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淺談微特電機技術:驅動用微特電機及其控制系統的可靠性技術探討

摘 要：在驅動領域中，微特電機的應用越來越廣泛，可靠性問題影響到其能夠得到順利應用，為此，加大對微特電機的研究，進一步提高其可靠性，是避免故障、減少損失的前提。本文主要探討了微特電機的控制系統可靠性技術，主要目的是為微特電機日后的應用提供有效的借鑒和參考。

關鍵詞：驅動領域；微特電機；控制系統；可靠性技術

20世紀30年代，微特電機開始興起，它是應軍事裝備、科學技術發展而快速發展起來的一門技術，按照其用途可劃分為驅動用微特電機和控制用微特電機兩種類型。對于驅動用微特電機來說，轉換能量是其最主要的任務，在農業、工業等各個領域中發揮著不可替代的作用。在微特電機及其控制系統運行過程中，電力電子器件不可避免地出現故障現象，影響到電機驅動系統的可靠性，尤其是在軍事裝備以及航天等重要領域，對電機驅動系統可靠性要求更為嚴格。為此，加強對驅動用微特電機系統可靠性技術的研究，具有重大的現實意義。在國際的相關研究成果中，把可靠性技術劃分為冗余和容錯兩種方法。本文主要是從微特電機驅動系統可靠性、系統主要故障進行分析，并在此基礎上提出提高微特電機驅動系統可靠性建議，希望能夠引起國內相關科研人員的高度重視，加大對驅動用微特電機及其控制系統的可靠性技術研究，推動國內在此領域技術進一步發展。

1. 可靠性理論概述

所謂的可靠性主要是指在規定的時間以及條件內，產品可以順利完成某一規定功能的一種能力，或者說是產品維持功能的時間。電機驅動系統在多個領域當中都得到了充分應用，電機驅動系統在不同的場合完成規定功能的能力也會存在差異。例如：對于電動車來說，雖然它的驅動系統有一部分發生了故障，但因為系統具備容錯能力，為此可以帶故障繼續運行，及時電動出的轉速質量在不斷地下降，這些故障不會影響到它的運行。可以及時把電動車送到維修店進行維修，在這種情況下，可以說電動車在存在故障的情況下順利完成了規定的功能，它的功能并沒有失效。又例如，對于高射炮來說，它的3個主要功能分別為射速、射程和命中精度3個方面，如果該電機驅動系統發生了故障導致僅有兩個功能符合要求，這種情況下是不能說明其順利完成規定的功能。所以，在判斷一個產品是否順利完成規定功能，首先需要把判斷故障的主要依據明確出來，接著再于實際情況進行結合分析。工況不同，判斷產品功能失效的標準也會有所不同。

2. 電機驅動系統主要故障

一般來說，電機驅動系統的故障情況可劃分電氣故障和機械故障兩種。

不同的類型，其表現出來的故障也會存在差異。對于電機結構來說，其內部一般存在勵磁繞組和電樞繞組兩套繞組。因此，電機本體內的主要故障主要是指勵磁繞組和電樞繞組兩套繞組發生短路或者斷路。對于永磁電機來說，其電機體內只有電樞繞組沒有勵磁繞組。在條件相同的情況之下，繞組發生故障的幾率往往比較低。但是，永磁電機自身也存在一定的局限性：因為永磁體主要是在轉子的表面進行安裝且不容易冷卻，容易導致高溫發生退磁故障現象。在運行環境一樣的條件之下，和其他一般的電機對比，開關磁阻電機發生故障的幾率也是比較低，因為在內部均不存在永磁體，也不存在繞組。

