| 無刷直流電機在按摩椅行業(yè)的應(yīng)用
張生明
(浙江豪中豪健康產(chǎn)品有限公司，浙江平陽325400)
摘要：無刷直流電機是集特種電動機、功率驅(qū)動器、檢測元件、微處理器、控制軟件和硬件于一體的新一代機電一體化高科技產(chǎn)品，既保持了有刷直流電動機良好的調(diào)速性能的特點，又具有結(jié)構(gòu)簡單、起動力矩大、調(diào)速范圍寬、損耗低、效率高、無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多****成果。按摩椅作為一種模擬人手的揉捏敲打動作對人體進行按摩的智能化產(chǎn)品，其在模糊控制和直接驅(qū)動方面具有很高的要求。將無刷直流電機技術(shù)應(yīng)用到按摩椅行業(yè)，將會大大降低按摩椅的運行噪音，提升按摩椅的使用舒適性，增加按摩椅的穩(wěn)定性，延長按摩椅的使用壽命，并顯著降低按摩椅的運行能耗。這種應(yīng)用，必將從最基礎(chǔ)的驅(qū)動層面上整體推動按摩椅行業(yè)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；按摩椅；應(yīng)用
0引言
無刷直流電動機是近年來隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和高開關(guān)頻率、低功耗新型電力電子器件的應(yīng)用，以及控制方法的優(yōu)化和低成本、高磁能積的永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種新型直流電動機。
“無刷直流電動機”一詞最初特指具有電子換向的直流電動機，“無刷”即指由電子換向取代傳統(tǒng)的機械換向，“直流”即指具有與有刷直流電動機相同的工作特性�？偨Y(jié)現(xiàn)有參閱文獻可知，無刷直流電動機是指轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，定子繞組為多相交流繞組，并配以適當(dāng)?shù)奈恢脵z測器，可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號按一定的次序向定子繞組進行電子饋電的自同步電動機系統(tǒng)。因此，它又被稱為自控式同步電動機。無刷直流電動機的特點是在同步電動機的定子上裝有～臺轉(zhuǎn)子位置傳感器，由它發(fā)出信號控制變壓變頻裝置的逆變器換流，從而改變同步電機的供電頻率，調(diào)速時由外部控制逆變器的直流輸入電壓或電流，它用電力電子裝置取代了機械換相器，岡此又稱為無換向器電機。
無刷直流電動機既保持了有刷直流電動機良好的調(diào)速性能又具有無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點，因而在航空航天、數(shù)控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設(shè)備和家用電器等方面都獲得了廣泛應(yīng)用。
按摩椅作為一種模擬人手的揉捏敲打動作對人體進行按摩的智能化產(chǎn)品，其在模糊控制和直接驅(qū)動方面無疑具有很高的要求。而采用無刷直流電動機直接驅(qū)動按摩椅機械裝置的技術(shù)，對于滿足按摩椅的這些要求，無疑是十分有效的途徑。近十幾年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTR、MOsFET和IGBT等的相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料如鐵氧體、銣鐵硼等相繼問世，為無刷直流電動機的生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。按摩椅采用無刷直流電動機直接驅(qū)動，可實現(xiàn)無級寬調(diào)速，調(diào)整范圍可達0~1000，m/min，使按摩椅的模糊控制方案更為易于實現(xiàn)，并且由于省去了齒輪減速及皮帶傳動機構(gòu)，無刷直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)的效率明顯高于原有系統(tǒng)的效率，同時也將降低了按摩椅工作時的噪聲，這些都無疑將太大
提高按摩椅的產(chǎn)品性能和市場競爭能力。
1無刷直流電機在降低按摩椅噪音方面的作用
由于按摩椅在工作的時候，人的頭部緊貼按摩機械手，噪音問題將會嚴重影響人的舒適程度。由我公司負責(zé)起草的國家標準《家用和類似用途電器噪音限值電動按摩器的特殊要求》規(guī)定按摩椅的整機噪音限值為55dB(A)，而目前采用的傳統(tǒng)直流電機的正常負載運行噪音為：38dB(A)
左右。所以，降低電機噪音成為了進一步降低整機按摩椅噪音的重要技術(shù)方向。
