【摘　要】機電一體化微電機是一種由多項技術(shù)復合形成的高科技產(chǎn)品, 涉及到現(xiàn)代眾多的 科學領(lǐng)域。文中介紹機電一體化微電機的開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展前景, 并舉例闡述機電一體化微電機在工業(yè)領(lǐng)域的應用。 【敘　詞】機電一體化　微電機　現(xiàn)狀　應用　發(fā)展 【Abstract】M echat ronicsm icromo to r is a k ind of h igh technique p roduct invo lvingmany sci2 ence fieldse. The thesis int roduces its exp lo it ing status and develop ing fo reground, discribes itsapp licat ion in indust ry w ith examp les. 【Keywords】machat ronics, m icromo to r, status, app licat ion, development 1　引　言 隨著電子技術(shù), 特別是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、新材料技術(shù)、自動控制技術(shù)以及生物工程技術(shù)等在微特電機上的不斷應用, 現(xiàn)代微電機已發(fā)展到以電子計算機等微電子軟、硬件產(chǎn)品為中樞神經(jīng)、傳感器為耳目、電動機為手足、機械本體為驅(qū)干、電力電子器件等為生命源的新一代伺服驅(qū)動系統(tǒng), 這就是常說的機電一體化[ 1 ]微電機。 本文介紹機電一體化微電機的開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展前景, 并舉例闡述機電一體化微電機 在工業(yè)領(lǐng)域的應用。 2　機電一體化微電機的開發(fā)現(xiàn)狀 　　 作為機電一體化系統(tǒng)的重要組成部分之一的驅(qū)動和執(zhí)行部分, 微電機是最常用的驅(qū)動元件和執(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算機的迅猛發(fā)展以及電力電子器件在微電機上的廣泛應用, 電機與機械部件在空間上的結(jié)合愈來愈緊密, 使得電機與電源、驅(qū)動系統(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)的感應電動機擴展了其應用領(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, 國外研制成功永磁交流伺服電動機, 以其高效、體積小、重量輕以及運行性能好的特點在數(shù)控機床和工業(yè)機器人中得到迅速推廣和應用。美國國家電力電子應用中心（PEAC）B. K. Bo se 教授把這種采用永磁材料制造的無刷電動機稱之為高級馬達（A dvancedMo to r） , 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, 同時采用了數(shù)字信號處理器（DSP） ,軟件方面則采用了專家系統(tǒng)。目前, 國外在一些高精度數(shù)控機床和加工中心上已基本淘汰直流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)。 開關(guān)磁阻電機近年也有了迅速的發(fā)展,它是由電子控制器供電的無級調(diào)速系統(tǒng), 具 有優(yōu)良的調(diào)速性能, 可與直流電機調(diào)速系統(tǒng)相媲美, 是一種典型的機電一體化產(chǎn)品, 已經(jīng)推廣到許多工業(yè)領(lǐng)域和家用電器領(lǐng)域。開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)比直流電機簡單, 甚至比籠型電機還簡單, 無換向器和電刷, 轉(zhuǎn)子鐵心上無繞組, 有可能在中小功率范圍內(nèi)與籠型電機爭雄, 會占有一部分市場, 這個動向已引起歐美等國的重視。 將控制和保護電路直接裝在電機內(nèi), 使控制電路和電機融為一體, 這已不是鮮為人 知的事。80年代初期發(fā)展起來的片狀微電機,就是一個典型的范例。這種電機沒有換向器和電刷, 在線圈的空隙中放有用來檢測轉(zhuǎn)子位置的霍爾元件和檢測轉(zhuǎn)子速度的頻率發(fā)生器（FG） , 省去了電機附加測速發(fā)電機的特殊結(jié)構(gòu), 并配有控制電樞電流和接受處理信號的電子電路。