一种无刷直流电机控制新方法

    钱彬

(中国电子科技集团司第4l研究所，安徽蚌埠233006)

中图分类号：TM33  文献标识码：E

    文章编号：1004—7018(2008)04—0060—01

    本文介绍一种无刷直流电机配合激光旋转编码器进行高精度控制的新方法。

1普通控制原理

  传统的直流电动机用于精密控制时一般采用如图1所示的方法。

    由于传统的直流电动机采用电刷换向，在精密控制中存在定位死区，因此，此种方案多用于控制及定位精度较低的场合，编码器一般选用几十至几百线／转的光电编码器。

    而对于普通的无刷直流电动机一般采用如图2所示的方法进行控制。

    图中，HaⅡA、B、c为开关式霍尔元件；逻辑处理及控制电路多采用专用的无刷电动机驱动电路，也可根据特殊需要由单片微处理芯片及其它电路构成。其作用是：将霍尔信号进行逻辑处理；对应速度信号产生PWM脉冲；进行欠压、过流、制动、正反转等控制。在不带高精度位置传感器(光栅编码器或旋转变压器)及速度传感器(测速机或位置信号微分)的情况下，只能属于简单的速度控制，一般只应用在电动自行车、打印机、****风机等场合。

2新控制方法设计

  本文着重介绍一种用于精密测量仪器的空心绕组无刷直流电动机及精密定位系统。

2 1空心绕组无刷直流电动机结构原理

    如图3所示，电动机定子及霍尔元件做成空心绕组结构，即绕组使霍尔元件均粘接在环氧玻璃布板上。由于没有硅钢片制成的有齿和槽的铁心，这样稀土永磁材料做成的转子在旋转过程中，铁耗及定位转矩均为零，有利于精密定位。

    三相定子绕组接出三根线U、V、W。

    霍尔元件用的是线性霍尔元件，共接出8根引出线。其中，+5 V～-5 V来自于D／A输出(对于一般系统，也可直

接用电源给定)，既作为霍尔元件A、B、C的电源，又当作无刷直流电动机的给定控制信号。当该信号为正时，电机正转，转速与其大小有关；反之亦然。这样，在控制方式上与传统的直流电机控制方式保持了一致。

2．2霍尔信号的处理及线圈驱动

    霍尔元件A、B、G是三路性质相同的信号，下面以Hall A为例，介绍其处理过程，如图4所示。霍尔元件产生的位置信号经过差分放大后，提取出近似正弦(或类似方波)信号，再经放大及反馈控制，最后经过电流驱动控制电动机运转。

3实际应用结果

    在实际应用中，我们按照此种控制方法，采用图1所示的激光旋转编码器进行定位。激光旋转编码器为8.1万线／转，并进行了6倍插值和4倍频。电动机运行平稳，并获得较高的定位精度，如图5所示。

微特电机测试中的一些问题分析及其它

  张文海，刘家宁，谭宏松

(成都精密电机厂，四川成都610500)

中图分类号：TM306  文献标识码：E

文章编号：1004-7018(2008)04—0061-02

1双通道多极旋转变压器粗精机基准电气零位偏差过大的原因分析

    双通道多极旋转变压器的基准电气零位，理论上应是重合的，这样才符合规定的函数关系。但实际上，由于工艺误差的存在，一台加工好的双通道多极旋转变压器，粗精机的基准电气零位往往无法重合，这就产生了粗精机基准电气零位偏差。在偏差不大的情况下，使用中可以对其进行补偿；但如果偏差太大，补偿则无能为力。因此，《双通道多极旋转变压器国家标准》规定：极对数≤36p，粗精零偏±30；极对数>36p，粗精零偏±20 ^。一般情况下，由于对旋转变压器的加工精度要求较高，无论是电机设计还是工艺方法上都要采取一些补偿措施。因此，专业厂生产出的电机，粗精机基准电气零位偏差大都控制在合格范围之内，极少数电机虽然也会出现不合格，但也不会超差很大；若超差太大，则另有原因了。如一种64p的双通道多极旋转变压器，粗、精机基准电气零位偏差要求≤±20 ，实际则为+l^。20，超差达1^。，这显然不是工艺误差引起的。笔者分析认为，这应是精机出线错误造成的，即把精机的余弦绕组错标为正弦绕组，而正弦绕组则相应地错标为余弦绕组，精机的基准电气零位自然会移过64对极的90^。电气角，其相应的机械角为360^。÷64÷4—1.4^。，即1^。24 。因此，原+1。20的基准电气零位偏差，如果纠正过来，粗精基准电压零位偏差则可减小为1。24-20 =4 。这样，该电机的基准电气零偏差就合格了，而且很小，其示意图如图1所示。图la为粗机正弦绕组输出电势变化

图，O为粗机基准电气零位；图1b为精机A为出线错误后正、余弦绕组输出电势图，可以看出，此时精机的基准电气零位偏了l.4^。机械角(即90^。电气角)，粗精机电气零位不重合；图1c为精机B为出线错误纠正后正、余弦绕组输出电势图，可以看出，此时粗精机的基准电气零位重合了，误差即为1^。24 -1^。20 =4 (这里为说明问题方便，忽略了零位误差，为秒级，影响也不大)，但此时的函数关系并不符合图1b的要求，因余弦绕组输出电势相位反了 180^。，必须将余弦绕组首尾反接，输出电势相位才符合要求，如图lc的虚线所示。因此可以从中看出，双通道多极旋转变压器基准电气零位偏差大，不是工艺误差造成的，而是由出线错误所致。解决的方法是将原出线进行重新标志，将余弦变正弦，再将正弦绕组首尾交换，一般能消除这种误差，不会报废电机。