一般來說，電機本體故障主要分為以下幾種情況：

（1）繞組發生斷路。

（2）繞組匝間、繞組出線端、繞組相間發生短路。

（3）永磁體勵磁發生故障。

此外，驅動電路的功率變換器故障也是電機驅動系統的故障表現，一般可分為以下幾種：

（1）直流母線接地。

（2）輸入電源對地短路。

（3）開關器件操作過程中發生失誤。

（4）功率開關器件操作過程中，發生斷路。

對于電機驅動系統來說，要具備高可靠性應滿足以下幾個基本特征：電機的結構設計以及驅動控制電路相間的電耦合、磁耦合、熱耦合可以達到最小，當發生以上描述的各種故障的時候，可以及時對一部分故障進行物理隔離，在最大程度上降低故障產生的影響，即發生一個或者多個故障的時候，電機依然可以在僅符合某一種技術指標的條件下帶著故障繼續運行，具備比較高的可靠性。

3. 如何進一步提高微特電機驅動系統可靠性

一般來說，可通過以下幾個有效途徑來進一步提高微特電機驅動系統可靠性：

3.1 從驅動電路拓撲結構著手

不斷開發高容錯性的驅動系統電路拓撲結構是提高微特電機驅動系統可靠性的關鍵。在一般情況下，并聯冗余相和提高缺相容錯能力的方法來實現高可靠性的電路拓撲結構，電路需要具備一定的獨立性是兩者的前提要求。當發生故障現象的時候，其他相會承擔這一部分的工作，不會給其他相的工作造成任何的影響。冗余技術可以確保系統正常運行，并進一步增強電機驅動系統的可靠性。并對控制線路和相數進行備份。雖然采用冗余結構可在很大程度上提高驅動電路的可靠性，但是由于用相的驅動電路增加了，也進一步增加了整個系統的成本，在一定程度上造成累贅以及浪費。

3.2 從電機本體結構著手

電機本體自身具有良好的容錯性，對于SR電機來說，雙凸極是其主要的結構，磁體、繞組、電刷等都沒有在轉子上安裝，由于結構比較簡單，當其處在高速度運行狀態系的時候可以降低故障發生幾率。集中繞組是R電機定子主要采用的方式，從空間上來分析，相對的定子極串聯形成一相，所以它們之間是相對獨立的，這種獨立又可以分為電路的獨立和磁路的獨立。當發生短路或者斷路等故障的時候，不會給其他相關的工作造成影響，利用檢測裝置，對故障及時進行監測，并及時在該系統把該相進行切除，防止電機運行的過程中出現故障。當電流一定的時候會不但會促使轉矩脈動不斷變大，還會促使平均轉矩不斷下降，為了提高電機在斷路故障下的運行特性，把驅動電路分別于每一個極下的繞組互相進行連接。如果在運行的過程中，某一極繞組發生了故障，且該極下繞組電壓為零，此時電機的轉矩主要是由該相的另外一極的繞組來產生。但是，當SR電處在這種結構下發生故障的時候，不但會產生比較大的徑向力，還會導致電磁力產生不平衡感。針對這些存在的問題，使用雙繞組結構的SR電機進行布局可以進行彌補。

3.3 從傳感集成技術著手

在電機驅動系統中，傳感器是重要的組成部分，發揮著無可替代的作用。與此同時，它也其中一個安全隱患之一，長時間使用之后，受到各種因素的影響，傳感器會出現不同程度地損壞，加之灰塵會給光電信號造成阻擋，容易導致系統發生故障，給整個驅動系統的正常運行造成影響。為此，在電機驅動系統的傳感器集成技術方面還需要進一步深入研究，才能進一步提高系統的可靠性。

在無位置傳感器技術方面，很多國外相關學者也進行了大量的研究，并或缺了很多成果，總結出很多方法。一般來說，無位置傳感器檢測方法主要是通過構造一個轉子位置信號的檢測電路，而不是在定子上直接安裝位置傳感器。采用較為先進的檢測技術和計算機技術，主要從硬件、軟件兩個方面來著手，電機本身具備一定的電壓、電流參數，可以充分借助這些參數達到獲取轉子的位置信息的目的。續流二極管法、查表計算法、反電勢法以及查表計算法等等都是經常被使用到的方法，且都比較成熟。此外，在國外有很多類型的研究成果，研究者主要借助相關的軟件和硬件對電機驅動系統的溫度傳感器以及電流傳感器進行研究，并取得了較為理想的研究成果，這些成果為日后微特電機驅動發展以及應用提供了有效的借鑒和參考。

