一種無刷直流電機控制新方法

    錢彬

(中國電子科技集團司第4l研究所，安徽蚌埠233006)

中圖分類號：TM33  文獻標識碼：E

    文章編號：1004—7018(2008)04—0060—01

    本文介紹一種無刷直流電機配合激光旋轉編碼器進行高精度控制的新方法。

1普通控制原理

  傳統的直流電動機用于精密控制時一般采用如圖1所示的方法。

    由于傳統的直流電動機采用電刷換向，在精密控制中存在定位死區，因此，此種方案多用于控制及定位精度較低的場合，編碼器一般選用幾十至幾百線／轉的光電編碼器。

    而對于普通的無刷直流電動機一般采用如圖2所示的方法進行控制。

    圖中，HaⅡA、B、c為開關式霍爾元件；邏輯處理及控制電路多采用專用的無刷電動機驅動電路，也可根據特殊需要由單片微處理芯片及其它電路構成。其作用是：將霍爾信號進行邏輯處理；對應速度信號產生PWM脈沖；進行欠壓、過流、制動、正反轉等控制。在不帶高精度位置傳感器(光柵編碼器或旋轉變壓器)及速度傳感器(測速機或位置信號微分)的情況下，只能屬于簡單的速度控制，一般只應用在電動自行車、打印機、****風機等場合。

2新控制方法設計

  本文著重介紹一種用于精密測量儀器的空心繞組無刷直流電動機及精密定位系統。

2 1空心繞組無刷直流電動機結構原理

    如圖3所示，電動機定子及霍爾元件做成空心繞組結構，即繞組使霍爾元件均粘接在環氧玻璃布板上。由于沒有硅鋼片制成的有齒和槽的鐵心，這樣稀土永磁材料做成的轉子在旋轉過程中，鐵耗及定位轉矩均為零，有利于精密定位。

    三相定子繞組接出三根線U、V、W。

    霍爾元件用的是線性霍爾元件，共接出8根引出線。其中，+5 V～-5 V來自于D／A輸出(對于一般系統，也可直

接用電源給定)，既作為霍爾元件A、B、C的電源，又當作無刷直流電動機的給定控制信號。當該信號為正時，電機正轉，轉速與其大小有關；反之亦然。這樣，在控制方式上與傳統的直流電機控制方式保持了一致。

2．2霍爾信號的處理及線圈驅動

    霍爾元件A、B、G是三路性質相同的信號，下面以Hall A為例，介紹其處理過程，如圖4所示。霍爾元件產生的位置信號經過差分放大后，提取出近似正弦(或類似方波)信號，再經放大及反饋控制，最后經過電流驅動控制電動機運轉。

3實際應用結果

    在實際應用中，我們按照此種控制方法，采用圖1所示的激光旋轉編碼器進行定位。激光旋轉編碼器為8.1萬線／轉，并進行了6倍插值和4倍頻。電動機運行平穩，并獲得較高的定位精度，如圖5所示。

微特電機測試中的一些問題分析及其它

  張文海，劉家寧，譚宏松

(成都精密電機廠，四川成都610500)