因為直流電機具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，所以其在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)一直占有主導(dǎo)地位�；谶@個道理，按摩椅的驅(qū)動電機也一直采用直流電機。但是根據(jù)法拉第定律，當(dāng)直流電機的轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動時，其在磁場中的受力將會反向，所以直流電機需要有一個電流轉(zhuǎn)向功能，才能保證電機平穩(wěn)的持續(xù)運行。在傳統(tǒng)的直流電機中，這個功能由電刷完成。這種機械換向方式，在電刷與換向器之間存在機械摩擦，在這個過程中不可避免的產(chǎn)生噪音與火花。直流電機的噪音主要是電刷與換向器之間的摩擦噪音。而且從理論上，這個噪音將永遠無法消失。目前采用高潤滑導(dǎo)電材料做成的電刷與換向器，其噪音仍然在35dB(A)以上。
為了取代有刷直流電動機的電刷——換向器結(jié)構(gòu)的機械接觸裝置，人們對此進行了長期的探索。早在1915年，美國人蘭格米爾(Langm_11)發(fā)明丁，帶控制柵極的水銀整流器，制成了由直流變交流的逆變裝置。1917年，Boliget提出了用整流管代替有刷贏流電動機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電動機的基本思想。本世紀三十年代有人開始研制以電子換向取代電刷機械換向的直流無刷電動機，但當(dāng)時由于受到元器件的限制而沒有發(fā)展起來。1955年美國的D．哈利森(arrison)等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電動機機械電刷的專利，標志著現(xiàn)代無刷直流電動機的誕生。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對1876年美國人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過多年努力，終于在1962年試制成功了借助霍爾元件換流的無刷直流電動機，從而開創(chuàng)了無刷直流電動機的新紀元。l978年德國NESMANN公司在漢諾威貿(mào)易博覽會上推出MAc方波無刷直流電動機及其驅(qū)動器，標志著方波無刷直流電動機技術(shù)進入實用階段。
無刷直流電機因為不需要通過電刷和換向器進行電流換向，所以從根本上消除了兩者的摩擦噪音。一般來說，無刷直流電機的噪音水平只有傳統(tǒng)直流電機的百分之十左右。采用無刷直流電機，大大降低了按摩椅的噪音水平。實驗發(fā)現(xiàn)，采用了無刷直流電機之后，按摩椅的噪音水平只有原來的百分之四十五左右，大大降低了按摩椅的運行噪音，顯著提升了按摩椅的使用舒適性。
2無刷直流電機在提升按摩椅智能化方面的作用
無刷直流電機和一般有刷直流電機具有基本相同的調(diào)速特性，即只要簡單地改變電機的輸入電壓或勵磁電流的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進行無級調(diào)速。而無刷直流電機一般為永磁同步電動機，其勵磁是恒定的，故無刷直流電機只能通過改變電機的輸入電壓來實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這種控制方式，大大簡化了電機的控制方式，使得控制更加靈活簡便。
無刷直流電機通過電子方式改變電流方向獲得持續(xù)的轉(zhuǎn)矩。這個過程中，其轉(zhuǎn)子位置信號除了通過位置傳感器來獲得之外，還可以通過檢測定子繞組三相端電壓來檢測轉(zhuǎn)子位置。這種技術(shù)的采用，不但使電機結(jié)構(gòu)簡單，提高了電機運行的可靠性，降低了電機的制造成本，還避免了位置傳感器在高溫、冷凍和有腐蝕性物質(zhì)等不便于使用的場合，擴大了無刷直流電機的應(yīng)用范圍。而且，通過這種方式，還可以將電機的控制系統(tǒng)與按摩系統(tǒng)一起，集成到主板上，增大了機電一體化的程度，大大增強了電機的可控性能，從而大大提升了按摩椅的靈活性。
隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，將傳統(tǒng)的電機與電子技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)出全新性能的新一代產(chǎn)品。機電一體化就是最終實現(xiàn)智能化功能單元的必由之路。所謂智能化的電動機就是將電動機、編碼器(傳感器)、功率放大器、電源、可編程控制器和網(wǎng)絡(luò)管理器等智能化模塊組合在一起，形成一個整體，這樣的組合會給驅(qū)動系統(tǒng)帶來一系列的優(yōu)點，如可靠性高、成本降低、體積減小、系統(tǒng)性能提高等。通過對無刷直流電動機本體的結(jié)構(gòu)電氣參數(shù)及工作性能的研究，及建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，有效的提升按摩椅的智能化水平。
