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張一嗚 夏平疇(中國(guó)科學(xué)院電工研究所北京100080)
摘 要 采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的電樞反應(yīng)作了分析，指出了電樞反應(yīng)對(duì)力矩波動(dòng)的影響。在討論了
無(wú)刷電機(jī)的換向原理之后，提出了一種削弱這種影響的新方法。最后用實(shí)驗(yàn)證明了這種方法的可行性。
敘 詞 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)力矩波動(dòng)
1 引 言
直流伺服電機(jī)控制簡(jiǎn)單，目前使用較多，但由于電刷與換向器等機(jī)械裝置的存在，使該類型電機(jī)使用有諸多不便，需要定期維護(hù)和更換碳刷，制造也較麻煩，容量和使用電壓也受到限制。所以，70年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論和微處理器件的進(jìn)步，無(wú)刷直流電機(jī)取代有刷直流電機(jī)已成為一種必然的趨勢(shì)[1]。但是，如果從低速時(shí)的力矩波動(dòng)來(lái)看，與有刷電機(jī)相比，無(wú)刷電機(jī)還不能盡如人意。原因有很多方面，如無(wú)刷電機(jī)的反電勢(shì)波形不可能達(dá)到理論上的梯形波，無(wú)刷電機(jī)電樞反應(yīng)的存在、電機(jī)的齒槽效應(yīng)、電機(jī)的相電感不對(duì)稱等。因此，要克服無(wú)刷電機(jī)低速時(shí)的力矩波動(dòng)，不得不從多方面著手。本文詳細(xì)探討無(wú)刷電機(jī)的電樞反應(yīng)對(duì)力矩波動(dòng)的影響以及克服的方法。
2 無(wú)刷直流伺服電機(jī)的電樞反應(yīng)
通過(guò)對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的數(shù)值分析，可以清楚地看到電機(jī)電柩反應(yīng)的嚴(yán)重程度。電機(jī)的模型如圖1所示。
假定：
(1)磁瓦等效為兩側(cè)有電流層
(2)求解區(qū)域?yàn)橐粋�(gè)極矩范圍，兩側(cè)滿足周期性條件，電機(jī)外殼外圓與轉(zhuǎn)軸中心處場(chǎng)強(qiáng)為零。
(3)每極槽數(shù)為整數(shù)，定、轉(zhuǎn)子相對(duì)固定，不考慮換向過(guò)程。
電機(jī)的基本方程式和邊界條件是：
圖2示出了某一額定電流為45A的電機(jī)在空載和1～5倍負(fù)載下氣隙磁場(chǎng)沿極距的分布。
從圖2中可見，無(wú)刷直流電機(jī)的電樞反應(yīng)與有刷直流電機(jī)的電樞反應(yīng)在程度上大體相當(dāng)[2]。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到電機(jī)的矩角特性[3]，圖3給出了極孤系數(shù)分別為0.8和0.9時(shí)電機(jī)的矩角特性曲線，從中可以看到力矩波動(dòng)。
從理論上講，給定一個(gè)正弦值和余弦值，就可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)子位置）。
通過(guò)RDC變換，轉(zhuǎn)子的位置就能以數(shù)字量并行的方式輸出，其分辨率可以是210～216，由****轉(zhuǎn)速確定。****轉(zhuǎn)速越高，分辨率越低。
無(wú)刷直流電機(jī)電子換向的方法是，把報(bào)告電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的并行數(shù)字量作為地址線，去觸發(fā)一片已寫好的換向代碼的EPROM，隨著地址的增加（電機(jī)正轉(zhuǎn)）或減少（電機(jī)反轉(zhuǎn)），換向代碼就按照一定的順序控制大功率模塊的開或關(guān)，如圖4所示。
3基于旋變反饋的換向原理
為了削弱電機(jī)電樞反應(yīng)對(duì)力矩波動(dòng)的影響，有必要先弄清楚無(wú)刷直沆電機(jī)的換向原理。無(wú)刷直流伺服電機(jī)的位置反饋元件可以是霍爾元件、光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。這里以一個(gè)激勵(lì)、二個(gè)輸出的旋變?yōu)槔榻B換向原理。
設(shè)激勵(lì)電壓為：
在兩組輸出繞組上，
正弦輸出：
余弦輸出：
如果電機(jī)繞組接成星形，按照6狀態(tài)方式運(yùn)行，用RDC中的高8位換向，每一狀態(tài)可分割為42. 67等分，當(dāng)然，不可能分出小數(shù)等分，即小數(shù)等分
必須舍去或進(jìn)入。進(jìn)行合理的分配后，有兩個(gè)狀態(tài)得到42份，4個(gè)狀態(tài)得到了43份，總共是256份。這種分配方式的不均勻，是產(chǎn)生力矩波動(dòng)的原因之一，但不是主要原因。
如果電機(jī)足兩對(duì)極，則每對(duì)極角狀態(tài)只能分得21份或22份。換向代碼（亦即數(shù)據(jù)線Do，Di，D2）是 -11—001, 010, 011,101,110 ,100.
