机在人们的生产生活中使用较为广泛，为人们带来方便的同时也存在一些问题，需要对微特电机的测试误差加以控制。微特电机的测试误差是测量过程中无法避免的，测量技术中检测仪器的测量误差和误差的记录方法一直是备受大家关注的话题。

一、微特电机的发展方向

微特电机的发展方向大致分为六个方面，第一，机电一体化的发展趋势，此阶段的特点是借助数字化的传感器、集成化的电路等技术实现电机系统的机电一体化。第二，高智能化的发展趋势，对电机的转矩、运行速度等进行了控制。第三，小型化和微型化发展趋势，追求低噪音，电机小巧的特点。第四，永磁无刷化的发展趋势。第五，直接驱动的发展趋势，要求高速大功率。第六，大功率集成化的发展趋势，追求电机驱动单元的网络集成化。

二、交流异步感应电机转速测量

电网频率的大小直接影响着交流电机的同步转速，电网频率低，交流电机的同步转速就慢；电网频率高，交流电机的转速就快，电机的实际转速随着电网频率的高低变化而发生变化，电网频率的不稳定导致交流电机转速出现不稳定。为了加强对交流电机转速的控制，有了相对转速和绝对转速的区分。相对转速是交流电机在50Hz电源频率标准下的转速；绝对转速则是电机运行标准中一分钟的实际转速。电动机的相对转速和绝对转速随着电网的频率高低呈现出两条不同的波浪线，当电网的实际频率大于50Hz的标准时，相对转速高于绝对转速；当电网的实际频率正好是标准的50Hz时，相对转速与绝对转速相同；当电网的实际频率小于50Hz的标准时，相对转速低于绝对转速。

交流电机的测试工作需要注意一些问题，当交流电机的测试工作涉及到转速是判断电机是否合格的临界点时，需要采用相对转速作为评价的标准，就是通过电网频率的分布得到电机自动伸缩闸门的时间。电网频率最高时，电机的转速也最快，闸门自由伸缩的时间最短，测量的结果是相对于标准50Hz的转速；电网频率最低时，电机的转速最慢，闸门自由伸缩的时间最长，测量的结果同样是相对于标准50Hz的转速，通过这种方法补偿电源频率不稳导致的误差，对电机的转速做出正确的评价。如果闪光测速仪中配备了50Hz相对转速测试的功能，交流异步电机的转速测试最好采用相对转速的测试档，以此避免因电网频率变化造成电机测试误差；如果没有具备相对转速测试档，需要对电网的频率进行鉴别。

三、多级旋转变压器电气误差测量中相对误差与绝对误差

相对误差是用户使用的标准指南，反映了“基准电气零位”误差偏离实际值的大小，使用者通过产品的相对误差值就可以知道使用过程中产生误差的大小。相对误差是对产品提出的更高生产要求，即使相对误差是绝对误差的两倍甚至是极端值，只要绝对误差很小，生产出来的产品就是合格的。相对误差符合电机的实际使用情况，所以现行的多级旋转变压器电气误差测量中普遍采用相对误差的表示方法。传统的电气误差标准只在乎生产制造，忽视了用户的使用环节，因此现行的误差标准针对传统标准的弊端做出了修改。相对误差标准对产品的生产规格和测试环节都提出了更加严格的要求。相对误差把“基准电气零位”作为参考点，真实、准确的反映电机的误差，误差的测试环节具有重复性。绝对误差可以选择“基准电气零位”作为测试的参考点，也可以选择其他的“电气零点”为参考点，两者测量出的绝对误差值都是固定不变的。因为相对误差选择“基准电气零位”作为误差测试的参考点，具有一定的局限性，无法精确地评点电机合格与否。

四、步进电动机的步距误差测量采用绝对误差

步进电动机步距误差分为累积误差和分步距误差。累计误差是指根据步进电动机起始位置的相对值、每一步转的实际角度与理论值的差，选取这一周转动中最大正值和最大负值的绝对值之和记为步进电动机步距误差测量中的累积误差。分步距误差是步进电动机每一步实际歩距和理论歩距之间的差，通常选取一周中步距误差绝对值中最大的数值作为实际的分步距误差。累计误差的测试点是随机选取的，因此累积误差不能采用相对误差进行表示，不同测试点产生的误差数值不同，误差的测试工作不具有重复性。绝对误差测试中无论测试的参考点是什么，都不影响误差值的变化，符合了步进电动机误差测试参考点随机性的特点。分歩距误差实际上是相对误差，测量得到的误差数值大小一样，只是测量误差选择的起点不同，每个起点中表示误差的符号不同。