結語

綜上可知，對高可靠性的微特電機及其控制系統進行開發具有重大的現實意義。本文分析了可靠性工程的基本原理，并探討了提高微特電機驅動系統可靠性的有效途徑，雖然對于微特電機驅動系統可靠性技術的研究取得了一定的成果，但由于起步較晚，技術還未完善，理論和技術還需要加以完善。

淺談微特電機技術:微特電機的誤差測試分析

【摘 要】當今社會文明最基本的支撐技術中有一項就是電機技術的發展和廣泛應用，電機的使用改變了我國傳統的生產和生活方式。而微特電機是電機技術領域最先進、最活躍、最具有潛力的一個分枝。在我國已經漸漸發展成為一個相對比較完善、獨立的產業體系和技術體系，并且擁有自己的一套技術考核標準，成為應用較為廣泛的一個電機門類。

【關鍵詞】微特電機；誤差測試；分析

微特電機在人們的生產生活中使用較為廣泛，為人們帶來方便的同時也存在一些問題，需要對微特電機的測試誤差加以控制。微特電機的測試誤差是測量過程中無法避免的，測量技術中檢測儀器的測量誤差和誤差的記錄方法一直是備受大家關注的話題。

一、微特電機的發展方向

微特電機的發展方向大致分為六個方面，第一，機電一體化的發展趨勢，此階段的特點是借助數字化的傳感器、集成化的電路等技術實現電機系統的機電一體化。第二，高智能化的發展趨勢，對電機的轉矩、運行速度等進行了控制。第三，小型化和微型化發展趨勢，追求低噪音，電機小巧的特點。第四，永磁無刷化的發展趨勢。第五，直接驅動的發展趨勢，要求高速大功率。第六，大功率集成化的發展趨勢，追求電機驅動單元的網絡集成化。

二、交流異步感應電機轉速測量

電網頻率的大小直接影響著交流電機的同步轉速，電網頻率低，交流電機的同步轉速就慢；電網頻率高，交流電機的轉速就快，電機的實際轉速隨著電網頻率的高低變化而發生變化，電網頻率的不穩定導致交流電機轉速出現不穩定。為了加強對交流電機轉速的控制，有了相對轉速和絕對轉速的區分。相對轉速是交流電機在50Hz電源頻率標準下的轉速；絕對轉速則是電機運行標準中一分鐘的實際轉速。電動機的相對轉速和絕對轉速隨著電網的頻率高低呈現出兩條不同的波浪線，當電網的實際頻率大于50Hz的標準時，相對轉速高于絕對轉速；當電網的實際頻率正好是標準的50Hz時，相對轉速與絕對轉速相同；當電網的實際頻率小于50Hz的標準時，相對轉速低于絕對轉速。

交流電機的測試工作需要注意一些問題，當交流電機的測試工作涉及到轉速是判斷電機是否合格的臨界點時，需要采用相對轉速作為評價的標準，就是通過電網頻率的分布得到電機自動伸縮閘門的時間。電網頻率最高時，電機的轉速也最快，閘門自由伸縮的時間最短，測量的結果是相對于標準50Hz的轉速；電網頻率最低時，電機的轉速最慢，閘門自由伸縮的時間最長，測量的結果同樣是相對于標準50Hz的轉速，通過這種方法補償電源頻率不穩導致的誤差，對電機的轉速做出正確的評價。如果閃光測速儀中配備了50Hz相對轉速測試的功能，交流異步電機的轉速測試最好采用相對轉速的測試檔，以此避免因電網頻率變化造成電機測試誤差；如果沒有具備相對轉速測試檔，需要對電網的頻率進行鑒別。

