機電一體化微電機的開發現狀和發展前景

    唐蘇亞  (江蘇漣水縣經濟委員會223400)

    【摘  要】機電一體化微電機是一種由多項技術復合形成的高科技產品，涉及到現代眾多的科學領域。文中介紹機電一體化微電機的開發現狀和發展前景，并舉例闡述機電一體化微電機在工業領域的應用。

1  引  言

    隨著電子技術，特別是微電子技術、計算機技術、新材料技術、自動控制技術以及生物工程技術等在微特電機上的不斷應用，現代微電機已發展到以電子計算機等微電子軟、硬件產品為中樞神經、傳感器為耳目、電動機為手足、機械本體為驅干、電力電子器件等為生命源的新一代伺服驅動系統，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現狀和發展前景，并舉例闡述機電一體化微電機在工業領域的應用。

2機電一體化微電機的開發現狀[2-3]

  作為機電一體化系統的重要組成部分之一的驅動和執行部分，微電機是最常用的驅動元件和執行元件。70年代以后，隨著大規模和超大規模集成電路和微型計算機的迅猛發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合愈來愈緊密，使得電機與電源、驅動系統、控制系統組合在一起，大大改善了系統的整體性能和效率，傳統的感應電動機擴展了其應用領域，交流調速系統正在很多方面取代直流調速系統。

    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控機床和工業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．bose教授把這種采用永磁材料制造的無刷電動機稱之為****馬達(advanced motor)，其系統的調速比可精確控制到1：100 000的水平。在這些精密調速系統中，采用了igbt和mct等新型電力電子器件，同時采用了數字信號處理器(dsp)，軟件方面則采用了專家系統。目前，國外在一些高精度數控機床和加工中心上已基本淘汰直流伺服電動機驅動系統。

    開關磁阻電機近年也有了迅速的發展，它是由電子控制器供電的無級調速系統，具有優良的調速性能，可與直流電機調速系統相媲美，是一種典型的機電一體化產品，已經推廣到許多工業領域和家用電器領域。開關磁阻電機結構比直流電機簡單，甚至比籠型電機還簡單，無換向器和電刷，轉子鐵心上無繞組，有可能在中小功率范圍內與籠型電機爭雄，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，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子位置的霍爾元件和檢測轉子速度的頻率發生器(fg)，省去了電機附加測速發電機的特殊結構，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動回路圖，它基本上有兩部分組成，一是以頻率發生器(fg)得到的速度信號，即電樞電流產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子位置信號，適當地分配電樞電流的相位控制電路。片

狀微電機目前在oa、fa、ha以及fdi)市場上應用廣泛。機電一體化技術使微電機大大擴展了其應用領域和更新換代的速度。

3  機電一體化微電機的發展前景

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)，采用微電子技術和微加工技術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(mems)的研究范疇，它的發展得益于1983年加利福尼亞大學巴庫勒依學院roger’howe研制成功的所謂犧牲層(sacrificial layer‘)技術。采用該技術不僅能在硅片上較容易地制造出微型構件，而且也能把它們整體直接裝配在基片上構成一個整體。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1～1．5μm、直徑100／~m的超微電動機，整個電機設計在一塊集成電路芯片上，用靜電力驅動，制造電機的材料是磷酸硅。我國目前已有數家正在進行研究，最早開始研究的是東南大學，但真正轉起來的是3年前清華大學孫曦慶等報道的靜電同步馬達，轉子直徑120btm，轉速1 200r／min，用芯片上的光電器件在線檢測。中科院上海冶金所開發的超微靜電電機，轉子直徑1009m，轉速在0．001～20r／min之內連續可調，且采用徑向力驅動，最小驅動電壓為20v，比早期報道的切向力驅動的靜電電機具有更大的輸出轉矩，這些都充分表明了我國在超微電動