圖1給出了這種片狀無刷電動機的驅(qū)動回路圖, 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, 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, 適當?shù)胤峙潆姌须娏鞯南辔豢刂齐娐贰Ｆ瑺钗㈦姍C目前在OA、FA、HA 以及FDD 市場上應用廣泛。機電一體化技術(shù)使微電機大大擴展了其應用領(lǐng)域和更新?lián)Q代的速度。 [align=center] 圖1　片狀無刷電動機驅(qū)動電路[/align] 3　機電一體化微電機的發(fā)展前景 3. 1　超微電動機 超微電動機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)制造出的機電一體化傳動裝置。 超微電動機屬于微機電系統(tǒng)（M EM S）的研究范疇, 它的發(fā)展得益于1983年加利福 尼亞大學巴庫勒依學院Roger How e 研制成功的所謂犧牲層（Sacrif icial 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)成一個整體。1988年7月, 美國加利福尼亞大學的研究人員制成了厚度只有1～ 1.5Lm、直徑100Lm 的超微電動機, 整個電機設(shè)計在一塊集成電路芯片上, 用靜電力驅(qū)動, 制造電機的材料是磷酸硅。我國目前已有數(shù)家正在進行研究, 最早開始研究的是東南大學,但真正轉(zhuǎn)起來的是3年前清華大學孫曦慶等報道的靜電同步馬達, 轉(zhuǎn)子直徑120Lm, 轉(zhuǎn)速1 200röm in, 用芯片上的光電器件在線檢測。中科院上海冶金所開發(fā)的超微靜電電機, 轉(zhuǎn)子直徑100Lm, 轉(zhuǎn)速在0. 001～ 20röm in 之內(nèi)連續(xù)可調(diào), 且采用徑向力驅(qū)動, 最小驅(qū)動電壓為20V , 比早期報道的切向力驅(qū)動的靜電電機具有更大的輸出轉(zhuǎn)矩, 這些都充分表明了我國在超微電動機的研究開發(fā)方面具有一定的國際先進水平。 表面微加工技術(shù)是制造超微電動機的關(guān)鍵技術(shù), 它是在制造過程中, 把特定的器件和結(jié)構(gòu)部件作為犧牲層, 然后通過光刻犧牲層得到可移動、可旋轉(zhuǎn)的微小機械結(jié)構(gòu)。在超微電動機制造過程中, 通常以多晶硅作為結(jié)構(gòu)材料, 氮化硅薄膜作為電氣絕緣材料, sio2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的結(jié)構(gòu)示意圖。 [align=center] 圖2　超微靜電電機結(jié)構(gòu)圖[/align] 超微電動機的應用前景十分廣闊, 特別是在人們尚未充分認識的微環(huán)境下, 有待不 斷開創(chuàng)發(fā)展。采用微加工技術(shù)制成的微型機器, 可進入人體內(nèi)部探查病灶、實施手術(shù); 超微電動機可用來冷卻計算機芯片上的表面溫度、校正激光束和光導纖維; 微型機器人可到行星上去考察、進入潛艇內(nèi)人無法進入的區(qū)域排除故障等。 3. 2　鞭毛電動機 鞭毛電動機（Bacterial F lagellarMo to r）是細菌在水中游動而使用的分子機械（由蛋 白質(zhì)分子而形成的機械）。鞭毛電動機在生物界中是唯一的旋轉(zhuǎn)電動機, 也是現(xiàn)存世界上最小（直徑50nm ） 的電動機。據(jù)國外研究資料表明, 鞭毛是由以數(shù)Lm 大小的菌體中產(chǎn)生（根據(jù)細菌的種類, 可產(chǎn)生數(shù)個鞭毛） , 鞭毛是呈螺旋形的細長纖維, 鞭毛的長度大體上從數(shù)Lm 到10Lm 之間, 直徑僅20nm 左右。圖3為鞭毛電動機的模型圖, 它是由10種左右的蛋白質(zhì)組成, 鞭毛電動機掩含在膜內(nèi), 由各個部件的蛋白質(zhì)承擔, 使電動機旋轉(zhuǎn)。例如, 可推斷出L 環(huán)和P環(huán)的復合體起到軸承的作用, 莫特（Mo t t） 復合體起到定子的作用。鞭毛電動機的能量是由細胞外面到內(nèi)部的離子流供給的。 [align=center] 圖3　鞭毛電動機模型[/align] 4　機電一體化微電機應用舉例 4. 1　工業(yè)縫紉機驅(qū)動系統(tǒng) 從80年代開始, 國外開始研究工業(yè)縫紉機用交流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)。