2无刷直流力矩电动机电流一转矩特性曲线上翘的原因分析

    有刷直流力矩电动机的电流转矩特性曲线一般是向下弯曲的，即小电流段，曲线是线性的；大电流段，大都是非线性向下弯曲，且不同的堵转点测出的特性曲线基本一致。但无刷直流力矩电动机很特别，不同的堵转点测出的电流一转矩特性曲线并不都一致，有的点符合电流一转矩特性曲线向下弯曲的普遍规律，有的点却出现电流一转矩特性曲线向上翘或电流一转矩特性曲线一直保持线性关系，其示意图如图2所示。

     图2为某无刷直流力矩电动机一些特殊堵转点的实际电流-转矩特性益线。无刷直流力矩电动机的电流一转矩特曲线为什么会出现这一特殊现象?这是由于无刷直流力矩电动机与有刷直流力矩电动机电枢反应不同引起的。有刷直流力矩电动机的电刷几何中性线在调整好的情况下，堵转时只有交轴电枢反应，交轴电枢反应在堵转电流不大的情况下只扭曲磁场，所以此时的电流一转矩特性曲线是线性的。堵转电流较大会引起磁路饱和，不但磁场扭曲厉害，还会出现可逆去磁，由此引起转矩灵敏度下降，出现电流一转矩特性曲线向下弯曲。无刷直流力矩电动机则不同，电子换向无法调整几何中性线，故大部分堵转点都会产生直轴电枢反应，只有极少数的堵转才有交轴电枢反应。直轴电枢反应的结果使有的堵转点增磁，由此出现电流一转矩特性曲线上翘现象；有的堵转点减磁，出现电流一转矩特性曲线下弯现象。交轴电枢反应点则出现电流-转矩特性曲线保持线性状态。

    为了叙述方便，我们用一种三相星形三状态无刷直流力矩电动机在不同堵转状态下电枢反应进行分析(三相六状态电机理论上是一样的)。图3是三相三状态无刷直流力矩电动机堵转定转子磁场变化图。该电机的磁状态角θ=120^。，图3a为转子堵转在磁状态角的边界l位置。可以看出，此时的电枢反应磁场FD的直轴分量****，且和转子磁场方向Φz方向相反，会产生****去磁。此点测到的电流一转矩特性曲线则会向下弯，如图2b所示。随着转子位置按箭头方向变化，FD的直轴分量逐渐减小，去磁作用也逐渐减小，堵转点的电流-转矩特性曲线会由向下弯曲逐渐变直，当转子运动到磁状态角堵转时，则只有交轴电枢反应，此时的电流-转矩特性曲线变为图2c；当转子位置在大于角堵转时，电枢反应磁场FD的直轴分量与转子磁场Φz方向相同，于是出现增磁，电机电流-转矩特性曲线开始向上翘，当堵转到如图3b所示的磁状态角的另一个边界2位置时，FD的直轴分量会产生****增磁，这时电机的电流-转矩特性曲线便出现如图2a所示的上翘现象。无刷直流力矩电动机的直轴电枢反应不可避免地会对电机的转矩波动造成影响。但由于无刷直流电动机的转子磁极一般都采用显极结构，对电枢反应磁势呈现较大的磁阻，所以这种增磁去磁作用也是有限的，故

对转矩波动也不会产生太大的影响。而且可以通过改变通电方式、减小磁状态角来减小电枢反应的直轴分量。因无刷直流电动机的****直轴电枢反应磁势为,三相三状态的磁状态角θ=120^。，三相六状态的磁状态角θ=60^。。显然改变通电方式或增加相数都可以减小磁状态角，从而达到减小直轴电枢反应对转矩波动的影响，故直轴电枢反应对无刷直流力矩电机转矩波动的影响也是有限的。

3直流力矩电动机的电刷压力测试问题

    直流电动机通过电刷传递电流，电刷压力大，换向器磨损厉害，会加大空载损耗；电刷压力小，易产生接触不良，引起打火，烧蚀换向器。因此，一般都要将电刷压力控制在一个适当的范围内，以使电刷安全可靠地进行工作。那么，检查直流电动机的电刷压力以何种方法为好?目前，常用的方法有两种：一种是杠杆式测克计法，另一种是压缩式测克计法。杠杆式测克计法是用测克计的杠杆****拨动电刷测压力，操作技巧要求高，要达到准确测量非常困难。且它是利用薄片铍青铜弹簧产生弹性变形而测力，这种薄片弹簧很容易变形失效，使用期稍长便不准确。另一种压缩式测克计，它是利用圈式弹簧压缩变形而测力，操作方便，测试准确。但这种测克计为专用工具，市面上较难买到。

    我们也可采用电子秤测电刷压力，既简单方便，又测试准确。其测试原理如图4所示。图中：辅助垫块边缘攻丝，

上一T型螺杆，杆长100mm左右，弯折头端部上下用砂轮打平。直流力矩机分装式刷架，将电刷压在螺杆测量头磨平处，上拉或下压均可测电刷压力。大刷架，上拉；小刷架，下压。测试前，先将电子秤去皮为零。去皮为电子秤术语，它可将辅助垫块等附加重量全部去除显零，然后上拉或下压刷架，此时电子秤显示的全部为电刷压力。上拉，电刷压力显示为负重；下压，电子秤显示为正重。测试准确方便，因为只要选用小量程电子秤，分辨率可以小于l g。以上是分装式直流力矩机电刷压力检查，如果是内藏式电刷，只要另配辅助测量头，检查同样方便。例如测量s系列直流伺服电机内藏式电刷压力，辅助垫块的螺杆则不用弯头而保持垂直，然后插入下压的电机端盖刷盖的探孔中，便可方便测电刷压力。