五、微特电机误差和仪器仪表误差的不同之处

微特电机测量的绝对值中没有理论上的真值，只是有类似于真值的数值。例如步进电动机误差测量的歩距角和位置角，都只是理论上的角度，绝对误差就是测量时电机实际的旋转角度和理论角度的差。还有一种绝对误差测试中只有实际值没有理论数值，例如多级旋转变压器电气误差测试中测量得到的电气角度影响着正切函数电桥绕制的准确率。仪器仪表的绝对误差是测量值与真值的差，具有正负数的区分。真值需要借助高一级的测量工具得到，在没有利用低一级测量工具得到的测量数值时，此数值也只能是实际值，不可以称为真值。

仪器仪表误差的表示方式和电机产品的误差表示方式基本一样，但是由于电机产品误差测量具有一定的特殊性，误差的表示方法也存在一些不同。例如相对误差的表示方法，仪器仪表采用百分比的表示方法。虽然电机中旋转变压器的余弦函数采用百分比的表示方法，但在实际的操作过程中为使用的方便通常用各点的角度误差代替百分比的误差表示方法。多级旋转变压器电气误差的测量不能选用百分比的表示方法。多级旋转变压器电气误差是以“基准电气零位”为标准的电机实际旋转的角度和理论电气角度的差，并且即使随着转角的角度不断增大，误差数值的大小基本不变，误差数值之间不存在任何比例关系，因此多级旋转变压器电气误差用“基准电气零位”的最大正负值表示误差，不采用百分比的表示方法。

六、结语

伴随着科技的进步、经济的飞速发展和社会文明的不断进步，微特电机凭借它自身高效率、高节能和机电一体化的特点会迎来一片快速发展的新天地。虽然我国微特电机使用范围广泛，但是微特电机的产业结构布局还不完善，微特电机的技术水平发展还比较落后。我国必须加大微特电机技术研发方面的资金投入，提升微特电机在市场竞争中的核心力，使我国微特电机的发展迈向一个新的高度。

浅谈微特电机技术:《微特电机及系统》教学改革与实践

摘要：《微特电机及系统》是电气工程及其自动化专业运动控制研究领域的一门重要的专业课。针对新成立的应用型本科院校，为了提高教学质量，培养高素质复合型应用人才，本文从教学内容、方法、手段以及实践环节几个方面，提出了《微特电机及系统》课程建设的改革与实践。实践表明，学生学习《微特电机及系统》的积极性和主动性提高，激发了学生的创造型思维，在教学实践中取得了较好的成效。

关键词：微特电机及系统；教学改革；实践；电气工程及其自动化

微特电机系统通常是由与常规电机结构、性能、用途或原理不同，体积和输出功率较小的微型特种精密电机、控制器及驱动硬件电路组成的复杂系统。融合了电机、计算机、电力电子、控制、机械、新材料和新工艺等高新技术，是现代武器装备、工业自动化、办公自动化和家庭生活自动化不可缺少的重要技术[1]。本文结合新成立的本科院校的特点，以培养应用型人才为目标，准确定位本课程在电气工程及其自动化专业中的地位和作用，对现有的教学内容、方法及实践环节进行改革与实践，为培养高素质创新型应用人才提供必须的平台与保障。

一、教学改革与实践

1.人才培养目标定位。针对新成立的应用型二本院校的特点，明确人才培养目标定位，在明确课程地位的基础上做好课程性质、任务和教学目标的细化工作[2]。学校提出以“应用型人才”作为人才培养的最终目标，落实到《微特电机及系统》这门课程中，就是要培养出能够将微特电机技术、控制技术和计算机技术相结合，能够在微特电机系统遇到的问题中，分析、定位好问题的所在，提出问题解决方案的应用型人才。

2.教学内容的改革与实践。①增加预备知识。《微特电机及系统》是以电机学和电机拖动基础等课程为基础，但有些同学电机基础薄弱，因此在课程讲授前，应将电机学的基本内容和概念作详细讲解[3，4]，为进一步学习打下基础。②优化课程体系，调整教学内容。笔者所在的学校电气工程及其自动化专业主要分为电力系统、高电压技术与电气工程三个学科方向。教学计划将课程分为：公共基础课、专业基础课、专业限选课、专业任选课等，缩短专业课程的学时，精简课程教学内容，形成“伺服电机—测速发电机—步进电机—自整角机—旋转变压器—永磁无刷直流电机”的教学主线，通过试点，取得了满意的效果。③增加新型电机教学内容。随着控制技术等相关技术的发展，电机在很多方面突破了传动概念，已经不再局限于传动的电磁理论，而是与其他学科相互结合、互相渗透。