三、多級旋轉變壓器電氣誤差測量中相對誤差與絕對誤差

相對誤差是用戶使用的標準指南，反映了“基準電氣零位”誤差偏離實際值的大小，使用者通過產品的相對誤差值就可以知道使用過程中產生誤差的大小。相對誤差是對產品提出的更高生產要求，即使相對誤差是絕對誤差的兩倍甚至是極端值，只要絕對誤差很小，生產出來的產品就是合格的。相對誤差符合電機的實際使用情況，所以現行的多級旋轉變壓器電氣誤差測量中普遍采用相對誤差的表示方法。傳統的電氣誤差標準只在乎生產制造，忽視了用戶的使用環節，因此現行的誤差標準針對傳統標準的弊端做出了修改。相對誤差標準對產品的生產規格和測試環節都提出了更加嚴格的要求。相對誤差把“基準電氣零位”作為參考點，真實、準確的反映電機的誤差，誤差的測試環節具有重復性。絕對誤差可以選擇“基準電氣零位”作為測試的參考點，也可以選擇其他的“電氣零點”為參考點，兩者測量出的絕對誤差值都是固定不變的。因為相對誤差選擇“基準電氣零位”作為誤差測試的參考點，具有一定的局限性，無法精確地評點電機合格與否。

四、步進電動機的步距誤差測量采用絕對誤差

步進電動機步距誤差分為累積誤差和分步距誤差。累計誤差是指根據步進電動機起始位置的相對值、每一步轉的實際角度與理論值的差，選取這一周轉動中最大正值和最大負值的絕對值之和記為步進電動機步距誤差測量中的累積誤差。分步距誤差是步進電動機每一步實際歩距和理論歩距之間的差，通常選取一周中步距誤差絕對值中最大的數值作為實際的分步距誤差。累計誤差的測試點是隨機選取的，因此累積誤差不能采用相對誤差進行表示，不同測試點產生的誤差數值不同，誤差的測試工作不具有重復性。絕對誤差測試中無論測試的參考點是什么，都不影響誤差值的變化，符合了步進電動機誤差測試參考點隨機性的特點。分歩距誤差實際上是相對誤差，測量得到的誤差數值大小一樣，只是測量誤差選擇的起點不同，每個起點中表示誤差的符號不同。

五、微特電機誤差和儀器儀表誤差的不同之處

微特電機測量的絕對值中沒有理論上的真值，只是有類似于真值的數值。例如步進電動機誤差測量的歩距角和位置角，都只是理論上的角度，絕對誤差就是測量時電機實際的旋轉角度和理論角度的差。還有一種絕對誤差測試中只有實際值沒有理論數值，例如多級旋轉變壓器電氣誤差測試中測量得到的電氣角度影響著正切函數電橋繞制的準確率。儀器儀表的絕對誤差是測量值與真值的差，具有正負數的區分。真值需要借助高一級的測量工具得到，在沒有利用低一級測量工具得到的測量數值時，此數值也只能是實際值，不可以稱為真值。

儀器儀表誤差的表示方式和電機產品的誤差表示方式基本一樣，但是由于電機產品誤差測量具有一定的特殊性，誤差的表示方法也存在一些不同。例如相對誤差的表示方法，儀器儀表采用百分比的表示方法。雖然電機中旋轉變壓器的余弦函數采用百分比的表示方法，但在實際的操作過程中為使用的方便通常用各點的角度誤差代替百分比的誤差表示方法。多級旋轉變壓器電氣誤差的測量不能選用百分比的表示方法。多級旋轉變壓器電氣誤差是以“基準電氣零位”為標準的電機實際旋轉的角度和理論電氣角度的差，并且即使隨著轉角的角度不斷增大，誤差數值的大小基本不變，誤差數值之間不存在任何比例關系，因此多級旋轉變壓器電氣誤差用“基準電氣零位”的最大正負值表示誤差，不采用百分比的表示方法。

