充電式系列電錘用永磁無刷電機研制

羅選強，王典，楊闖，王杰呂煜榮，李艷春

（ 1.上海電動工具研究所（集團）有限公司，上海電動工具工程技術(shù)研究中心 上海 200233；2.深圳市高科潤電子有限公司，廣東 深圳 518055 ）

充電式系列電錘用永磁無刷電機研制

羅選強1，王典1，楊闖1，王杰1呂煜榮2，李艷春2

（ 1.上海電動工具研究所（集團）有限公司，上海電動工具工程技術(shù)研究中心 上海 200233；2.深圳市高科潤電子有限公司，廣東 深圳 518055 ）

以充電式系列電錘用永磁無刷電機研制過程為例，介紹其技術(shù)參數(shù)和性能指標，電機結(jié)構(gòu)、磁場分析以及控制基本原理。經(jīng)電機系統(tǒng)試驗和整機試驗結(jié)果顯示，產(chǎn)品的電機系統(tǒng)效率以及機械特性系數(shù)等實測數(shù)值均超過80%。

無刷電機；直流；電錘；磁場；磁路；控制

0 引言

近年來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、稀土永磁材料、傳感器技術(shù)、電機控制理論的發(fā)展，以及鋰電在電動工具領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，推動了無刷技術(shù)在電動工具中的發(fā)展。本文以上動所和深圳高科潤聯(lián)合研發(fā)的36 V充電式電錘用永磁無刷電機為例，介紹其技術(shù)參數(shù)和性能指標，電機的結(jié)構(gòu)和磁場分析，控制基本原理以及電機系統(tǒng)試驗和整機試驗的結(jié)果。

1 概述

無刷電機是集新型永磁材料、電力電子器件、集成電路芯片、計算機（MCU、DSP）及電機技術(shù)于一體的產(chǎn)品。隨著相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，永磁電機的成本和可靠性更趨合理，在電動工具和園林工具產(chǎn)品上的應(yīng)用也日趨成熟，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制驅(qū)動方案以及制造工藝等方面有較大進步。

2 電機參數(shù)

2.1 技術(shù)要求

36 V充電式電錘用無刷電機技術(shù)要求如下，其電氣原理見圖1。

1）額定電壓：36 V；充電保護電壓：

42 V；放電保護電壓：28 V；

2）最大輸入功率（電壓36 V）：900 W；

3）最大輸入電流：25 A；

4）電錘實用性操作時，工作區(qū)域輸入功率：500 W～800 W；

5）電機閉環(huán)轉(zhuǎn)速：15 500 r/min（開環(huán)轉(zhuǎn)速：20 000 r/min )；

6）電機系統(tǒng)最大效率大于82%；

7）電機具有調(diào)速功能、閉環(huán)反饋功能、剎車功能、正反轉(zhuǎn)功能、LED燈照明和報警功能。

圖1 電氣原理

2.2 磁場及磁路CAE分析

空載磁通密度及磁路見圖2。通過空載靜態(tài)磁場分析可知，電機各部分磁通密度分布合理。

定子軛部： 1.07 T，定子齒部： 1.62 T，轉(zhuǎn)子軛部： 1.45 T。

圖2 空載磁通密度及磁路

負載磁通密度及磁路見圖3。通過負載磁場分析可知，電機各部分磁通密度分布合理。

定子軛部： 1.30 T，定子齒部： 1.85 T，轉(zhuǎn)子軛部： 1.65 T。

圖3 負載磁通密度及磁路

在負載20 A的情況下，轉(zhuǎn)子稀土磁鋼的兩個端部附近磁場過飽和且局部發(fā)生畸變。這是同類電機進行磁路設(shè)計時需重點關(guān)注的地方，應(yīng)在兩端增加磁阻，削弱磁通。

2.3 本體爆炸圖和三維結(jié)構(gòu)

