運(yùn)控電機(jī)之無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)
王宗培1，陳敏祥2
(1.珠海運(yùn)控電機(jī)有限公司，珠海519000；2．浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027)
摘要：近代無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)沒(méi)有滑動(dòng)電接觸，具有調(diào)速方便和轉(zhuǎn)矩控制性能好等
類似直流電動(dòng)機(jī)的特性，已成為近代運(yùn)控電動(dòng)機(jī)的主流。但是它本質(zhì)上是具有自同步功能的交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，與真正的直流電動(dòng)機(jī)相比較仍有二個(gè)弱點(diǎn)，一是繞組電感限制電動(dòng)機(jī)的極限功率輸出，二是電樞交流電流實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制不方便。提出了新一代BLDCM的設(shè)想，即具有理想直流電樞繞組電路的電子換向電動(dòng)機(jī)，并對(duì)其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一機(jī)械特性和轉(zhuǎn)矩控制性方式進(jìn)行了分析，有助于對(duì)其本質(zhì)的理解。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；永磁同步電動(dòng)機(jī)；電子換向電動(dòng)機(jī)；機(jī)械特性；轉(zhuǎn)矩控制
1直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷化的夢(mèng)
由于最早得到廣泛應(yīng)地用的電能是直流電，所以最早發(fā)明的電動(dòng)機(jī)便是直流電動(dòng)機(jī)。19世紀(jì)90年代認(rèn)識(shí)了交流電和三相交流電的輸送和分配，隨之便產(chǎn)生了交流電動(dòng)機(jī)。三相籠型交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)又方便，很快在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)完成機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為基本功能的電動(dòng)機(jī)，還不斷提出越來(lái)越高的運(yùn)動(dòng)控制方面的要求，其中最主要的要求是調(diào)速方便和轉(zhuǎn)矩控制性能良好。直流電動(dòng)機(jī)恰好具有這樣的特點(diǎn)。于是從20世紀(jì)30年代開始，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)便逐步發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)又方便的異步電動(dòng)機(jī)，在20世紀(jì)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，主要應(yīng)用在不調(diào)速或簡(jiǎn)單調(diào)速的場(chǎng)合，在調(diào)速系統(tǒng)中占統(tǒng)治地位的則是直流電動(dòng)機(jī)。
然而直流電動(dòng)機(jī)存在機(jī)械換向器以及與電刷的滑動(dòng)電接觸，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)麻煩，使用環(huán)境受限，在向離轉(zhuǎn)速、高電壓和大容量方向發(fā)展時(shí)也受到限制，成為它固有的弱點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如此突出，弱點(diǎn)如此明顯，所以從一開始，也就是20世紀(jì)30年代起，人們便有了直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷化的夢(mèng)，著手進(jìn)行無(wú)機(jī)械換向器或無(wú)滑動(dòng)電接觸直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研究。受當(dāng)時(shí)客觀條件的限制，在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，這方面研究的展不大，直到20世紀(jì)70年代，電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)有了較大的發(fā)展，為無(wú)刷化的研究提供了基礎(chǔ)，可實(shí)際應(yīng)用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生，并很快發(fā)展，在運(yùn)控電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域形成逐步取代傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)之勢(shì)，直到20世紀(jì)末已成為當(dāng)代運(yùn)控電動(dòng)機(jī)的主流[1]。那么直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷化的夢(mèng)已圓滿實(shí)現(xiàn)了嗎?作為當(dāng)前運(yùn)控電動(dòng)機(jī)主流產(chǎn)品的是正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(通常被稱
為交流伺服電動(dòng)機(jī))已經(jīng)達(dá)到運(yùn)控電動(dòng)機(jī)的頂峰了嗎?本文將從電機(jī)學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)相關(guān)的問(wèn)題作一些基礎(chǔ)性的討論和探討。
2無(wú)刷直流還是永磁同步