智能控制是控制理論發(fā)展的****階段，一般包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制專家系統(tǒng)。智能控制技術(shù)的應(yīng)用，大大改進和優(yōu)化了無刷直流電動機的運行性能。傳統(tǒng)控制，譬如PlD控制或線性二次方程控制，需要精確地描述系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，這對于帶有未知動力變化的系統(tǒng)可能是一個主要限制因素。即使能夠得到控制系統(tǒng)的模型，但飽和、擾動、參數(shù)變化這些未知條件也是不可能用精確的模型建立的。負載的變化和外部擾動將直接影啊伺服系統(tǒng)的性能，而且電機的端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)和永磁體磁鏈諧波等將產(chǎn)生推力紋波，系統(tǒng)參數(shù)(轉(zhuǎn)予質(zhì)量、粘滯摩擦系數(shù)等)的變化、摩擦阻力的非線性變化以及狀態(tài)的觀測噪聲等都會降低系統(tǒng)的伺服性能。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)具有目學(xué)習(xí)的功能，在處理控制系統(tǒng)的非線性、不確定性等問題上有很好的應(yīng)用前景。
利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對永磁無刷直流電機進行控制，不要求預(yù)知精確的系統(tǒng)參數(shù)，利用一些先進的控制算法可以實現(xiàn)很好的控制效果。小波變換以特有的尺度伸縮功能，使其具有很強的奇異、突變信號的鑒別能力，能有效地檢測到非平穩(wěn)信號的瞬時、奇異成分，并能顯示時域的產(chǎn)生和持續(xù)時間，使其在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷等非平穩(wěn)、時變信號的分析領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。通過采用具有很強自學(xué)習(xí)能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)無刷直流電機電流、電壓的雙閉環(huán)控制。通過在線學(xué)習(xí)能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，對擾動和參數(shù)變化進行有效的抑制補償，同時采用小波變換實時進行系統(tǒng)的故障診斷和保護，從而可以有效地提高控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度和可靠性。
3無刷直流電機在提升按摩椅穩(wěn)定性方面的作用
按照供電方式的不同，無刷直流電動機又可以分為兩類：
(1)方波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁同步電動機：
(2)正弦波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。
但無論哪種無刷直流電機，其都有一個共同點，就是沒有電刷。因為沒有電刷，所以在運行過程中就不會出現(xiàn)因電刷和換向器之間的相互摩擦噪音，也不會出現(xiàn)火花。因而，按摩椅采用無刷直流電機之后，每圈出現(xiàn)一次的運動火花將會****消失，其運行過程中的發(fā)熱將大大降低，周期性的電機扭矩變化也會消失，從而大大提升了按摩椅的穩(wěn)定性能。
4結(jié)論
無刷直流電機是集特種電動機、功率驅(qū)動器、檢測元件、微處理器、控制軟件和硬件于一體的新一代機電一體化高科技產(chǎn)品，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多****成果。這種電機具有結(jié)構(gòu)簡單、起動力矩大、調(diào)速范圍寬、損耗低、效率高、無滑動接觸和換向火花、可靠性高、噪音低和使用壽命長等突出優(yōu)點。在按摩椅行業(yè)中，隨著智能化程度的提高，對電動機也相應(yīng)提出了低噪聲、高性能、長壽命、高可靠、小型化、高效節(jié)能的要求。這些電動機結(jié)合新的控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和新的電子設(shè)備，大大降低了按摩椅的運行噪音，提升了按摩椅的使用舒適性，增加了按摩椅的穩(wěn)定性，延長了按摩椅的使用壽命，并降低了按摩椅的運行能耗。從而，無刷直流電機從最基礎(chǔ)的層面上，促進了按摩椅行業(yè)的發(fā)展。
作者簡介：張生明(1963-)，男，工程師，長期從事保健按摩器具的研究和開發(fā)。 |
