【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。 【敘　詞】機電一體化　微電機　現狀　應用　發展 【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, 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 　　 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. 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FDD 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。 [align=center] 圖1　片狀無刷電動機驅動電路[/align] 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（M EM S）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 How e 研制成功的所謂犧牲層（Sacrif icial 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～ 1.5Lm、直徑100Lm 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120Lm, 轉速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的超微靜電電機, 轉子直徑100Lm, 轉速在0. 001～ 20röm in 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機的研究開發方面具有一定的國際先進水平。 表面微加工技術是制造超微電動機的關鍵技術, 它是在制造過程中, 把特定的器件和結構部件作為犧牲層, 然后通過光刻犧牲層得到可移動、可旋轉的微小機械結構。在超微電動機制造過程中, 通常以多晶硅作為結構材料, 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構基片、經光刻加工技術而制造出的超微靜電電機的結構示意圖。 [align=center] 圖2　超微靜電電機結構圖[/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境下, 有待不 斷開創發展。采用微加工技術制成的微型機器, 可進入人體內部探查病灶、實施手術; 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、進入潛艇內人無法進入的區域排除故障等。 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 白質分子而形成的機械）。鞭毛電動機在生物界中是唯一的旋轉電動機, 也是現存世界上最小（直徑50nm ） 的電動機。據國外研究資料表明, 鞭毛是由以數Lm 大小的菌體中產生（根據細菌的種類, 可產生數個鞭毛） , 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種左右的蛋白質組成, 鞭毛電動機掩含在膜內, 由各個部件的蛋白質承擔, 使電動機旋轉。例如, 可推斷出L 環和P環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　工業縫紉機驅動系統 從80年代開始, 國外開始研究工業縫紉機用交流伺服電動機驅動系統。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縫紉機中, 實現了工業縫紉機的電子化。 通常, 工業縫紉機驅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的一種交流伺服驅動系統。操作者通過杠桿部分的踏板操作發出速度指令, 通過改變電動機的頻率和電壓來得到所需要的電機轉速,從而驅動縫紉機運轉。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, 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的另一種交流伺服驅動系統。該系統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藏2個CPU 的高速雙重微機MN 18982 （松下電子工業生產, 8b it, 8KROM ）。兩種驅動系統的不同在于, 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 型交流伺服驅動系統 圖5　SM 交流伺服驅動系統[/align] 4. 2　電主軸控制系統 近年, 在國外出現了一種新型控制系統,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） , 它是通過現代電子調節技術使轉子（主軸） 保持較高的回轉精度, 具有較高的靜動態剛度和電衰減特性, 克服了滾動軸承在轉速超過某一極限時（20 000röm in） 產生燒結、損壞等, 轉速達25 000～ 120 000röm in。目前,國外已有一定數量的高速切削機床裝有這樣的電主軸控制系統。 [align=center] 圖6　磨床及磁力軸承控制系統方框圖[/align] 圖6給出了日本 —精機開發的應用于內圓磨床上的磁力軸泵控制系統方框圖。轉子無論從哪一方向靠近定子, 空隙變大一側的電磁鐵的電流就增大, 從而產生對轉子的牽拉動作。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, 控制系統就按這個變位量為零的方式進行工作。 5　結　語 交流伺服驅動系統是一種性能優異、極具發展潛力的機電一體化產品。從目前機床 業的發展方面來看, 主流仍然是數控機床（CNC） , 伺服系統是數控系統的執行部分, 它的性能好壞, 將直接影響數控機床的加工精度和生產率, 因此, 開發高質量的交流伺服驅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展將會在集成和優化上下功夫, 構成所謂的智能化電動機。微機械技術的興起是一個值得重視的發展方向, 人們期望能用這項新技術不斷地研制出復雜的執行器, 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展中, 將把人們帶進一個新的應用領域—— 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. 關于機電一體化. 機電一體化, 1994 （3） 2　萬遇良. 電工技術與機電一體化. 當代電工科技發展論文集, 中國電工技術學會, 北京: 1995 （4） 3　唐蘇亞. 片狀微電機的發展概況. 微電機, 1993（4） 4　唐蘇亞. 微細機械的研究動態及其應用前景展望. 微電機, 1995 （4） 5　M. neh regary. ¾„  Í Â - Ÿ 技術一至四現狀上課題一. 機械設計, 1991 （14） 6　唐蘇亞. 磁力軸承及其在工業上的應用. 微電機,1994 （4）