無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)執(zhí)行器中的應(yīng)用

湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)院 彭琪琳

武漢華易科技有限公司 鄭自修

1 無(wú)刷直流電機(jī)的控制特性分析

1．1 調(diào)速特性分析

直流電機(jī)的電樞繞組電動(dòng)勢(shì)平衡方程如下：

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

n＝ （U－IsRs）／Ke （1－2）又因?yàn)椋?/p>

M＝Kt．Is （1－3）

式中M為電機(jī)的電磁力矩；Kt為電機(jī)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(guò)1安培電流時(shí)所產(chǎn)生的電磁力矩。

所以在負(fù)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(fù)載力矩不變的情況下，電機(jī)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(duì)采用無(wú)刷直流電機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行器可很方便地進(jìn)行調(diào)速控制。

1．1．1 電機(jī)升速

從1．1中的分析可知：提高電機(jī)的工作電壓，即可提高電機(jī)的運(yùn)行速度。在供電電壓U升高的瞬間，電樞的反電勢(shì)Ke．n仍為原值，但此時(shí)工作電壓的變化量ΔU將會(huì)引起電樞電流Is的增加。Is的增加，對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行產(chǎn)生了加速度，使得電機(jī)運(yùn)行速度上升，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電樞的反電勢(shì)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(shì)Ke．n的增加會(huì)造成Is下降，對(duì)轉(zhuǎn)子的加速度減小。當(dāng)ΔKe．n＝ΔU（反電勢(shì)的變化量與電源電壓變化量相等）時(shí)升速過(guò)程結(jié)束，此時(shí)電機(jī)以升速后的新速度運(yùn)行。

1．1．2 電機(jī)降速

同“電機(jī)升速”分析一樣，減小電機(jī)的工作電壓，即可降低電機(jī)的運(yùn)行速度。在工作電壓U降低的瞬間，電樞的反電勢(shì)Ke．n仍為原值，此時(shí)工作電壓的變化量ΔU將導(dǎo)致Is降低。Is的變化對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反向的加速度，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度下降，反電勢(shì)Ke．n下降。當(dāng)ΔKe．n＝ΔU時(shí)降速過(guò)程結(jié)束，此時(shí)電機(jī)以降速后的新速度運(yùn)行。

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

1．1．3 負(fù)載力矩變化對(duì)電機(jī)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(jī)的負(fù)載力矩M增加，在工作電壓U不變的情況下，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n降低；反之電機(jī)的負(fù)載力矩M減小，在工作電壓U不變的情況下，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n增加。

1．2 輸出力矩特性分析

由于電動(dòng)執(zhí)行器的輸出力矩來(lái)源于電機(jī)的電磁力矩，因此只需控制電機(jī)的電磁力矩，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的輸出力矩進(jìn)行控制。

通過(guò)檢測(cè)電氣參數(shù)計(jì)算電機(jī)的輸出力矩，對(duì)于交流感應(yīng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，難度較大。因?yàn)榕c力矩計(jì)算直接相關(guān)的轉(zhuǎn)子電流無(wú)法檢測(cè)得到，以有功功率或其它的間接檢測(cè)辦法實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)電路復(fù)雜，精度也不太高。

直流電機(jī)的電磁力矩只與電流有關(guān)，即M＝Kt．Is，因此只需檢測(cè)電機(jī)的電流，即可得到電機(jī)的輸出力矩，再通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速比不難知道執(zhí)行器的輸出力矩。所以對(duì)于采用無(wú)刷直流電機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行器只需控制電機(jī)的電流，就可控制執(zhí)行器的輸出力矩。

1．3 電機(jī)的啟動(dòng)與堵轉(zhuǎn)

從（1－1）式可得到：

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

因?yàn)殡姍C(jī)在啟動(dòng)瞬間或堵轉(zhuǎn)時(shí)，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(diǎn)再配合行程檢測(cè)電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器的堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

2 無(wú)刷直流電機(jī)電動(dòng)執(zhí)行器的功能、性能分析

電動(dòng)執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的終端設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行器實(shí)施對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)節(jié)干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)功能、性能要求的不斷提高，控制系統(tǒng)對(duì)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(wú)刷直流電機(jī)優(yōu)異的控制性能，為高性能的電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì)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(dòng)執(zhí)行器質(zhì)量的關(guān)鍵。采用無(wú)刷直流電機(jī)與采用交流感應(yīng)電機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行器，其區(qū)別主要在于所采用的電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的不同。

2．1．1 電機(jī)的可靠性與穩(wěn)定性

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

無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，運(yùn)行中不產(chǎn)生熱量。定子為線繞電樞，運(yùn)行中因?qū)Ь€存在電阻而產(chǎn)生熱量。但由于定子直接對(duì)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(jī)低約20℃。

轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料。工作溫度可達(dá)200℃，矯頑力大于1033KA／m。所以高溫、堵轉(zhuǎn)時(shí)的去磁磁場(chǎng)、振動(dòng)等因素均不會(huì)影響永磁材料的長(zhǎng)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(dòng)部分；電機(jī)正／反轉(zhuǎn)的啟停、制動(dòng)、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(guò)流、欠壓、超溫等保護(hù)電路。為防止上下橋瞬間同時(shí)導(dǎo)通，新一代IPM設(shè)有上下橋驅(qū)動(dòng)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(jī)工作電流幾百分之一的小電流信號(hào)以供外部檢測(cè)與保護(hù)用。

由于無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速是采用PWM方式改變電機(jī)的工作電壓，其控制電路比交流變頻調(diào)速要簡(jiǎn)單得多，電磁輻射也更小。此外同樣機(jī)械功率的無(wú)刷直流電機(jī)，電功率比交流感應(yīng)電機(jī)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(kāi)、關(guān)閥速度可選

利用無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速功能，可使執(zhí)行器的開(kāi)、關(guān)閥速度可選。在電路設(shè)計(jì)時(shí)用戶可根據(jù)工控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，通過(guò)執(zhí)行器控制系統(tǒng)的操作界面選擇合適的運(yùn)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(kāi)閥、關(guān)閥

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

柔性開(kāi)閥一方面可以減小電機(jī)的啟動(dòng)電流，電機(jī)啟動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，電機(jī)最大電流都不會(huì)大于額定電流，所以電機(jī)的頻繁啟動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱；另一方面柔性開(kāi)閥還可減小對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的撞擊，能有效地延長(zhǎng)電動(dòng)執(zhí)行器的壽命。柔性開(kāi)閥時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線如圖1所示。

圖1 柔性開(kāi)閥電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

柔性關(guān)閥一方面可使電動(dòng)執(zhí)行器控制閥門開(kāi)關(guān)時(shí)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(guò)程的穩(wěn)定性；另一方面因?yàn)樵诮o定值與閥門實(shí)際開(kāi)度接近時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速已降至最低，所以幾乎無(wú)需考慮停機(jī)提前量而發(fā)出停機(jī)指令。若再配合制動(dòng)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(duì)電動(dòng)執(zhí)行器減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的撞擊，有地效延長(zhǎng)電動(dòng)執(zhí)行器的壽命。柔性關(guān)閥的電機(jī)速度變化曲線如圖2所示。

圖2 柔性關(guān)閉電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

2．4 自動(dòng)變速運(yùn)行

當(dāng)給定值與當(dāng)前閥門開(kāi)度差異較大時(shí)，控制電路可自動(dòng)調(diào)高電機(jī)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(jī)自動(dòng)變速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速變化曲線如3所示。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

自動(dòng)變速功能既可迅速消除被調(diào)量偏差，又不會(huì)出現(xiàn)因流量突變對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)，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(dòng)執(zhí)行器的重要功能。在電動(dòng)執(zhí)行器行業(yè)，力矩的檢測(cè)方法經(jīng)歷了以下幾個(gè)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(cè)電機(jī)的電磁力矩。由于電機(jī)的電磁力矩就是載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力。對(duì)于永磁直流電機(jī)，磁場(chǎng)強(qiáng)度是常數(shù)，因此只需檢測(cè)電樞電流即可準(zhǔn)確地計(jì)算出電機(jī)的輸出力矩。

由于無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速是通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)控制供電的通／斷時(shí)間，因此實(shí)際檢測(cè)到的電機(jī)工作電流即為平均電流，平均電流Iv計(jì)算公式如下：

Iv＝Is·Id／（Td＋Te）

其中Td為一個(gè)PWM周期內(nèi)供電的導(dǎo)通時(shí)間；Te為供電的斷開(kāi)時(shí)間。

2．6 制動(dòng)

電機(jī)斷電后轉(zhuǎn)子具有一定的動(dòng)能。這一動(dòng)能將使電機(jī)以發(fā)電模式運(yùn)行。如果將電機(jī)的輸出短路，定子的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)將對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動(dòng)作用。轉(zhuǎn)子的動(dòng)能越大，定子產(chǎn)生的制動(dòng)力矩越大，利用這一特點(diǎn)能有效解決電機(jī)斷電后因轉(zhuǎn)子慣性導(dǎo)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(dòng)不是通過(guò)機(jī)械摩擦，因此不存在磨損老化問(wèn)題，保證了長(zhǎng)期穩(wěn)定的制動(dòng)效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用無(wú)刷直流電機(jī)作為電動(dòng)執(zhí)行器的能源動(dòng)力，不但使電動(dòng)執(zhí)行器功能、性能有了極大的提高，同時(shí)也使得整個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)對(duì)象變化的響應(yīng)更快，控制精度更高。與采用其它電機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行器相比，無(wú)刷直流電機(jī)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。