湖北工業(yè)大學農(nóng)機院 彭琪琳

武漢華易科技有限公司 鄭自修

1 無刷直流電機的控制特性分析

1．1 調(diào)速特性分析

直流電機的電樞繞組電動勢平衡方程如下：

U＝Is．Rs＋ Ke．n （1－1）其中U為電機工作電壓；Is為通過電機轉(zhuǎn)子繞組的電流；Rs為電機轉(zhuǎn)子繞組的電阻；Ke為反電勢常數(shù)；n為電機轉(zhuǎn)速。由式（1－1）可得：

n＝ （U－IsRs）／Ke （1－2）又因為：

M＝Kt．Is （1－3）

式中M為電機的電磁力矩；Kt為電機的力矩常數(shù)，其單位為Nm／A，即力矩與電流的比值，它表示繞組通過1安培電流時所產(chǎn)生的電磁力矩。

所以在負載力矩M不變的情況下，Is也為常數(shù)。由式（1－2）和（1－3）可知：在負載力矩不變的情況下，電機的轉(zhuǎn)速與其工作電壓成正比，即：n＝f（u）n∝∝u

利用這一特性，對采用無刷直流電機的電動執(zhí)行器可很方便地進行調(diào)速控制。

1．1．1 電機升速

從1．1中的分析可知：提高電機的工作電壓，即可提高電機的運行速度。在供電電壓U升高的瞬間，電樞的反電勢Ke．n仍為原值，但此時工作電壓的變化量ΔU將會引起電樞電流Is的增加。Is的增加，對轉(zhuǎn)子的運行產(chǎn)生了加速度，使得電機運行速度上升，隨著電機轉(zhuǎn)速的增加，電樞的反電勢Ke．n也增加，從式（1－2）可知：

Is＝（U－Ke．n）／Rs （1－4）所以電樞反電勢Ke．n的增加會造成Is下降，對轉(zhuǎn)子的加速度減小。當ΔKe．n＝ΔU（反電勢的變化量與電源電壓變化量相等）時升速過程結(jié)束，此時電機以升速后的新速度運行。

1．1．2 電機降速

同“電機升速”分析一樣，減小電機的工作電壓，即可降低電機的運行速度。在工作電壓U降低的瞬間，電樞的反電勢Ke．n仍為原值，此時工作電壓的變化量ΔU將導致Is降低。Is的變化對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反向的加速度，導致轉(zhuǎn)子速度下降，反電勢Ke．n下降。當ΔKe．n＝ΔU時降速過程結(jié)束，此時電機以降速后的新速度運行。

采用PWM改變電機的工作電壓（平均電壓），能方便地實現(xiàn)直流電機的調(diào)速，使得電機的速度與PWM的占空比成正比。通過PWM方式控制直流電機的工作電壓實現(xiàn)調(diào)速，電路簡單可靠。相比交流電機的變頻調(diào)速或其它調(diào)速方式，無刷直流電機的調(diào)速方式具有控制電路簡單，可靠性高、調(diào)速范圍大、精度高等諸多優(yōu)點。

1．1．3 負載力矩變化對電機速度的影響

將式（1－3）代入（1－2）式可得：

n＝（U－M．Rs／Kt）／Ke （1－5）

從上式可知，如果電機的負載力矩M增加，在工作電壓U不變的情況下，將導致轉(zhuǎn)速n降低；反之電機的負載力矩M減小，在工作電壓U不變的情況下，將導致轉(zhuǎn)速n增加。

1．2 輸出力矩特性分析

由于電動執(zhí)行器的輸出力矩來源于電機的電磁力矩，因此只需控制電機的電磁力矩，就可實現(xiàn)對執(zhí)行器的輸出力矩進行控制。

通過檢測電氣參數(shù)計算電機的輸出力矩，對于交流感應(yīng)電機來說，難度較大。因為與力矩計算直接相關(guān)的轉(zhuǎn)子電流無法檢測得到，以有功功率或其它的間接檢測辦法實現(xiàn)，檢測電路復雜，精度也不太高。