3.教学方法与手段改革。①采用推理式教学方法。采用推理思路教学，如交变电流交变磁场交变磁通交变电势电流电磁转矩，推动转子旋转，进而输出机械功率。通过诸如此类的推理式教学，学生不仅可以准确理解“电机的本质就是一个能量转换工具”，而且有利于他们理解电机的可逆性原理。②采用对比式教学方法。大部分微特电机在结构和分析方法上存在共性内容，因此，比较不同种类的微特电机结构和原理，根据已经学习的内容帮助学生掌握新知识。如学生对开关磁阻电机和磁阻电机的原理和控制方法理解比较困难，而对步进电机非常熟悉，这时，可根据步进电机工作原理和控制方式来讲解开关磁阻电机的内容。③互动法教学。采用互动法教学，积极发挥学生的主观能动性，如在讲解直流测速发电机的结构和工作原理时，应根据其与普通直流发电机原理的相似性，提问学生，让学生回忆已学过的直流发电机的相关内容，然后再分析直流测速发电机的独有特性。同时还可以采用课堂讨论的方式，如解决永磁式同步电机启动问题，首先讨论得出无法自启动的原因：第一，转子本身存在惯性；第二，定、转子磁场之间转速相差太大，进而得出永磁式同步电机自行启动方法：在转子上安装启动绕组，启动时，依靠鼠笼式启动绕组产生电磁转矩，使转子转动起来，当转速接近同步速时，定子旋转磁场就与转子永磁磁场相互吸引牵入同步。这样通过讨论和归纳，学生就明白了为什么永磁式同步电机转子上会安装启动绕组。④理论联系实际教学。学习《微特电机及系统》目的是为了应用，教师讲解时只要重点把握微特电机结构和基本原理，并增加应用实例，激发学生的兴趣。如在讲解微特电机的基本用途时，一枚导弹中需要60多台电机，仅一艘潜艇导航仪表配套设备就用90多台电机，并采用多媒体动画教学的方法演示随动系统跟踪和定位过程，形象地让学生了解随动系统中的力矩电动机、自整角机和伺服电动机在其中所起的作用。当学生听到和看到这些生动的微特电机应用实例，他们就会明白《微特电机及系统》这门课程和高新技术是紧密结合的，具有广泛的用途，能激发学生在课堂上的学习兴趣。

二、实践环节的改革

1.理论教学穿插实验教学。结合电子与电气工程学院电工实验中心为国家与地方共建项目的契机，添置了新的微特电机教学模型和实验设备，在进行理论教学的过程中穿插实验教学，教学模型通电时，可以让学生直观的看到电机运行中的起动过程、制动和可逆等。因此，学生在学习理论知识的同时，对电机也有了直观的认识。

2.严格要求实验预习报告。在学生进入实验室之前，应详细检查学生的预习报告，应该包括以下几个方面：本实验的目的、该电机的结构和工作原理、电机的静态特性和调节特性、转速如何调节、主要性能参数和指标有哪些、控制系统硬件组成、完成本实验需要用到的仪器设备、实验的具体步骤等，可通过提问的方式完成实验预习的检查，使得学生对实验有整体的把握，使他们带着目的做实验，这样在实验过程中易于发现、解决问题。

3.增加设计性综合实验。传统的实验教学都是单一的验证型实验，为培养创新性应用人才，设计性综合实验势在必行。在设计性综合实验中，教师只需给出实验目的、实验要求和注意事项，具体的实验方案和实验步骤、以及所需的仪器设备，都由学生自己拟定。

4.专业方向课程设计。由于《微特电机及系统》课程的特殊性，通常的考核方式难以体现学生的学习效果，在结束理论学习后，要增加两周的专业方向课程设计对学生进行考核，将每五个学生分成一组，选择以不同的微特电机为对象，给出设计要求，完成控制系统硬件和软件的设计工作，最后通过答辩确定学生成绩，这样可以充分激发学生的创造性。

《微特电机及系统》是一门内容丰富、理论抽象、实践性非常强的运动控制方向专业课程。在课程教学中，应进一步丰富内容，尽可能大的提高学生学习的积极性和主观能动性，采用多种灵活的教学方法，注意理论联系实际，特别注重实践教学环节，改革课程考核方式，拓展学生的知识面，培养学生的创新意识和动手能力，从而取得令人满意的教学效果。