電機采用整體式結(jié)構(gòu)，可防止灰塵和金屬粉末進入定轉(zhuǎn)子的間隙；定子六槽，轉(zhuǎn)子四極；三相繞組按三角形接法；定子疊長30 mm，轉(zhuǎn)子疊長30 mm；稀土磁鋼的傳感部分采用塑料支架；為了增加軸的強度和剛度，齒輪和軸是一體的；電機的驅(qū)動器要求防震防塵，并按規(guī)定的裝配尺寸封裝制作。電機采用霍爾傳感，采用軸向的冷卻風(fēng)路，具體結(jié)構(gòu)見圖4與圖5。

圖4 電機本體爆炸圖

圖5 電機三維顯示

3 控制原理

直流永磁無刷系統(tǒng)是由直流永磁無刷電動機本體、位置檢測器、控制器組成的自控式變頻同步電動機系統(tǒng)。通過位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置信號，由控制器對轉(zhuǎn)子位置信號進行分析，通過邏輯處理產(chǎn)生相應(yīng)的場效應(yīng)管驅(qū)動開關(guān)信號，開關(guān)信號以一定順序打開或關(guān)閉逆變器中的功率開關(guān)器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電機定子各相繞組，使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩，最終實現(xiàn)電動機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

控制對象采用理想化的，用狀態(tài)方程表示的數(shù)學(xué)模型，電流為理想的方波，反電勢為理想的梯形波，并作如下假設(shè)：不計磁路飽和；電機渦流損耗和磁滯損耗；忽略定子電流的電樞反應(yīng)。

在PWM占波調(diào)制過程中的電壓等效方程式：

其中，uA， uB， uC為電機三相相電壓，R為電機相電阻，L與M為相繞組的自感和互感，iA， iB， iC為相電流，eA， eB， eC為相反電動勢，p為微分因子；

在任何時刻，若定子上只有兩相同時導(dǎo)通，且導(dǎo)通相的定子電流幅值保持不變：

其中Tem為電機轉(zhuǎn)矩，Pn為極對數(shù)，KM稱為電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，N為繞組匝數(shù)，Bg為氣隙磁密，l為電感，r為電阻。

從上述公式計算得知，電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)KM隨電機本體的參數(shù)確定后是固定不變的，當(dāng)兩相同時導(dǎo)通，PWM調(diào)制開度恒定，導(dǎo)通相的定子電流幅值保持不變，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持不變，轉(zhuǎn)矩大小可根據(jù)PWM調(diào)制開度的變化而變化。因此，只需對逆變器中的功率器件進行兩兩導(dǎo)通控制，并調(diào)控PWM調(diào)制開度，即可控制電機轉(zhuǎn)矩的大小和方向。

三角形接法與星型接法，都存在兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通的控制方式。

針對兩兩導(dǎo)通方式，三角形接法與星型接法換相時刻相差30°電角度，因此可在霍爾期間的定位上相對星型接法放置霍爾期間位置偏移30°電角度，即可實現(xiàn)三角形接法電機的兩兩導(dǎo)通控制方法。

逆變器的電路模型見圖6。

圖6 逆變器的電路模型

圖中，Ud為直流電源（V），Cd為濾波電容（F），T1～T6為6個功率開關(guān)管，D1～D6為6個續(xù)流二極管。

采用120°的兩兩導(dǎo)通方式，對T1～T6分別在各自120°導(dǎo)通時間內(nèi)根據(jù)不同的調(diào)制方式進行PWM調(diào)制，調(diào)制開度的大小根據(jù)電機應(yīng)用需求實時調(diào)整。

控制效果見圖7。

4 產(chǎn)品應(yīng)用

以DC36 V電錘項目為例，電錘電機本體采用永磁無刷電機，與電機控制器一起組成實用性強，可靠性高的直流無刷驅(qū)動系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)見圖8。

HALL狀態(tài) 101 100 110 010 011 001導(dǎo)通功率管 T1，T6 T1，T2 T3，T2 T3，T4 T5，T4 T5，T6

圖7 控制效果

圖8 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)控制控制板參數(shù)：輸入電壓：DC36 V，功率：900 W，電機空載轉(zhuǎn)速：20 000 r/min。