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)從上世紀(jì)70年代開始快速發(fā)展，到20世紀(jì)末已趨成熟和完善，在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用并產(chǎn)業(yè)化。目前主流產(chǎn)品的典型結(jié)構(gòu)為：①電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子與標(biāo)準(zhǔn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)一樣，定子上有三相繞組，轉(zhuǎn)子磁極采用多極磁環(huán)、表貼式磁瓦或不同特點(diǎn)的內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)；②直流電源通過(guò)功率開關(guān)管構(gòu)成的三相橋電路或者說(shuō)三相逆變驅(qū)動(dòng)器給定子三相繞組供電；③轉(zhuǎn)子角位置傳感器通常采用的主要有霍爾元件光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器；轉(zhuǎn)子位置反饋信息通過(guò)邏輯轉(zhuǎn)換或其他控制環(huán)節(jié)控制功率開關(guān)管的通斷或加到繞組電路上電壓和電流的相位和幅值。
電機(jī)學(xué)科的研究者，通常認(rèn)為近代無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)“實(shí)質(zhì)上是交流電動(dòng)機(jī)”[2]。具體一點(diǎn)講是交流永磁同步電動(dòng)機(jī)。逆變器提供方波或正弦波電壓驅(qū)動(dòng)，在正弦驅(qū)動(dòng)的情況下，電樞繞組電路的電壓和電流都是正弦波與標(biāo)準(zhǔn)的同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有二樣，只不過(guò)不是在恒定頻率電源條件下運(yùn)行。由于位置傳感器控制逆變器，使電動(dòng)機(jī)自同步運(yùn)行，因而可以方便地調(diào)壓調(diào)速，且具有類似直流電動(dòng)機(jī)的特性。在方波驅(qū)動(dòng)情況下，繞組電路的外加電壓是三相方波，仍是三相交流電壓，其中的基波分量仍起主要作用，與外加三相正弦波電壓的電動(dòng)機(jī)并沒(méi)有原則性的區(qū)別，同樣為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，在位置傳感器控制逆變器條件下自同步運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)[3]。文獻(xiàn)[4]作者對(duì)BLDcM的名稱提出質(zhì)疑，同時(shí)也不認(rèn)可交流永磁同步的說(shuō)法，提出應(yīng)稱為“交流箝位電動(dòng)機(jī)”。該文作者的分析首先確認(rèn)BIlI]cM是交流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)然和異步(感應(yīng))電動(dòng)機(jī)聯(lián)系不上；和工頻電源條件下工作的同步電動(dòng)機(jī)相比，運(yùn)行特性和特征有所不同，給一個(gè)有特色的稱謂也不妨，但如果認(rèn)定是與異步電動(dòng)機(jī)及同步電動(dòng)機(jī)并列的另一類交流電動(dòng)機(jī)，則還值得商榷。
方波和正弦波驅(qū)動(dòng)的近代BLDcM，用位置傳感器控制的功率開關(guān)管組件替代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)中的機(jī)械換向器和電刷，達(dá)到自同步運(yùn)行，可以和直流電動(dòng)一樣通過(guò)調(diào)壓來(lái)調(diào)速。矢量控制技術(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)了像直流電動(dòng)機(jī)那樣對(duì)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的解耦控制�？梢�(jiàn)近代BLDcM確實(shí)是較完滿地實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷化的夢(mèng)，達(dá)到了無(wú)滑動(dòng)的電接觸，又具備調(diào)速方便和轉(zhuǎn)矩控制性能良好等類似直流電動(dòng)機(jī)的特性。因此盡管從電機(jī)學(xué)的觀點(diǎn)看起來(lái)本質(zhì)是交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，把它稱為BLDcM也沒(méi)錯(cuò)，因?yàn)橹庇^地看起來(lái)，它沒(méi)有電刷又有類似直流電動(dòng)機(jī)的特性。
工業(yè)產(chǎn)品是在研發(fā)、生產(chǎn)和商業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，它的名稱往往會(huì)受到這些行為和過(guò)程的影響，也就是說(shuō)會(huì)有歷史的原因；一些產(chǎn)品在研發(fā)初期尚未成熟之時(shí)已經(jīng)有了名稱，等到產(chǎn)品成熟后發(fā)現(xiàn)與預(yù)想有些不同，也不容易改變?cè)ǖ拿Q；因?yàn)樵谏a(chǎn)活動(dòng)中已經(jīng)習(xí)慣原有的名稱，商業(yè)行為的影響則可能更大。從商業(yè)利益出發(fā)的廣泛宣傳，使得從學(xué)術(shù)觀點(diǎn)看起來(lái)不嚴(yán)密、甚致不夠恰當(dāng)?shù)拿Q和名詞廣為流傳。對(duì)事物本質(zhì)的分析和了解很重要，其重點(diǎn)應(yīng)不在于爭(zhēng)論它的名稱，重要的是對(duì)本質(zhì)所決定的產(chǎn)品的特性和特征的深入了解。近代BLDcM本質(zhì)上是交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，具有類似直流電動(dòng)機(jī)的特性，那末與標(biāo)準(zhǔn)的直流電動(dòng)機(jī)相比，有沒(méi)有較為重要的差異呢?