六、結語

伴隨著科技的進步、經濟的飛速發展和社會文明的不斷進步，微特電機憑借它自身高效率、高節能和機電一體化的特點會迎來一片快速發展的新天地。雖然我國微特電機使用范圍廣泛，但是微特電機的產業結構布局還不完善，微特電機的技術水平發展還比較落后。我國必須加大微特電機技術研發方面的資金投入，提升微特電機在市場競爭中的核心力，使我國微特電機的發展邁向一個新的高度。

淺談微特電機技術:《微特電機及系統》教學改革與實踐

摘要：《微特電機及系統》是電氣工程及其自動化專業運動控制研究領域的一門重要的專業課。針對新成立的應用型本科院校，為了提高教學質量，培養高素質復合型應用人才，本文從教學內容、方法、手段以及實踐環節幾個方面，提出了《微特電機及系統》課程建設的改革與實踐。實踐表明，學生學習《微特電機及系統》的積極性和主動性提高，激發了學生的創造型思維，在教學實踐中取得了較好的成效。

關鍵詞：微特電機及系統；教學改革；實踐；電氣工程及其自動化

微特電機系統通常是由與常規電機結構、性能、用途或原理不同，體積和輸出功率較小的微型特種精密電機、控制器及驅動硬件電路組成的復雜系統。融合了電機、計算機、電力電子、控制、機械、新材料和新工藝等高新技術，是現代武器裝備、工業自動化、辦公自動化和家庭生活自動化不可缺少的重要技術[1]。本文結合新成立的本科院校的特點，以培養應用型人才為目標，準確定位本課程在電氣工程及其自動化專業中的地位和作用，對現有的教學內容、方法及實踐環節進行改革與實踐，為培養高素質創新型應用人才提供必須的平臺與保障。

一、教學改革與實踐

1.人才培養目標定位。針對新成立的應用型二本院校的特點，明確人才培養目標定位，在明確課程地位的基礎上做好課程性質、任務和教學目標的細化工作[2]。學校提出以“應用型人才”作為人才培養的最終目標，落實到《微特電機及系統》這門課程中，就是要培養出能夠將微特電機技術、控制技術和計算機技術相結合，能夠在微特電機系統遇到的問題中，分析、定位好問題的所在，提出問題解決方案的應用型人才。

2.教學內容的改革與實踐。①增加預備知識。《微特電機及系統》是以電機學和電機拖動基礎等課程為基礎，但有些同學電機基礎薄弱，因此在課程講授前，應將電機學的基本內容和概念作詳細講解[3，4]，為進一步學習打下基礎。②優化課程體系，調整教學內容。筆者所在的學校電氣工程及其自動化專業主要分為電力系統、高電壓技術與電氣工程三個學科方向。教學計劃將課程分為：公共基礎課、專業基礎課、專業限選課、專業任選課等，縮短專業課程的學時，精簡課程教學內容，形成“伺服電機—測速發電機—步進電機—自整角機—旋轉變壓器—永磁無刷直流電機”的教學主線，通過試點，取得了滿意的效果。③增加新型電機教學內容。隨著控制技術等相關技術的發展，電機在很多方面突破了傳動概念，已經不再局限于傳動的電磁理論，而是與其他學科相互結合、互相滲透。