中圖分類號：TM306  文獻標識碼：E

文章編號：1004-7018(2008)04—0061-02

1雙通道多極旋轉變壓器粗精機基準電氣零位偏差過大的原因分析

    雙通道多極旋轉變壓器的基準電氣零位，理論上應是重合的，這樣才符合規定的函數關系。但實際上，由于工藝誤差的存在，一臺加工好的雙通道多極旋轉變壓器，粗精機的基準電氣零位往往無法重合，這就產生了粗精機基準電氣零位偏差。在偏差不大的情況下，使用中可以對其進行補償；但如果偏差太大，補償則無能為力。因此，《雙通道多極旋轉變壓器國家標準》規定：極對數≤36p，粗精零偏±30；極對數>36p，粗精零偏±20 ^。一般情況下，由于對旋轉變壓器的加工精度要求較高，無論是電機設計還是工藝方法上都要采取一些補償措施。因此，專業廠生產出的電機，粗精機基準電氣零位偏差大都控制在合格范圍之內，極少數電機雖然也會出現不合格，但也不會超差很大；若超差太大，則另有原因了。如一種64p的雙通道多極旋轉變壓器，粗、精機基準電氣零位偏差要求≤±20 ，實際則為+l^。20，超差達1^。，這顯然不是工藝誤差引起的。筆者分析認為，這應是精機出線錯誤造成的，即把精機的余弦繞組錯標為正弦繞組，而正弦繞組則相應地錯標為余弦繞組，精機的基準電氣零位自然會移過64對極的90^。電氣角，其相應的機械角為360^。÷64÷4—1.4^。，即1^。24 。因此，原+1。20的基準電氣零位偏差，如果糾正過來，粗精基準電壓零位偏差則可減小為1。24-20 =4 。這樣，該電機的基準電氣零偏差就合格了，而且很小，其示意圖如圖1所示。圖la為粗機正弦繞組輸出電勢變化

圖，O為粗機基準電氣零位；圖1b為精機A為出線錯誤后正、余弦繞組輸出電勢圖，可以看出，此時精機的基準電氣零位偏了l.4^。機械角(即90^。電氣角)，粗精機電氣零位不重合；圖1c為精機B為出線錯誤糾正后正、余弦繞組輸出電勢圖，可以看出，此時粗精機的基準電氣零位重合了，誤差即為1^。24 -1^。20 =4 (這里為說明問題方便，忽略了零位誤差，為秒級，影響也不大)，但此時的函數關系并不符合圖1b的要求，因余弦繞組輸出電勢相位反了 180^。，必須將余弦繞組首尾反接，輸出電勢相位才符合要求，如圖lc的虛線所示。因此可以從中看出，雙通道多極旋轉變壓器基準電氣零位偏差大，不是工藝誤差造成的，而是由出線錯誤所致。解決的方法是將原出線進行重新標志，將余弦變正弦，再將正弦繞組首尾交換，一般能消除這種誤差，不會報廢電機。

2無刷直流力矩電動機電流一轉矩特性曲線上翹的原因分析

    有刷直流力矩電動機的電流轉矩特性曲線一般是向下彎曲的，即小電流段，曲線是線性的；大電流段，大都是非線性向下彎曲，且不同的堵轉點測出的特性曲線基本一致。但無刷直流力矩電動機很特別，不同的堵轉點測出的電流一轉矩特性曲線并不都一致，有的點符合電流一轉矩特性曲線向下彎曲的普遍規律，有的點卻出現電流一轉矩特性曲線向上翹或電流一轉矩特性曲線一直保持線性關系，其示意圖如圖2所示。

     圖2為某無刷直流力矩電動機一些特殊堵轉點的實際電流-轉矩特性益線。無刷直流力矩電動機的電流一轉矩特曲線為什么會出現這一特殊現象?這是由于無刷直流力矩電動機與有刷直流力矩電動機電樞反應不同引起的。有刷直流力矩電動機的電刷幾何中性線在調整好的情況下，堵轉時只有交軸電樞反應，交軸電樞反應在堵轉電流不大的情況下只扭曲磁場，所以此時的電流一轉矩特性曲線是線性的。堵轉電流較大會引起磁路飽和，不但磁場扭曲厲害，還會出現可逆去磁，由此引起轉矩靈敏度下降，出現電流一轉矩特性曲線向下彎曲。無刷直流力矩電動機則不同，電子換向無法調整幾何中性線，故大部分堵轉點都會產生直軸電樞反應，只有極少數的堵轉才有交軸電樞反應。直軸電樞反應的結果使有的堵轉點增磁，由此出現電流一轉矩特性曲線上翹現象；有的堵轉點減磁，出現電流一轉矩特性曲線下彎現象。交軸電樞反應點則出現電流-轉矩特性曲線保持線性狀態。