直流電機的電磁力矩只與電流有關(guān)，即M＝Kt．Is，因此只需檢測電機的電流，即可得到電機的輸出力矩，再通過電動執(zhí)行器減速傳動機構(gòu)的減速比不難知道執(zhí)行器的輸出力矩。所以對于采用無刷直流電機的電動執(zhí)行器只需控制電機的電流，就可控制執(zhí)行器的輸出力矩。

1．3 電機的啟動與堵轉(zhuǎn)

從（1－1）式可得到：

Is＝（U－ Ke．n）／Rs （1－6）直流電機在啟動瞬間或電機堵轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速n＝0，根據(jù)式（1－6）可知直流電機在啟動瞬間或電機堵轉(zhuǎn)時其電流為最大值，即：Ismax＝U／Rs。

因為電機在啟動瞬間或堵轉(zhuǎn)時，電流最大，所以從式（1－3）可知其輸出力矩也最大。利用這一特點再配合行程檢測電路可實現(xiàn)對電動執(zhí)行器的堵轉(zhuǎn)保護。

2 無刷直流電機電動執(zhí)行器的功能、性能分析

電動執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的終端設(shè)備。在實際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)通過執(zhí)行器實施對生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)干預(yù)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。隨著生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)功能、性能要求的不斷提高，控制系統(tǒng)對執(zhí)行器的可靠性、穩(wěn)定性、定位精度、速度調(diào)節(jié)、力矩控制精度等，也有了更高的要求。無刷直流電機優(yōu)異的控制性能，為高性能的電動執(zhí)行器設(shè)計提供了保證。

2．1 可靠性與穩(wěn)定性

可靠性與穩(wěn)定性是電動執(zhí)行器質(zhì)量的關(guān)鍵。采用無刷直流電機與采用交流感應(yīng)電機的電動執(zhí)行器，其區(qū)別主要在于所采用的電機與電機驅(qū)動電路的不同。

2．1．1 電機的可靠性與穩(wěn)定性

無刷直流電機的定子與交流電機相似，轉(zhuǎn)子采用永久磁鋼。因此在運行的穩(wěn)定性、壽命等方面，與交流感應(yīng)電機基本相同。

無刷直流電機的轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，運行中不產(chǎn)生熱量。定子為線繞電樞，運行中因?qū)Ь€存在電阻而產(chǎn)生熱量。但由于定子直接對外散熱，轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生熱量，所以總體溫升一般比交流感應(yīng)電機低約20℃。

轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料。工作溫度可達200℃，矯頑力大于1033KA／m。所以高溫、堵轉(zhuǎn)時的去磁磁場、振動等因素均不會影響永磁材料的長期穩(wěn)定性。

2．1．2 控制電路的可靠性與穩(wěn)定性

控制電路有兩部分組成：功率驅(qū)動部分；電機正／反轉(zhuǎn)的啟停、制動、調(diào)速控制部分。

功率電路采用智能型功率模塊（IPM）。IPM具有可靠的過流、欠壓、超溫等保護電路。為防止上下橋瞬間同時導通，新一代IPM設(shè)有上下橋驅(qū)動互鎖電路。在降低內(nèi)部熱阻，提高散熱能力方面，新一代的IPM也有更好的表現(xiàn)。三菱的第四代IPM內(nèi)部還設(shè)有類似電流互感器電路，輸出一電機工作電流幾百分之一的小電流信號以供外部檢測與保護用。

由于無刷直流電機的調(diào)速是采用PWM方式改變電機的工作電壓，其控制電路比交流變頻調(diào)速要簡單得多，電磁輻射也更小。此外同樣機械功率的無刷直流電機，電功率比交流感應(yīng)電機低約30%，所以IPM的功耗也更小，因此控制電路也具有更高的可靠性與穩(wěn)定性。

2．2 執(zhí)行器的開、關(guān)閥速度可選

利用無刷直流電機的無級調(diào)速功能，可使執(zhí)行器的開、關(guān)閥速度可選。在電路設(shè)計時用戶可根據(jù)工控現(xiàn)場的實際需要，通過執(zhí)行器控制系統(tǒng)的操作界面選擇合適的運行速度。一般可選的速度范圍為1∶8或1∶10。