3.教學方法與手段改革。①采用推理式教學方法。采用推理思路教學，如交變電流交變磁場交變磁通交變電勢電流電磁轉矩，推動轉子旋轉，進而輸出機械功率。通過諸如此類的推理式教學，學生不僅可以準確理解“電機的本質就是一個能量轉換工具”，而且有利于他們理解電機的可逆性原理。②采用對比式教學方法。大部分微特電機在結構和分析方法上存在共性內容，因此，比較不同種類的微特電機結構和原理，根據已經學習的內容幫助學生掌握新知識。如學生對開關磁阻電機和磁阻電機的原理和控制方法理解比較困難，而對步進電機非常熟悉，這時，可根據步進電機工作原理和控制方式來講解開關磁阻電機的內容。③互動法教學。采用互動法教學，積極發揮學生的主觀能動性，如在講解直流測速發電機的結構和工作原理時，應根據其與普通直流發電機原理的相似性，提問學生，讓學生回憶已學過的直流發電機的相關內容，然后再分析直流測速發電機的獨有特性。同時還可以采用課堂討論的方式，如解決永磁式同步電機啟動問題，首先討論得出無法自啟動的原因：第一，轉子本身存在慣性；第二，定、轉子磁場之間轉速相差太大，進而得出永磁式同步電機自行啟動方法：在轉子上安裝啟動繞組，啟動時，依靠鼠籠式啟動繞組產生電磁轉矩，使轉子轉動起來，當轉速接近同步速時，定子旋轉磁場就與轉子永磁磁場相互吸引牽入同步。這樣通過討論和歸納，學生就明白了為什么永磁式同步電機轉子上會安裝啟動繞組。④理論聯系實際教學。學習《微特電機及系統》目的是為了應用，教師講解時只要重點把握微特電機結構和基本原理，并增加應用實例，激發學生的興趣。如在講解微特電機的基本用途時，一枚導彈中需要60多臺電機，僅一艘潛艇導航儀表配套設備就用90多臺電機，并采用多媒體動畫教學的方法演示隨動系統跟蹤和定位過程，形象地讓學生了解隨動系統中的力矩電動機、自整角機和伺服電動機在其中所起的作用。當學生聽到和看到這些生動的微特電機應用實例，他們就會明白《微特電機及系統》這門課程和高新技術是緊密結合的，具有廣泛的用途，能激發學生在課堂上的學習興趣。

二、實踐環節的改革

1.理論教學穿插實驗教學。結合電子與電氣工程學院電工實驗中心為國家與地方共建項目的契機，添置了新的微特電機教學模型和實驗設備，在進行理論教學的過程中穿插實驗教學，教學模型通電時，可以讓學生直觀的看到電機運行中的起動過程、制動和可逆等。因此，學生在學習理論知識的同時，對電機也有了直觀的認識。

2.嚴格要求實驗預習報告。在學生進入實驗室之前，應詳細檢查學生的預習報告，應該包括以下幾個方面：本實驗的目的、該電機的結構和工作原理、電機的靜態特性和調節特性、轉速如何調節、主要性能參數和指標有哪些、控制系統硬件組成、完成本實驗需要用到的儀器設備、實驗的具體步驟等，可通過提問的方式完成實驗預習的檢查，使得學生對實驗有整體的把握，使他們帶著目的做實驗，這樣在實驗過程中易于發現、解決問題。

3.增加設計性綜合實驗。傳統的實驗教學都是單一的驗證型實驗，為培養創新性應用人才，設計性綜合實驗勢在必行。在設計性綜合實驗中，教師只需給出實驗目的、實驗要求和注意事項，具體的實驗方案和實驗步驟、以及所需的儀器設備，都由學生自己擬定。

4.專業方向課程設計。由于《微特電機及系統》課程的特殊性，通常的考核方式難以體現學生的學習效果，在結束理論學習后，要增加兩周的專業方向課程設計對學生進行考核，將每五個學生分成一組，選擇以不同的微特電機為對象，給出設計要求，完成控制系統硬件和軟件的設計工作，最后通過答辯確定學生成績，這樣可以充分激發學生的創造性。

《微特電機及系統》是一門內容豐富、理論抽象、實踐性非常強的運動控制方向專業課程。在課程教學中，應進一步豐富內容，盡可能大的提高學生學習的積極性和主觀能動性，采用多種靈活的教學方法，注意理論聯系實際，特別注重實踐教學環節，改革課程考核方式，拓展學生的知識面，培養學生的創新意識和動手能力，從而取得令人滿意的教學效果。