    為了敘述方便，我們用一種三相星形三狀態無刷直流力矩電動機在不同堵轉狀態下電樞反應進行分析(三相六狀態電機理論上是一樣的)。圖3是三相三狀態無刷直流力矩電動機堵轉定轉子磁場變化圖。該電機的磁狀態角θ=120^。，圖3a為轉子堵轉在磁狀態角的邊界l位置。可以看出，此時的電樞反應磁場FD的直軸分量****，且和轉子磁場方向Φz方向相反，會產生****去磁。此點測到的電流一轉矩特性曲線則會向下彎，如圖2b所示。隨著轉子位置按箭頭方向變化，FD的直軸分量逐漸減小，去磁作用也逐漸減小，堵轉點的電流-轉矩特性曲線會由向下彎曲逐漸變直，當轉子運動到磁狀態角堵轉時，則只有交軸電樞反應，此時的電流-轉矩特性曲線變為圖2c；當轉子位置在大于角堵轉時，電樞反應磁場FD的直軸分量與轉子磁場Φz方向相同，于是出現增磁，電機電流-轉矩特性曲線開始向上翹，當堵轉到如圖3b所示的磁狀態角的另一個邊界2位置時，FD的直軸分量會產生****增磁，這時電機的電流-轉矩特性曲線便出現如圖2a所示的上翹現象。無刷直流力矩電動機的直軸電樞反應不可避免地會對電機的轉矩波動造成影響。但由于無刷直流電動機的轉子磁極一般都采用顯極結構，對電樞反應磁勢呈現較大的磁阻，所以這種增磁去磁作用也是有限的，故

對轉矩波動也不會產生太大的影響。而且可以通過改變通電方式、減小磁狀態角來減小電樞反應的直軸分量。因無刷直流電動機的****直軸電樞反應磁勢為,三相三狀態的磁狀態角θ=120^。，三相六狀態的磁狀態角θ=60^。。顯然改變通電方式或增加相數都可以減小磁狀態角，從而達到減小直軸電樞反應對轉矩波動的影響，故直軸電樞反應對無刷直流力矩電機轉矩波動的影響也是有限的。

3直流力矩電動機的電刷壓力測試問題

    直流電動機通過電刷傳遞電流，電刷壓力大，換向器磨損厲害，會加大空載損耗；電刷壓力小，易產生接觸不良，引起打火，燒蝕換向器。因此，一般都要將電刷壓力控制在一個適當的范圍內，以使電刷安全可靠地進行工作。那么，檢查直流電動機的電刷壓力以何種方法為好?目前，常用的方法有兩種：一種是杠桿式測克計法，另一種是壓縮式測克計法。杠桿式測克計法是用測克計的杠桿****撥動電刷測壓力，操作技巧要求高，要達到準確測量非常困難。且它是利用薄片鈹青銅彈簧產生彈性變形而測力，這種薄片彈簧很容易變形失效，使用期稍長便不準確。另一種壓縮式測克計，它是利用圈式彈簧壓縮變形而測力，操作方便，測試準確。但這種測克計為專用工具，市面上較難買到。

    我們也可采用電子秤測電刷壓力，既簡單方便，又測試準確。其測試原理如圖4所示。圖中：輔助墊塊邊緣攻絲，

上一T型螺桿，桿長100mm左右，彎折頭端部上下用砂輪打平。直流力矩機分裝式刷架，將電刷壓在螺桿測量頭磨平處，上拉或下壓均可測電刷壓力。大刷架，上拉；小刷架，下壓。測試前，先將電子秤去皮為零。去皮為電子秤術語，它可將輔助墊塊等附加重量全部去除顯零，然后上拉或下壓刷架，此時電子秤顯示的全部為電刷壓力。上拉，電刷壓力顯示為負重；下壓，電子秤顯示為正重。測試準確方便，因為只要選用小量程電子秤，分辨率可以小于l g。以上是分裝式直流力矩機電刷壓力檢查，如果是內藏式電刷，只要另配輔助測量頭，檢查同樣方便。例如測量s系列直流伺服電機內藏式電刷壓力，輔助墊塊的螺桿則不用彎頭而保持垂直，然后插入下壓的電機端蓋刷蓋的探孔中，便可方便測電刷壓力。