3直流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)
三相對(duì)稱交流繞組，通以三相對(duì)稱交流電流時(shí)，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，相對(duì)于繞組電路的轉(zhuǎn)速(nc)稱為同步轉(zhuǎn)速，與電流的頻率(f)成正比，與極對(duì)數(shù)(p)成反比。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以說(shuō)是交流電動(dòng)機(jī)作用原理的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)子為相同極對(duì)數(shù)的永磁或直流勵(lì)磁磁極時(shí)，便構(gòu)成同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子為同步轉(zhuǎn)速，nr=nc情況下，與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。
其實(shí)直流電樞繞組通以直流電流時(shí)，也產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)直流電動(dòng)機(jī)電樞磁勢(shì)(Fa)的軸線在電刷中心線上，在空間是固定不動(dòng)的。但是從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系觀察，則是相對(duì)于電樞鐵心和繞組線圈的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。為了直觀和便于對(duì)比，改為反裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示。電樞繞組和換向器在定子上，轉(zhuǎn)子帶著電刷一起旋轉(zhuǎn)，電樞繞組電路的軸線，也就是電樞磁勢(shì)的軸線隨著電刷中心線一起旋轉(zhuǎn)，與三相交流繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)類似。轉(zhuǎn)子為相同極對(duì)數(shù)的永磁或直流勵(lì)磁磁極時(shí)，與該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的作用也與同步電動(dòng)機(jī)一樣，電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)(nc)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(nr)相等，nr=nc(因轉(zhuǎn)子帶著電刷旋轉(zhuǎn)而自動(dòng)滿足)時(shí)，產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩。
 可見(jiàn)，從定子和轉(zhuǎn)子磁系統(tǒng)的基本特征和它們之間的相互作用看，直流電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)相一致，僅電樞繞組電路系統(tǒng)有差別。同步電動(dòng)機(jī)是三相繞組中的正弦波電流產(chǎn)生磁勢(shì)駐波合成的行波形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組電路中的直流電流產(chǎn)生恒定幅值磁勢(shì)，隨著繞組電路軸線的不斷移動(dòng)而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。同步電動(dòng)機(jī)的“同步”意味著勵(lì)磁磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速和電樞磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速相一致——同步。從這個(gè)意義上講，應(yīng)該把直流電動(dòng)機(jī)叫做“直流同步電動(dòng)機(jī)”。因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)中電樞磁勢(shì)和勵(lì)磁磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速完全一致，不論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如何改變，所以還是皇同步的同步電動(dòng)機(jī)。了解直流電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)之間這種內(nèi)在的一致性以后，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷化的研究成果，BLDcM本質(zhì)上竟然是自同步的同步電動(dòng)機(jī)這一點(diǎn)會(huì)容易理解一些。
