隨著電子技術(shù)，特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及生物工程技術(shù)等在微特電機(jī)上的不斷應(yīng)用，現(xiàn)代微電機(jī)已發(fā)展到以電子計(jì)算機(jī)等微電子軟、硬件產(chǎn)品為中樞神經(jīng)、傳感器為耳目、電動(dòng)機(jī)為手足、機(jī)械本體為驅(qū)干、電力電子器件等為生命源的新一代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這就是常說(shuō)的機(jī)電一體化[1]微電機(jī)。
本文介紹機(jī)電一體化微電機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并舉例闡述機(jī)電一體化微電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
作為機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成部分之一的驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行部分，微電機(jī)是最常用的驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行元件。70年代以后，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展以及電力電子器件在微電機(jī)上的廣泛應(yīng)用，電機(jī)與機(jī)械部件在空間上的結(jié)合愈來(lái)愈緊密，使得電機(jī)與電源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組合在一起，大大改善了系統(tǒng)的整體性能和效率，傳統(tǒng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域，交流調(diào)速系統(tǒng)正在很多方面取代直流調(diào)速系統(tǒng)。
70年代末，國(guó)外研制成功永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)，以其高效、體積小、重量輕以及運(yùn)行性能好的特點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人中得到迅速推廣和應(yīng)用。美國(guó)國(guó)家電力電子應(yīng)用中心(PEAC)B．K．Bose教授把這種采用永磁材料制造的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)稱(chēng)之為****馬達(dá)(Advanced Motor)，其系統(tǒng)的調(diào)速比可精確控制到1：100 000的水平。在這些精密調(diào)速系統(tǒng)中，采用了IGBT和MCT等新型電力電子器件，同時(shí)采用了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，軟件方面則采用了專(zhuān)家系統(tǒng)。目前，國(guó)外在一些高精度數(shù)控機(jī)床和加工中心上已基本淘汰直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)近年也有了迅速的發(fā)展，它是由電子控制器供電的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，具有優(yōu)良的調(diào)速性能，可與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，已經(jīng)推廣到許多工業(yè)領(lǐng)域和家用電器領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，甚至比籠型電機(jī)還簡(jiǎn)單，無(wú)換向器和電刷，轉(zhuǎn)子鐵心上無(wú)繞組，有可能在中小功率范圍內(nèi)與籠型電機(jī)爭(zhēng)雄，會(huì)占有一部分市場(chǎng)，這個(gè)動(dòng)向已引起歐美等國(guó)的重視。
將控制和保護(hù)電路直接裝在電機(jī)內(nèi)，使控制電路和電機(jī)融為一體，這已不是鮮為人知的事。80年代初期發(fā)展起來(lái)的片狀微電機(jī)，就是一個(gè)典型的范例。這種電機(jī)沒(méi)有換向器和電刷，在線(xiàn)圈的空隙中放有用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的霍爾元件和檢測(cè)轉(zhuǎn)子速度的頻率發(fā)生器(FG)，省去了電機(jī)附加測(cè)速發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，并配有控制電樞電流和接受處理信號(hào)的電子電路。圖1給出了這種片狀無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)回路圖，它基本上有兩部分組成，一是以頻率發(fā)生器(FG)得到的速度信號(hào)，即電樞電流產(chǎn)生力矩反饋電路的速度控制回路。二是處理從霍爾元件得到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，適當(dāng)?shù)胤峙潆姌须娏鞯南辔豢刂齐娐�。�?/DIV>
狀微電機(jī)目前在OA、FA、HA以及FDI)市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛。機(jī)電一體化技術(shù)使微電機(jī)大大擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域和更新?lián)Q代的速度。
