| 無刷直流電機在按摩椅行業的應用
張生明
(浙江豪中豪健康產品有限公司，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品，既保持了有刷直流電動機良好的調速性能的特點，又具有結構簡單、起動力矩大、調速范圍寬、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點，體現著當今應用科學的許多****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品，其在模糊控制和直接驅動方面具有很高的要求。將無刷直流電機技術應用到按摩椅行業，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。這種應用，必將從最基礎的驅動層面上整體推動按摩椅行業的發展。
關鍵詞：無刷直流電機；按摩椅；應用
0引言
無刷直流電動機是近年來隨著微處理器技術的發展和高開關頻率、低功耗新型電力電子器件的應用，以及控制方法的優化和低成本、高磁能積的永磁材料的出現而發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。總結現有參閱文獻可知，無刷直流電動機是指轉子為永磁結構，定子繞組為多相交流繞組，并配以適當的位置檢測器，可根據轉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。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～臺轉子位置傳感器，由它發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點，因而在航空航天、數控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面都獲得了廣泛應用。
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品，其在模糊控制和直接驅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動按摩椅機械裝置的技術，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，隨著電力電子技術的飛速發展，許多新型的高性能半導體功率器件，如GTR、MOsFET和IGBT等的相繼出現，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和應用奠定了堅實的物質基礎。按摩椅采用無刷直流電動機直接驅動，可實現無級寬調速，調整范圍可達0~1000，m/min，使按摩椅的模糊控制方案更為易于實現，并且由于省去了齒輪減速及皮帶傳動機構，無刷直流電動機驅動系統的效率明顯高于原有系統的效率，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》規定按摩椅的整機噪音限值為55dB(A)，而目前采用的傳統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方向。
因為直流電機具有優良的轉矩控制特性，所以其在調速領域內一直占有主導地位。基于這個道理，按摩椅的驅動電機也一直采用直流電機。但是根據法拉第定律，當直流電機的轉子發生轉動時，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向功能，才能保證電機平穩的持續運行。在傳統的直流電機中，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——換向器結構的機械接觸裝置，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，但當時由于受到元器件的限制而沒有發展起來。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，標志著現代無刷直流電動機的誕生。隨著半導體技術的飛速發展，人們對1876年美國人霍爾發現的霍爾效應再次發生興趣，經過多年努力，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，從而開創了無刷直流電動機的新紀元。l978年德國NESMANN公司在漢諾威貿易博覽會上推出MAc方波無刷直流電動機及其驅動器，標志著方波無刷直流電動機技術進入實用階段。
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。實驗發現，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進行無級調速。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恒轉矩調速。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的轉矩。這個過程中，其轉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子位置。這種技術的采用，不但使電機結構簡單，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等不便于使用的場合，擴大了無刷直流電機的應用范圍。而且，通過這種方式，還可以將電機的控制系統與按摩系統一起，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。
隨著微電子技術和電力電子技術的發展，將傳統的電機與電子技術結合起來，開發出全新性能的新一代產品。機電一體化就是最終實現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、可編程控制器和網絡管理器等智能化模塊組合在一起，形成一個整體，這樣的組合會給驅動系統帶來一系列的優點，如可靠性高、成本降低、體積減小、系統性能提高等。通過對無刷直流電動機本體的結構電氣參數及工作性能的研究，及建立相應的數學模型，有效的提升按摩椅的智能化水平。
智能控制是控制理論發展的****階段，一般包括模糊控制、神經網絡控制專家系統。智能控制技術的應用，大大改進和優化了無刷直流電動機的運行性能。傳統控制，譬如PlD控制或線性二次方程控制，需要精確地描述系統動態數學模型，這對于帶有未知動力變化的系統可能是一個主要限制因素。即使能夠得到控制系統的模型，但飽和、擾動、參數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的性能，而且電機的端部效應、齒槽效應和永磁體磁鏈諧波等將產生推力紋波，系統參數(轉予質量、粘滯摩擦系數等)的變化、摩擦阻力的非線性變化以及狀態的觀測噪聲等都會降低系統的伺服性能。而人工神經網絡(ANN)具有目學習的功能，在處理控制系統的非線性、不確定性等問題上有很好的應用前景。
利用人工神經網絡對永磁無刷直流電機進行控制，不要求預知精確的系統參數，利用一些先進的控制算法可以實現很好的控制效果。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信號的瞬時、奇異成分，并能顯示時域的產生和持續時間，使其在設備狀態監控與故障診斷等非平穩、時變信號的分析領域具有明顯的優勢。通過采用具有很強自學習能力的人工神經網絡來實現無刷直流電機電流、電壓的雙閉環控制。通過在線學習能夠在保證系統穩定性的同時，對擾動和參數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的故障診斷和保護，從而可以有效地提高控制系統的動靜態性能、穩態精度和可靠性。
3無刷直流電機在提升按摩椅穩定性方面的作用
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因電刷和換向器之間的相互摩擦噪音，也不會出現火花。因而，按摩椅采用無刷直流電機之后，每圈出現一次的運動火花將會****消失，其運行過程中的發熱將大大降低，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定性能。
4結論
無刷直流電機是集特種電動機、功率驅動器、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品，體現著當今應用科學的許多****成果。這種電機具有結構簡單、起動力矩大、調速范圍寬、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點。在按摩椅行業中，隨著智能化程度的提高，對電動機也相應提出了低噪聲、高性能、長壽命、高可靠、小型化、高效節能的要求。這些電動機結合新的控制技術、傳感器技術和新的電子設備，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的層面上，促進了按摩椅行業的發展。
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。 |