4機(jī)械特性
電動(dòng)機(jī)輸出的是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，合起來(lái)的是機(jī)械功率，在一定條件下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，是決定電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和控制性能的最基礎(chǔ)的內(nèi)在規(guī)律。
直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖3所示。轉(zhuǎn)速(n)負(fù)載轉(zhuǎn)矩(TL)變化的規(guī)律是由電樞回路電壓平衡關(guān)系決定的。電樞電流(I)隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而增大，包括機(jī)械損耗轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩(T)為零，電樞電流也為零。這時(shí)電樞繞組電路的反電勢(shì)(E)與端電壓相等，所以(理想)載轉(zhuǎn)速為：
式中，ke為電勢(shì)系統(tǒng)。電樞電流不為零時(shí)，反電勢(shì)因電樞回路電阻(R)壓降增大而下降，相應(yīng)地轉(zhuǎn)速便呈下降特性，即：
可以看出，n=f(T)是一條下降的直線，電樞電阻越小，則速度降落也越小，或者說(shuō)機(jī)械特性越硬。
近代BLDcM的特性與直流電動(dòng)機(jī)類似，機(jī)械特性也是一條下降的曲線。但是它的電樞電路是三相交流電路，與直流電樞電路會(huì)有一些差別。實(shí)際上主要是繞組電感的影響。任何繞組都有電感，但是穩(wěn)態(tài)直流電流不產(chǎn)生電感壓降，交流電流則會(huì)產(chǎn)生，會(huì)影響電路平衡關(guān)系，影響到反電勢(shì)的值，便影響到轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。
不妨以近代BLDcM最有代表性的通用交流伺服系統(tǒng)作具體例子來(lái)說(shuō)明。這類系統(tǒng)產(chǎn)品大部分具有正弦波驅(qū)動(dòng)和id=0的矢量控制的特點(diǎn)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)相繞組電路模型與PMSM相一致[5]，如圖4所示。圖中V1為相繞組的端電壓，只考慮脈寬調(diào)制波正弦輸入頻率成分。E1為反電勢(shì)(空載電勢(shì))，嚴(yán)格一點(diǎn)講也是取它的基波成份；I1為相電流。因?yàn)槭菑?qiáng)制直軸電流為零的控制，它應(yīng)只有交軸分量(Iq)，即與E1同相位；R11為相繞組的電阻；Xc。為同步電抗�？紤]三相繞組的自感和相間互感在內(nèi)，如果交軸和直軸同步電感不一樣，這里應(yīng)采用交軸同步電抗(Xq)，因?yàn)镮1=Iq，Id=O。圖5為相繞組電路的電壓相量圖。
電勢(shì)E1，與端電壓V1相等，(理想)空載轉(zhuǎn)速為：
負(fù)載增大時(shí)，因電阻引起的壓降(I1R11)和(交)同步電抗引起的電壓降△Vx增大使E1下降，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)下降，速度降落，△n=△n1+△n2�！鱪1對(duì)應(yīng)電阻的壓降為：  對(duì)應(yīng)的電抗壓降為：  式中，  為功角。 電抗壓降與電阻壓降是相量相加，而且電抗的值還與轉(zhuǎn)速(角速度)成正比關(guān)系，不是常量，所以△Vx及相應(yīng)的△n2與負(fù)載轉(zhuǎn)矩或電流問(wèn)是非線性關(guān)系。電抗壓降影響的大小與電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有關(guān)，取決于電動(dòng)機(jī)的具體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)。為了能有一些定量的概念，不妨給出一臺(tái)實(shí)例電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)。
實(shí)例電動(dòng)機(jī)是珠海運(yùn)控電機(jī)有限公司通用伺服系列的一臺(tái)早期產(chǎn)品，型號(hào)為：57BL(3)B40一：30H(sT)。額定數(shù)據(jù)為：K=220 V(Ac)，PN=400 w，nN=3 000 r／min，TN=1．3 N．m�；緟�(shù)：R11=2．55Ω，Lc=4．5 mH，p=4，星接繞組，Kel=O．23V／(s／rad)，kt=O．47 N·m／A。按以上公式及圖5的關(guān)系，在V1=127 V保持不變的情況下，計(jì)算電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖6所示。