3 機(jī)電一體化微電機(jī)的發(fā)展前景
3．1超微電動(dòng)機(jī)
超微電動(dòng)機(jī)是指那些形狀非常小(1mm以下)，重量很輕，并且在同一塊基板上(硅或其它材料)，采用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)制造出的機(jī)電一體化傳動(dòng)裝置。
超微電動(dòng)機(jī)屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的研究范疇，它的發(fā)展得益于1983年加利福尼亞大學(xué)巴庫(kù)勒依學(xué)院Roger’Howe研制成功的所謂犧牲層(Sacrificial layer‘)技術(shù)。采用該技術(shù)不僅能在硅片上較容易地制造出微型構(gòu)件，而且也能把它們整體直接裝配在基片上構(gòu)成一個(gè)整體。1988年7月，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的研究人員制成了厚度只有1～1．5μm、直徑100／~m的超微電動(dòng)機(jī)，整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)在一塊集成電路芯片上，用靜電力驅(qū)動(dòng)，制造電機(jī)的材料是磷酸硅。我國(guó)目前已有數(shù)家正在進(jìn)行研究，最早開(kāi)始研究的是東南大學(xué)，但真正轉(zhuǎn)起來(lái)的是3年前清華大學(xué)孫曦慶等報(bào)道的靜電同步馬達(dá)，轉(zhuǎn)子直徑120btm，轉(zhuǎn)速1 200r／min，用芯片上的光電器件在線(xiàn)檢測(cè)。中科院上海冶金所開(kāi)發(fā)的超微靜電電機(jī)，轉(zhuǎn)子直徑1009m，轉(zhuǎn)速在0．001～20r／min之內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且采用徑向力驅(qū)動(dòng)，最小驅(qū)動(dòng)電壓為20V，比早期報(bào)道的切向力驅(qū)動(dòng)的靜電電機(jī)具有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，這些都充分表明了我國(guó)在超微電動(dòng)機(jī)的研究開(kāi)發(fā)方面具有一定的國(guó)際先進(jìn)水平。
表面微加工技術(shù)是制造超微電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，它是在制造過(guò)程中，把特定的器件和結(jié)構(gòu)部件作為犧牲層，然后通過(guò)光刻犧牲層得到可移動(dòng)、可旋轉(zhuǎn)的微小機(jī)械結(jié)構(gòu)。在超微電動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中，通常以多硅作為結(jié)構(gòu)材料，氮化硅薄膜作為電氣絕緣材料，sio，作為犧牲材料。圖2給出了采用多晶硅作為結(jié)構(gòu)基片、經(jīng)光刻加工技術(shù)而制造出的超微靜電電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
超微電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景十分廣闊，特別是在人們尚未充分認(rèn)識(shí)的微環(huán)境下，有待不斷開(kāi)創(chuàng)發(fā)展。采用微加工技術(shù)制成的微型機(jī)器，可進(jìn)人人體內(nèi)部探查病灶、實(shí)施手術(shù)；超微電動(dòng)機(jī)可用來(lái)冷卻計(jì)算機(jī)芯片上的表面溫度、校正激光束和光導(dǎo)纖維：微型機(jī)器人可到行星上去考察、進(jìn)入潛艇內(nèi)人無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域排除故障等。
3．2鞭毛電動(dòng)機(jī)
鞭毛電動(dòng)機(jī)(Bacterial Flagellar Motor)是細(xì)菌在水中游動(dòng)而使用的分子機(jī)械(由蛋白質(zhì)分子而形成的機(jī)械)鞭毛電動(dòng)機(jī)在生物界中是****的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，也是現(xiàn)存世界上最小(直徑50mm)的電動(dòng)機(jī)。
據(jù)國(guó)外研究資料表明，鞭毛：是由以數(shù)μm大小的菌體中產(chǎn)生(根據(jù)細(xì)菌的種類(lèi)，可產(chǎn)生數(shù)個(gè)鞭毛)，鞭毛是呈螺旋形的細(xì)長(zhǎng)纖維，鞭毛的長(zhǎng)度大體上從數(shù)μm到10μm之間，直徑僅20nm左右。圖3為鞭毛電動(dòng)機(jī)的模型圖，它是由10種左右的蛋白質(zhì)組成，鞭毛電動(dòng)機(jī)掩含在膜內(nèi)，由各個(gè)部件的蛋白質(zhì)承擔(dān)，使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。例如，可推斷出L環(huán)和P環(huán)的復(fù)合體起到軸承的作用，莫特(Mott)復(fù)合體起到定子的作用。鞭毛電動(dòng)機(jī)的能量是由細(xì)胞外面到內(nèi)部的離子流供給的。
4機(jī)電一體化微電機(jī)應(yīng)用舉例
4．1工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