2．3 執(zhí)行器的柔性開閥、關(guān)閥

柔性開閥是指電機啟動時，以最低速度啟動，然后逐步升速至用戶設(shè)定的開閥速度。柔性關(guān)閥是指執(zhí)行器行程接近給定開度或限位位置時，自動均勻降低電機速度，使得執(zhí)行器開度等于給定開度或限位值時，電機的速度已降到最低。

柔性開閥一方面可以減小電機的啟動電流，電機啟動的整個過程，電機最大電流都不會大于額定電流，所以電機的頻繁啟動不會導致電機和驅(qū)動電路發(fā)熱；另一方面柔性開閥還可減小對電動執(zhí)行器減速傳動機構(gòu)的撞擊，能有效地延長電動執(zhí)行器的壽命。柔性開閥時的電機轉(zhuǎn)速變化曲線如圖1所示。

圖1 柔性開閥電機轉(zhuǎn)速變化曲線

柔性關(guān)閥一方面可使電動執(zhí)行器控制閥門開關(guān)時管道中的介質(zhì)流量不發(fā)生突變，有效地防止液體介質(zhì)在管道中的水錘與喘振現(xiàn)象發(fā)生，提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性；另一方面因為在給定值與閥門實際開度接近時電機轉(zhuǎn)速已降至最低，所以幾乎無需考慮停機提前量而發(fā)出停機指令。若再配合制動功能，可使執(zhí)行器的定位精度大大提高。此外柔性關(guān)閥還可減小對電動執(zhí)行器減速傳動機構(gòu)的撞擊，有地效延長電動執(zhí)行器的壽命。柔性關(guān)閥的電機速度變化曲線如圖2所示。

圖2 柔性關(guān)閉電機轉(zhuǎn)速變化曲線

2．4 自動變速運行

當給定值與當前閥門開度差異較大時，控制電路可自動調(diào)高電機速度，使調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)速度加快，以迅速消除控制系統(tǒng)的被調(diào)量偏差。電機自動變速運行時轉(zhuǎn)速變化曲線如3所示。

圖3 電機轉(zhuǎn)速變化曲線

自動變速功能既可迅速消除被調(diào)量偏差，又不會出現(xiàn)因流量突變對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2．5 力矩控制

力矩控制是電動執(zhí)行器的重要功能。在電動執(zhí)行器行業(yè)，力矩的檢測方法經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：從早期的蝶型彈簧位移到壓力傳感器，再到現(xiàn)階段最新的檢測電機的電磁力矩。由于電機的電磁力矩就是載流導體在磁場中的受力。對于永磁直流電機，磁場強度是常數(shù)，因此只需檢測電樞電流即可準確地計算出電機的輸出力矩。

由于無刷直流電機的調(diào)速是通過改變PWM的占空比來控制供電的通／斷時間，因此實際檢測到的電機工作電流即為平均電流，平均電流Iv計算公式如下：

Iv＝Is·Id／（Td＋Te）

其中Td為一個PWM周期內(nèi)供電的導通時間；Te為供電的斷開時間。

2．6 制動

電機斷電后轉(zhuǎn)子具有一定的動能。這一動能將使電機以發(fā)電模式運行。如果將電機的輸出短路，定子的電流所產(chǎn)生的磁場將對電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動作用。轉(zhuǎn)子的動能越大，定子產(chǎn)生的制動力矩越大，利用這一特點能有效解決電機斷電后因轉(zhuǎn)子慣性導致的執(zhí)行器定位誤差，使得執(zhí)行器的定位精度大幅提高。這種制動不是通過機械摩擦，因此不存在磨損老化問題，保證了長期穩(wěn)定的制動效果。

3 結(jié)束語

采用無刷直流電機作為電動執(zhí)行器的能源動力，不但使電動執(zhí)行器功能、性能有了極大的提高，同時也使得整個控制系統(tǒng)對對象變化的響應(yīng)更快，控制精度更高。與采用其它電機的電動執(zhí)行器相比，無刷直流電機有著明顯的優(yōu)勢。