【摘　要】機(jī)電一體化微電機(jī)是一種由多項(xiàng)技術(shù)復(fù)合形成的高科技產(chǎn)品, 涉及到現(xiàn)代眾多的 科學(xué)領(lǐng)域。文中介紹機(jī)電一體化微電機(jī)的開發(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。 【敘　詞】機(jī)電一體化　微電機(jī)　現(xiàn)狀　應(yīng)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(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。 2　機(jī)電一體化微電機(jī)的開發(fā)現(xiàn)狀 　　 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. Bo se 教授把這種采用永磁材料制造的無刷電動(dòng)機(jī)稱之為高級(jí)馬達(dá)（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(shí)采用了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP） ,軟件方面則采用了專家系統(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(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)展起來的片狀微電機(jī),就是一個(gè)典型的范例。這種電機(jī)沒有換向器和電刷, 在線圈的空隙中放有用來檢測(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?。片狀微電機(jī)目前在OA、FA、HA 以及FDD 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。 [align=center] 圖1　片狀無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路[/align] 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)（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(xué)巴庫(kù)勒依學(xué)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(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～ 1.5Lm、直徑100Lm 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, 最早開始研究的是東南大學(xué),但真正轉(zhuǎn)起來的是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120Lm, 轉(zhuǎn)速1 200röm in, 用芯片上的光電器件在線檢測(cè)。中科院上海冶金所開發(fā)的超微靜電電機(jī), 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(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(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(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。 [align=center] 圖2　超微靜電電機(jī)結(jié)構(gòu)圖[/align] 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 斷開創(chuàng)發(fā)展。采用微加工技術(shù)制成的微型機(jī)器, 可進(jìn)入人體內(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 F lagellarMo to r）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)在生物界中是唯一的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī), 也是現(xiàn)存世界上最小（直徑50nm ） 的電動(dòng)機(jī)。據(jù)國(guó)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(xì)菌的種類, 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)Lm 到10Lm 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（Mo t t） 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。 [align=center] 圖3　鞭毛電動(dòng)機(jī)模型[/align] 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年代開始, 國(guó)外開始研究工業(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)。操作者通過杠桿部分的踏板操作發(fā)出速度指令, 通過改變電動(dòng)機(jī)的頻率和電壓來得到所需要的電機(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)MN 18982 （松下電子工業(yè)生產(chǎn), 8b it, 8KROM ）。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。 [align=center] 圖4　IM 型交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖5　SM 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[/align] 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)速超過某一極限時(shí)（20 000röm in） 產(chǎn)生燒結(jié)、損壞等, 轉(zhuǎn)速達(dá)25 000～ 120 000röm in。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)。 [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(jī)開發(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、極具發(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)將從此走入分子時(shí)代。 參考文獻(xiàn) 1　毛　侃. 關(guān)于機(jī)電一體化. 機(jī)電一體化, 1994 （3） 2　萬(wàn)遇良. 電工技術(shù)與機(jī)電一體化. 當(dāng)代電工科技發(fā)展論文集, 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì), 北京: 1995 （4） 3　唐蘇亞. 片狀微電機(jī)的發(fā)展概況. 微電機(jī), 1993（4） 4　唐蘇亞. 微細(xì)機(jī)械的研究動(dòng)態(tài)及其應(yīng)用前景展望. 微電機(jī), 1995 （4） 5　M. neh regary. ¾„  Í Â - Ÿ 技術(shù)一至四現(xiàn)狀上課題一. 機(jī)械設(shè)計(jì), 1991 （14） 6　唐蘇亞. 磁力軸承及其在工業(yè)上的應(yīng)用. 微電機(jī),1994 （4）