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一種無刷直流電機(jī)控制新方法
錢彬
(中國電子科技集團(tuán)司第4l研究所，安徽蚌埠233006)
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)配合激光旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行高精度控制的新方法。
1普通控制原理
傳統(tǒng)的直流電動機(jī)用于精密控制時一般采用如圖1所示的方法。
由于傳統(tǒng)的直流電動機(jī)采用電刷換向，在精密控制中存在定位死區(qū)，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(zhuǎn)的光電編碼器。
而對于普通的無刷直流電動機(jī)一般采用如圖2所示的方法進(jìn)行控制。
圖中，HaⅡA、B、c為開關(guān)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(jī)驅(qū)動電路，也可根據(jù)特殊需要由單片微處理芯片及其它電路構(gòu)成。其作用是：將霍爾信號進(jìn)行邏輯處理；對應(yīng)速度信號產(chǎn)生PWM脈沖；進(jìn)行欠壓、過流、制動、正反轉(zhuǎn)等控制。在不帶高精度位置傳感器(光柵編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器)及速度傳感器(測速機(jī)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(yīng)用在電動自行車、打印機(jī)、****風(fēng)機(jī)等場合。
2新控制方法設(shè)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(jī)及精密定位系統(tǒng)。
2 1空心繞組無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理
如圖3所示，電動機(jī)定子及霍爾元件做成空心繞組結(jié)構(gòu)，即繞組使霍爾元件均粘接在環(huán)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(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，鐵耗及定位轉(zhuǎn)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(tǒng)，也可直
接用電源給定)，既作為霍爾元件A、B、C的電源，又當(dāng)作無刷直流電動機(jī)的給定控制信號。當(dāng)該信號為正時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與其大小有關(guān)；反之亦然。這樣，在控制方式上與傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制方式保持了一致。
2．2霍爾信號的處理及線圈驅(qū)動
霍爾元件A、B、G是三路性質(zhì)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(chǎn)生的位置信號經(jīng)過差分放大后，提取出近似正弦(或類似方波)信號，再經(jīng)放大及反饋控制，最后經(jīng)過電流驅(qū)動控制電動機(jī)運轉(zhuǎn)。
3實際應(yīng)用結(jié)果
在實際應(yīng)用中，我們按照此種控制方法，采用圖1所示的激光旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行定位。激光旋轉(zhuǎn)編碼器為8.1萬線／轉(zhuǎn)，并進(jìn)行了6倍插值和4倍頻。電動機(jī)運行平穩(wěn)，并獲得較高的定位精度，如圖5所示。
微特電機(jī)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(jī)廠，四川成都610500)
中圖分類號：TM306 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：E
文章編號：1004-7018(2008)04—0061-02
1雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器粗精機(jī)基準(zhǔn)電氣零位偏差過大的原因分析
雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器的基準(zhǔn)電氣零位，理論上應(yīng)是重合的，這樣才符合規(guī)定的函數(shù)關(guān)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(zhuǎn)變壓器，粗精機(jī)的基準(zhǔn)電氣零位往往無法重合，這就產(chǎn)生了粗精機(jī)基準(zhǔn)電氣零位偏差。在偏差不大的情況下，使用中可以對其進(jìn)行補(bǔ)償；但如果偏差太大，補(bǔ)償則無能為力。因此，《雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器國家標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：極對數(shù)≤36p，粗精零偏±30；極對數(shù)>36p，粗精零偏±20 。一般情況下，由于對旋轉(zhuǎn)變壓器的加工精度要求較高，無論是電機(jī)設(shè)計還是工藝方法上都要采取一些補(bǔ)償措施。因此，專業(yè)廠生產(chǎn)出的電機(jī)，粗精機(jī)基準(zhǔn)電氣零位偏差大都控制在合格范圍之內(nèi)，極少數(shù)電機(jī)雖然也會出現(xiàn)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(zhuǎn)變壓器，粗、精機(jī)基準(zhǔn)電氣零位偏差要求≤±20 ，實際則為+l。20，超差達(dá)1。，這顯然不是工藝誤差引起的。筆者分析認(rèn)為，這應(yīng)是精機(jī)出線錯誤造成的，即把精機(jī)的余弦繞組錯標(biāo)為正弦繞組，而正弦繞組則相應(yīng)地錯標(biāo)為余弦繞組，精機(jī)的基準(zhǔn)電氣零位自然會移過64對極的90。電氣角，其相應(yīng)的機(jī)械角為360。÷64÷4—1.4。，即1。24 。因此，原+1。20的基準(zhǔn)電氣零位偏差，如果糾正過來，粗精基準(zhǔn)電壓零位偏差則可減小為1。24-20 =4 。這樣，該電機(jī)的基準(zhǔn)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(jī)正弦繞組輸出電勢變化
 圖，O為粗機(jī)基準(zhǔn)電氣零位；圖1b為精機(jī)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(jī)的基準(zhǔn)電氣零位偏了l.4。機(jī)械角(即90。電氣角)，粗精機(jī)電氣零位不重合；圖1c為精機(jī)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(jī)的基準(zhǔn)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(shù)關(guān)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(zhuǎn)變壓器基準(zhǔn)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(jìn)行重新標(biāo)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(jī)。