以上計(jì)算是假設(shè)電源為理想化條件進(jìn)行的，即接在220 v(Ac)的無(wú)窮大電網(wǎng)上，且整流、濾波和逆變器都沒(méi)有阻抗，都不產(chǎn)生壓降，所以與接在實(shí)際系統(tǒng)中的情況會(huì)有一些出入。但是對(duì)于討論繞組電感對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響，對(duì)于了解繞組電感對(duì)機(jī)械特性即輸出轉(zhuǎn)矩和功率的影響并無(wú)妨礙。
從圖6可以直觀地看出近代BLDcM中的繞組電感對(duì)基本特性的影響。它使輸出同樣轉(zhuǎn)矩情況下的****轉(zhuǎn)速下降，同樣轉(zhuǎn)速情況下的****轉(zhuǎn)矩減小，即影響輸出功率極限，使電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力降低，快速性受限。近代BLDcM在過(guò)載能力、快速性等方面都已能達(dá)到很高的指標(biāo)，但是如果繞組電感等于零，那么性能指標(biāo)會(huì)更高。和實(shí)際直流電動(dòng)機(jī)一樣，但繞組電感只能通過(guò)設(shè)計(jì)使它小一些，不可能為零，所以要想達(dá)到真正直流電動(dòng)機(jī)一樣更高的性能指標(biāo)，只有讓電樞繞組電路成為真正的直流電路，繞組電感對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程便不產(chǎn)生影響。
5轉(zhuǎn)矩控制性能
運(yùn)控電動(dòng)機(jī)追求的是對(duì)角速度和角位移的精確控制，這要通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)控制，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩取決于電樞繞組電路的電流和主磁場(chǎng)。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，可以實(shí)時(shí)方便地檢測(cè)和控制它的電樞和勵(lì)磁電流來(lái)控制轉(zhuǎn)矩。如果是永磁電動(dòng)機(jī)，則主要通過(guò)電樞電流來(lái)控制。近代BLD—cM電樞繞組電流為交流，它的特征是電流波形的幅值和相位，實(shí)時(shí)采樣到的是電流的瞬時(shí)值，無(wú)法確定電樞繞組電流的大小和特點(diǎn)，除非進(jìn)行一個(gè)電流交變周期或至少半個(gè)周期的連續(xù)檢測(cè)及運(yùn)算分析，這就喪失了采樣的實(shí)時(shí)勝。
矢量控制技術(shù)的引入解決了以上問(wèn)題。該方法是將檢測(cè)到的三相電流瞬時(shí)值(ia，ib，ic)，通過(guò)快速運(yùn)算轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的直軸電流(i。)和交軸電流(iq)。因?yàn)楹笳邽橹绷麟娏�，便不存在�?shí)時(shí)性的問(wèn)題，而且由于(id)是勵(lì)磁分量，(iq)代表轉(zhuǎn)矩分量，還能實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的所謂解耦控制，與直流電動(dòng)機(jī)相接近。這種技術(shù)，從純教學(xué)的角度，可以看成是電動(dòng)機(jī)的模型一一組電路方程中壓、電流變量的線性變換方法。它的物理基礎(chǔ)是把電動(dòng)機(jī)各繞組的電流或磁勢(shì)認(rèn)定是沿電樞表面圓周周期為一對(duì)極距成正弦分布的波形，可以用繞組軸線上的空闖相量，或者叫做矢量來(lái)表示和運(yùn)算，與交流電路內(nèi)正弦變化的電流，電壓，用時(shí)間坐標(biāo)軸上的(時(shí)間)相量表示相類似。在穩(wěn)態(tài)同步運(yùn)行情況下，三相電流的合成(is)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速幅值不變的一個(gè)矢量，在d(轉(zhuǎn)子直軸)，q(轉(zhuǎn)子交軸)坐標(biāo)方向的分量(iq)和(id)是常數(shù)。這就是矢量控制技術(shù)解決了交流電動(dòng)機(jī)繞組電流實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。