日本的重機 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機運用到各類工業(yè)縫紉機中, 實現(xiàn)了工業(yè)縫紉機的電子化。 通常, 工業(yè)縫紉機驅(qū)動用的電動機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)動系統(tǒng)。操作者通過杠桿部分的踏板操作發(fā)出速度指令, 通過改變電動機的頻率和電壓來得到所需要的電機轉(zhuǎn)速,從而驅(qū)動縫紉機運轉(zhuǎn)。控制回路中的編碼器、電流檢出器不斷地反饋電動機的速度、電流,并以此進行矢量控制。動作停止必須使電動機減速, 根據(jù)接收到的位置檢出器信號和編碼器上的信號來控制位置環(huán), 從而使縫紉機針停止在正常位置。圖5給出了松下公司生產(chǎn)的另一種交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點就是功率控制回路的簡單化和小型化, 以及控制電源的小型輕量化、單片機化。控制用的微型計算機采用內(nèi)藏2個CPU 的高速雙重微機MN 18982 （松下電子工業(yè)生產(chǎn), 8b it, 8KROM ）。兩種驅(qū)動系統(tǒng)的不同在于, 前一種采用IM （感應電動機） 伺服方式, 后一種則采用SM （同步電動機） 伺服方式。 [align=center] 圖4　IM 型交流伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖5　SM 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)[/align] 4. 2　電主軸控制系統(tǒng) 近年, 在國外出現(xiàn)了一種新型控制系統(tǒng),即采用磁力軸泵（直線懸浮電動機） 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, 具有較高的靜動態(tài)剛度和電衰減特性, 克服了滾動軸承在轉(zhuǎn)速超過某一極限時（20 000röm in） 產(chǎn)生燒結(jié)、損壞等, 轉(zhuǎn)速達25 000～ 120 000röm in。目前,國外已有一定數(shù)量的高速切削機床裝有這樣的電主軸控制系統(tǒng)。 [align=center] 圖6　磨床及磁力軸承控制系統(tǒng)方框圖[/align] 圖6給出了日本 —精機開發(fā)的應用于內(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)生對轉(zhuǎn)子的牽拉動作。變位傳感器信號可不間斷地與基準信號比較, 以檢測偏離平衡位置的變位量, 控制系統(tǒng)就按這個變位量為零的方式進行工作。 5　結(jié)　語 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一種性能優(yōu)異、極具發(fā)展?jié)摿Φ臋C電一體化產(chǎn)品。從目前機床 業(yè)的發(fā)展方面來看, 主流仍然是數(shù)控機床（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)控機床的加工精度和生產(chǎn)率, 因此, 開發(fā)高質(zhì)量的交流伺服驅(qū)動電機乃是今后需要努力的目標。 未來機電一體化微電機的發(fā)展將會在集成和優(yōu)化上下功夫, 構(gòu)成所謂的智能化電動機。微機械技術(shù)的興起是一個值得重視的發(fā)展方向, 人們期望能用這項新技術(shù)不斷地研制出復雜的執(zhí)行器, 甚至微型機器人。鞭毛電動機的研究雖仍在進行中, 但它表明機電一體化微電機在今后的發(fā)展中, 將把人們帶進一個新的應用領(lǐng)域—— 微觀世界, 同時也標志了機電一體化微電機將從此走入分子時代。 參考文獻 1　毛　侃. 關(guān)于機電一體化. 機電一體化, 1994 （3） 2　萬遇良. 電工技術(shù)與機電一體化. 當代電工科技發(fā)展論文集, 中國電工技術(shù)學會, 北京: 1995 （4） 3　唐蘇亞. 片狀微電機的發(fā)展概況. 微電機, 1993（4） 4　唐蘇亞. 微細機械的研究動態(tài)及其應用前景展望. 微電機, 1995 （4） 5　M. neh regary. ¾„  Í Â - Ÿ 技術(shù)一至四現(xiàn)狀上課題一. 機械設(shè)計, 1991 （14） 6　唐蘇亞. 磁力軸承及其在工業(yè)上的應用. 微電機,1994 （4）