4無(wú)刷直流電機(jī)電樞反應(yīng)的削弱方法
在有刷電機(jī)中，削弱電樞反應(yīng)、改善換向條件的主要方法有：裝置換向極和移動(dòng)電刷。因永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式的限制，在有刷直流伺服電動(dòng)機(jī)中裝置換向極已不可能，因此只能采用移動(dòng)電刷的方法削弱電樞反應(yīng)。雖然移動(dòng)電刷容易引起速度的不穩(wěn)定，但因驅(qū)動(dòng)它的伺服系統(tǒng)帶有速度反饋，所以，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，這一點(diǎn)可不予考慮。
移動(dòng)電刷的本質(zhì)在于超前或滯后換向，也就是只要讓繞組超前或滯后導(dǎo)通，就相當(dāng)于移動(dòng)了無(wú)刷電機(jī)的“碳刷”，從而達(dá)到削弱電樞反應(yīng)的目的。對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，逆著旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)“電刷”，即提前換向就能削弱電樞反應(yīng)。
圖5是實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想的電路圖，圖6是寫入E-PROM中的部分字節(jié)。EPROM的地址線不要全部接至RDC的數(shù)據(jù)輸出線上，取Ao～A7和RDC的Oo和07相連，把EPROM的D3通過(guò)電阻R接到A8，并且A8通過(guò)電容C接到地，電阻R起緩沖作用，電容C起放電作用。
從圖6中可見，如果電機(jī)正轉(zhuǎn)，地址從000到004，數(shù)據(jù)都是05，繞組導(dǎo)通均為一個(gè)狀態(tài)，走到005，數(shù)據(jù)輸出是OD，與前面為同一狀態(tài)；但下一時(shí)刻地址線跳到106，教據(jù)輸出為09，導(dǎo)通狀態(tài)改變，與006、007不同，106、107提前兩個(gè)脈沖換向，這樣就達(dá)到了正轉(zhuǎn)提前換向的目的。
但是，不能在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)提前換向（如虛線所示），只有在校核旋轉(zhuǎn)變壓器零點(diǎn)時(shí)，有意識(shí)地逆著電機(jī)反轉(zhuǎn)方向微調(diào)一點(diǎn)，以削弱電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)電樞反應(yīng)的影響。因電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，提前換向的位數(shù)是可以調(diào)節(jié)的，因此通過(guò)改變換向代碼和調(diào)整旋變的零點(diǎn)就能削弱電機(jī)在正、反轉(zhuǎn)時(shí)電樞反應(yīng)對(duì)力矩波動(dòng)的影響。
5結(jié)論
用X-Y記錄儀記錄下RDC某一位輸出的波形觀察改變換向位數(shù)對(duì)低速力矩波動(dòng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
(1)不改變換向位時(shí)抖動(dòng)量比提前3個(gè)字節(jié)換向時(shí)的抖動(dòng)量大。
(2)提前換向字節(jié)過(guò)多時(shí)，如提前5個(gè)字節(jié)進(jìn)行換向時(shí)也會(huì)增大抖動(dòng)量。
(3)本文提出的方法是行之有效的。然而，因電機(jī)的負(fù)載隨時(shí)變化，電樞反應(yīng)的程度也隨之不同，因此本文提出的方法只是削弱電樞反應(yīng)，而不能****的消除。盡管如此，本文的研究結(jié)果對(duì)無(wú)刷直流方波電機(jī)的低速特性的改善具有現(xiàn)實(shí)的意義。
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