矢量控制技術(shù)對(duì)近代BLDcM至關(guān)重要。矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，矢量控制的BLDcM其轉(zhuǎn)矩控制性能甚好，但這并不能表明它是獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，恰恰相反，只能說(shuō)明是它的不足或弱點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)能通過(guò)電樞電流來(lái)控制轉(zhuǎn)矩很方便，不需要通過(guò)任何特殊的技術(shù)或方法。近代BLDcM因?yàn)樗举|(zhì)上是交流同步，電樞電流的檢測(cè)和控制很不方便，這說(shuō)髓近代BLDcM轉(zhuǎn)矩控制性能本質(zhì)上的弱點(diǎn)。矢量控制技術(shù)可以解決這方面的困難問(wèn)題，但是使電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)增加了硬件電路和復(fù)雜的軟件，無(wú)論計(jì)算機(jī)的速度怎樣提高，從理論上講軟件計(jì)算總要花費(fèi)一定的時(shí)間，也會(huì)在一定程度上限制采樣速度和影響采樣的實(shí)時(shí)性。另外，矢量控制技術(shù)所應(yīng)用的計(jì)算模型是建立在理想電機(jī)基礎(chǔ)上的，對(duì)應(yīng)于電系統(tǒng)和磁系統(tǒng)都理想分布并是線性
的系統(tǒng)。實(shí)際情況則要復(fù)雜得多，不乏與理想電機(jī)相距葚遠(yuǎn)的情況。數(shù)學(xué)模型的不精確，也將影響到轉(zhuǎn)矩控制的精準(zhǔn)性。可見(jiàn)，想要達(dá)到真正直流電動(dòng)機(jī)那樣更為方便和精確的轉(zhuǎn)矩控制性能，只有讓電樞繞組電路成為真正的直流電路，就不會(huì)存在交流繞組電流采樣和控制的不方便。
6對(duì)近代BLDCM的再認(rèn)識(shí)
本文的研究可以得出以下的認(rèn)識(shí)和推論。
1．近代BLDcM較完滿地實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期以來(lái)直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷化的夢(mèng)，達(dá)到了無(wú)滑動(dòng)電接觸，又具備調(diào)速方便和轉(zhuǎn)矩控制性能良好等類似直流電動(dòng)視的特性。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的永磁同步數(shù)字化交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已成為當(dāng)今運(yùn)控電動(dòng)機(jī)的主流。
2．近代BLDcM并不是真正的直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)質(zhì)上是三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。是一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)存在二個(gè)本質(zhì)上的弱點(diǎn)，其一是繞組電感限制了電動(dòng)機(jī)的功率輸出，其二是繞組電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制復(fù)雜化。讓電樞繞組電路成為真正的直流電路，可以進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和控制性能。
3．典型傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)中有比較完善的直流電樞繞組電路，具有下列特點(diǎn)：①接在正和負(fù)極電刷(正負(fù)可互換)之間有二條(或二組)電樞繞組支路；反電勢(shì)(EMF)瞬時(shí)值方向相同的繞組元件處在同一條支路內(nèi)，方向相反的處在另一條支路內(nèi)，EMF瞬時(shí)值為零的元件正處在電刷下進(jìn)行電流換向，從一條支路轉(zhuǎn)換到另一條支路，可見(jiàn)電樞繞組支路不是由固定的線圈元件構(gòu)成，而是由處在固定磁場(chǎng)位置下的元件構(gòu)成，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不斷輪換；②每條支路的串聯(lián)元件數(shù)較多時(shí)，合成的支路EMF，即電樞繞組電路的EMF幾乎不變化，接近穩(wěn)定的直流電勢(shì)，與主磁場(chǎng)的每極磁通量成正比；③每條支路的串聯(lián)元件數(shù)較多時(shí)，換向區(qū)比較窄，換向元件中的EMF接近零，使換向?qū)χ返腅MF幾乎沒(méi)有影響；④串聯(lián)元件數(shù)較多時(shí)，單個(gè)元件的電感量相對(duì)減小，使得電流換向過(guò)程容易，理想的是“直線換向”，即換向元件中的EMF和自感電勢(shì)都為零或相互抵消，換向元件中的電流隨電刷與離去換向片接觸面積的減少而減小，隨著電刷與進(jìn)入換向片接觸面積的增大而反向增加，直至完全改變方向進(jìn)入另一支路；⑤直流電樞繞組電路是一種很獨(dú)特的設(shè)計(jì)，它由二條(或二組)支路構(gòu)成，構(gòu)成支路的元件不斷輪換，從一條支路進(jìn)入另一條支路，元件內(nèi)的電流在此過(guò)程中進(jìn)行換向，即元件的電流是正負(fù)交變的，但是電樞繞組支路或總體電樞繞組電路的電流是恒定不變的，構(gòu)成理想直流電樞繞組電路很重要的一點(diǎn)是每條支路元件數(shù)較多，這時(shí)元件中電流換向的過(guò)程才會(huì)對(duì)主電路和主磁場(chǎng)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基本過(guò)程不起影響作用。