從80年代開(kāi)始，國(guó)外開(kāi)始研究工業(yè)縫紉機(jī)用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。日本的重機(jī)公司、兄弟公司、三菱公司以及松下公司等先后把交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)用到各類(lèi)工業(yè)縫紉機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)縫紉機(jī)的電子化。
通常，工業(yè)縫紉機(jī)驅(qū)動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)和控制裝置為一體化。圖4給出了三菱公司生產(chǎn)
的一種交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。操作者通過(guò)杠桿部分的踏板操作發(fā)出速度指令，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的頻率和電壓來(lái)得到所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而驅(qū)動(dòng)縫紉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)�？刂苹芈分械木幋a器、電流檢出器不斷地反饋電動(dòng)機(jī)的速度、電流，并以此進(jìn)行矢量控制。動(dòng)作停止!必須使電動(dòng)機(jī)減速，根據(jù)接收到的位置檢出器信號(hào)和編碼器上的信號(hào)來(lái)控制位置環(huán)，從而使縫紉機(jī)針停止在正常位置。圖5給出了松下公司生產(chǎn)的另一種交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)就是功率控制回路的簡(jiǎn)單化和小型化，以及控制電源的小型輕量化、單片機(jī)化�？刂朴玫奈⑿陀�(jì)算機(jī)采用內(nèi)藏2個(gè)CPU的高速雙重微機(jī)MNl8982(松下電子工業(yè)生產(chǎn)，8bit，8K ROM)。兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不同在于。前一種采用IM(感應(yīng)電動(dòng)機(jī))伺服方式，后一種則采用SM(同步電動(dòng)機(jī))伺服方式。
4．2電主軸控制系統(tǒng)
近年，在國(guó)外出現(xiàn)了一種新型控制系統(tǒng)，即采用磁力軸泵(直線(xiàn)懸浮電動(dòng)機(jī))控制主軸位置精度的電主軸(磁力軸承高速主軸部
件)，它是通過(guò)現(xiàn)代電子調(diào)節(jié)技術(shù)使轉(zhuǎn)子(主軸)保持較高的回轉(zhuǎn)精度，具有較高的靜動(dòng)態(tài)剛度和電衰減特性，克服了滾動(dòng)軸承在轉(zhuǎn)速超過(guò)某一極限時(shí)(20 000r／min)產(chǎn)生燒結(jié)、損壞等，轉(zhuǎn)速達(dá)25 000～120 000r／min。目前，國(guó)外已有一定數(shù)量的高速切削機(jī)床裝有這樣的電主軸控制系統(tǒng)。
圖6給出了日本---精機(jī)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于內(nèi)圓磨床上的磁力軸泵控制系統(tǒng)方框圖。轉(zhuǎn)子無(wú)論從哪一方向靠近定子，空隙變大一側(cè)的電磁鐵的電流就增大，從而產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)子的牽拉動(dòng)作。變位傳感器信號(hào)可不間斷地與基準(zhǔn)信號(hào)比較，以檢測(cè)偏離平衡位置的變位量，控制系統(tǒng)就按這個(gè)變位量為零的方式進(jìn)行工作。
5 結(jié)語(yǔ)
交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種性能優(yōu)異、****發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)電一體化產(chǎn)品。從目前機(jī)床業(yè)的發(fā)展方面來(lái)看，主流仍然是數(shù)控機(jī)床(cNc)，伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它的性能好壞，將直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率，因此，開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的交流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)乃是今后需要努力的目標(biāo)。
未來(lái)機(jī)電一體化微電機(jī)的發(fā)展將會(huì)在集成和優(yōu)化上下功夫，構(gòu)成所謂的智能化電動(dòng)機(jī)。微機(jī)械技術(shù)的興起是一個(gè)值得重視的發(fā)展方向，人們期望能用這項(xiàng)新技術(shù)不斷地研制出復(fù)雜的執(zhí)行器，甚至微型機(jī)器人。
鞭毛電動(dòng)機(jī)的研究雖仍在進(jìn)行中，但它表明機(jī)電一體化微電機(jī)在今后的發(fā)展中，將把人們帶進(jìn)一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域——微觀世界，同時(shí)也標(biāo)志了機(jī)電一體化微電機(jī)將從此走人分子時(shí)代。