2無刷直流力矩電動機(jī)電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線上翹的原因分析
有刷直流力矩電動機(jī)的電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)點測出的特性曲線基本一致。但無刷直流力矩電動機(jī)很特別，不同的堵轉(zhuǎn)點測出的電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線并不都一致，有的點符合電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線向下彎曲的普遍規(guī)律，有的點卻出現(xiàn)電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線向上翹或電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線一直保持線性關(guān)系，其示意圖如圖2所示。
圖2為某無刷直流力矩電動機(jī)一些特殊堵轉(zhuǎn)點的實際電流-轉(zhuǎn)矩特性益線。無刷直流力矩電動機(jī)的電流一轉(zhuǎn)矩特曲線為什么會出現(xiàn)這一特殊現(xiàn)象?這是由于無刷直流力矩電動機(jī)與有刷直流力矩電動機(jī)電樞反應(yīng)不同引起的。有刷直流力矩電動機(jī)的電刷幾何中性線在調(diào)整好的情況下，堵轉(zhuǎn)時只有交軸電樞反應(yīng)，交軸電樞反應(yīng)在堵轉(zhuǎn)電流不大的情況下只扭曲磁場，所以此時的電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線是線性的。堵轉(zhuǎn)電流較大會引起磁路飽和，不但磁場扭曲厲害，還會出現(xiàn)可逆去磁，由此引起轉(zhuǎn)矩靈敏度下降，出現(xiàn)電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線向下彎曲。無刷直流力矩電動機(jī)則不同，電子換向無法調(diào)整幾何中性線，故大部分堵轉(zhuǎn)點都會產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)，只有極少數(shù)的堵轉(zhuǎn)才有交軸電樞反應(yīng)。直軸電樞反應(yīng)的結(jié)果使有的堵轉(zhuǎn)點增磁，由此出現(xiàn)電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線上翹現(xiàn)象；有的堵轉(zhuǎn)點減磁，出現(xiàn)電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線下彎現(xiàn)象。交軸電樞反應(yīng)點則出現(xiàn)電流-轉(zhuǎn)矩特性曲線保持線性狀態(tài)。
為了敘述方便，我們用一種三相星形三狀態(tài)無刷直流力矩電動機(jī)在不同堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下電樞反應(yīng)進(jìn)行分析(三相六狀態(tài)電機(jī)理論上是一樣的)。圖3是三相三狀態(tài)無刷直流力矩電動機(jī)堵轉(zhuǎn)定轉(zhuǎn)子磁場變化圖。該電機(jī)的磁狀態(tài)角θ=120 。，圖3a為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)在磁狀態(tài)角的邊界l位置。可以看出，此時的電樞反應(yīng)磁場FD的直軸分量****，且和轉(zhuǎn)子磁場方向Φz方向相反，會產(chǎn)生****去磁。此點測到的電流一轉(zhuǎn)矩特性曲線則會向下彎，如圖2b所示。隨著轉(zhuǎn)子位置按箭頭方向變化，F(xiàn)D的直軸分量逐漸減小，去磁作用也逐漸減小，堵轉(zhuǎn)點的電流-轉(zhuǎn)矩特性曲線會由向下彎曲逐漸變直，當(dāng)轉(zhuǎn)子運動到  磁狀態(tài)角堵轉(zhuǎn)時，則只有交軸電樞反應(yīng)，此時的電流-轉(zhuǎn)矩特性曲線變?yōu)閳D2c；當(dāng)轉(zhuǎn)子位置在大于  角堵轉(zhuǎn)時，電樞反應(yīng)磁場FD的直軸分量與轉(zhuǎn)子磁場Φz方向相同，于是出現(xiàn)增磁，電機(jī)電流-轉(zhuǎn)矩特性曲線開始向上翹，當(dāng)堵轉(zhuǎn)到如圖3b所示的磁狀態(tài)角的另一個邊界2位置時，F(xiàn)D的直軸分量會產(chǎn)生****增磁，這時電機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性曲線便出現(xiàn)如圖2a所示的上翹現(xiàn)象。無刷直流力矩電動機(jī)的直軸電樞反應(yīng)不可避免地會對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動造成影響。但由于無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極一般都采用顯極結(jié)構(gòu)，對電樞反應(yīng)磁勢呈現(xiàn)較大的磁阻，所以這種增磁去磁作用也是有限的，故 對轉(zhuǎn)矩波動也不會產(chǎn)生太大的影響。而且可以通過改變通電方式、減小磁狀態(tài)角來減小電樞反應(yīng)的直軸分量。因無刷直流電動機(jī)的****直軸電樞反應(yīng)磁勢為  ,三相三狀態(tài)的磁狀態(tài)角θ=120 。，三相六狀態(tài)的磁狀態(tài)角θ=60 。。顯然改變通電方式或增加相數(shù)都可以減小磁狀態(tài)角，從而達(dá)到減小直軸電樞反應(yīng)對轉(zhuǎn)矩波動的影響，故直軸電樞反應(yīng)對無刷直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的影響也是有限的。 3直流力矩電動機(jī)的電刷壓力測試問題
直流電動機(jī)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(chǎn)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(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以使電刷安全可靠地進(jìn)行工作。那么，檢查直流電動機(jī)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(dá)到準(zhǔn)確測量非常困難。且它是利用薄片鈹青銅彈簧產(chǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)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(shù)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(fù)重；下壓，電子秤顯示為正重。測試準(zhǔn)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(jī)電刷壓力檢查，如果是內(nèi)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(jī)內(nèi)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(jī)端蓋刷蓋的探孔中，便可方便測電刷壓力。 | 