4．沒(méi)有滑動(dòng)電接觸的直流電樞繞組電路，應(yīng)該和傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)一樣設(shè)計(jì)，只要把換向器片和電刷之間的機(jī)械接觸開關(guān)，用電子開關(guān)替代就可以了，把接到換向器片的繞組元件端接到二個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的半橋電路的中點(diǎn)，用位囂傳感器檢測(cè)元件中的EMF的過(guò)零點(diǎn)來(lái)控制上橋或下橋開關(guān)管導(dǎo)通，就等效于該繞組元件通過(guò)換向器片與正電刷接觸或負(fù)電刷接通，即替代了滑動(dòng)電接觸�？梢�(jiàn)這種替代需要的功率開關(guān)管數(shù)是換向器片數(shù)的倍，替代需付出的成本代價(jià)和技術(shù)復(fù)雜性都會(huì)隨元件數(shù)或換向器片增多而急劇增長(zhǎng)�？梢韵胂�，在大約40年前BLDcM逐步定型和成熟期間，當(dāng)時(shí)電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)等水平不高的條件下，要采用較多元件數(shù)構(gòu)成較理想直流電樞繞組電路的方案是不現(xiàn)實(shí)的。所以應(yīng)可以認(rèn)為近代BLDcM是一定時(shí)代的產(chǎn)物，是相關(guān)技術(shù)在一定發(fā)展水平下的產(chǎn)物，選擇最少元件數(shù)即最少換向片數(shù)的直流電動(dòng)機(jī)所作的無(wú)刷化，具有三相電動(dòng)機(jī)的電樞繞組。
5．隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)等的發(fā)展，采用較多元件數(shù)構(gòu)成理想直流電樞繞組電路的新一代BLDcM將成為現(xiàn)實(shí)，成為新的發(fā)展方向。要實(shí)現(xiàn)這一新的目標(biāo)，在當(dāng)前條件下，顯然仍不是輕而易舉的事情，也許朝著這個(gè)方向，逐步取得進(jìn)展，獲得階段性的產(chǎn)品成果，再趨于成熟，較為符合發(fā)展規(guī)律。
6．新一代BJIjjcM的核心內(nèi)容是具有理想直流電樞繞組電路，關(guān)鍵問(wèn)題仍是電流換向。方波驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)代BLDcM，對(duì)應(yīng)于最少元件數(shù)(三槽，三換贏器片)的直流電動(dòng)機(jī)，而且替代電刷和換向器片的功率開關(guān)管器件，在換向過(guò)程中并不能完全等同機(jī)械換向器，電子換過(guò)程中，換向電流回路對(duì)主電路的影響更為明顯，使得轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不高，影響調(diào)速范圍和控制精度，改為正弦波驅(qū)動(dòng)，電流成為正弦變化的波形，電流通過(guò)零點(diǎn)自然改變方向，完全不存在電流換向問(wèn)題，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性等問(wèn)題也隨著解決了，但是電動(dòng)機(jī)變成了永磁同步交流電動(dòng)機(jī)。新一代BLDcM的電流換向問(wèn)題，不能僅靠增大電樞繞組元件數(shù)來(lái)解決，這只能改善電流換向的條件，有必要對(duì)電子換向問(wèn)題作進(jìn)一步的探討。電樞繞組
元件數(shù)的增多會(huì)增加電子換向器的成本，這肯定會(huì)成為發(fā)展新一代BLDcM的障礙，但并不會(huì)阻止它的發(fā)展，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)不斷向更高性能發(fā)展是發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，而且部件的成本是會(huì)隨著相關(guān)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展而變化的，現(xiàn)代BLDcM的發(fā)展過(guò)程就是實(shí)際的例子。
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