整體方案采用成熟的BLDC驅(qū)動方案，鋰電池供電，可在DC26 V～DC42 V范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，可靠性高。采用了硬件電路休眠控制，完善的軟件動態(tài)相位補償控制算法為系統(tǒng)的高效率提供大扭矩，使其節(jié)能省電、響應(yīng)更快、更安全，且噪音值低。

該系統(tǒng)使用BLDC驅(qū)動技術(shù)，具備霍爾位置傳感器實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置信號，采用120°方波控制算法進行PWM調(diào)制；具有可編程性，能根據(jù)產(chǎn)品需求增加相應(yīng)功能，如LED燈人性化照明、電子剎車、故障保護等；穩(wěn)定性強、

可靠性高，控制器效率高達98%以上，系統(tǒng)效率可高達82%以上，充分體現(xiàn)出直流永磁無刷系統(tǒng)相對傳統(tǒng)永磁有刷系統(tǒng)的優(yōu)勢之處。

根據(jù)產(chǎn)品性能需要，該系統(tǒng)附加了輔助的功能算法，如速度閉環(huán)算法，電流閉環(huán)算法，電子剎車策略，同步續(xù)流策略等。

速度閉環(huán)算法，其作用在于讓電機在任何負載下的輸出保持轉(zhuǎn)速恒定；電流閉環(huán)算法，作用在于能根據(jù)需要讓電機保持恒定的電機轉(zhuǎn)矩；電子剎車策略，可使電機在20 000 r/min下短時間內(nèi)快速剎車到0轉(zhuǎn)速；同步續(xù)流策略，減小控制器發(fā)熱，降低控制器溫升；先進的制動能量回充控制，有效中和鋰電池的局部過放電，延長電池使用壽命；線鎖功能，在首次啟動階段，當(dāng)開關(guān)進入調(diào)速階段狀態(tài)(有調(diào)速信號)，此時接入電池，整個系統(tǒng)不運行，直至松開開關(guān)后才可再次啟動電機。

系統(tǒng)控制板通過電源管理芯片，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，工具關(guān)斷10 s后，系統(tǒng)進入睡眠模式，電流衰減，最終小于10 μA。

過熱、過放保護功能，觸發(fā)電池保護，整機停止工作；剎車功能，關(guān)斷電源后電機即刻剎車，剎車時間小于100 ms；LED指示功能，當(dāng)開關(guān)接通以后電機工作指示燈點亮，斷電工作燈10 s后關(guān)斷，燈光亮度可調(diào)，可照亮整個工作區(qū)。

無極調(diào)速，PWM調(diào)速范圍0～100%。系統(tǒng)具備電子剎車功能，當(dāng)松開開關(guān)后系統(tǒng)啟動剎車功能，剎車時間小于1 s；

具有3倍以上的短時轉(zhuǎn)矩過載能力；功率板采用全橋驅(qū)動，功率板管采用了IR的低功耗MOSFET，通過散熱板和電機風(fēng)葉散熱。正反轉(zhuǎn)按鍵壽命可達50萬次以上。帶有電機和功率管的溫度檢測功能，實時監(jiān)控系統(tǒng)溫度，反饋單片機調(diào)整PWM以調(diào)整負載，從而達到最佳的效率控制點。

軟件和硬件結(jié)合保護，設(shè)置欠壓保護、過壓保護、過載保護、過溫保護、過流保護，短路保護，霍爾失效保護，電機缺相短路保護，F(xiàn)ET失效保護等使系統(tǒng)更安全。

5 控制效果

通過示波器對電壓電流的波形監(jiān)測（波形見圖9、圖10）可見，大負載或是空載狀態(tài)下，電機相電壓幾乎都呈現(xiàn)三相對稱的梯形波，其波頂寬為120°；電流為三相對稱的方波，在大負載狀態(tài)下存在轉(zhuǎn)矩脈動；梯形波電壓與方波電流在相位上接近同步，電機輸出轉(zhuǎn)矩最大，效率最優(yōu)。

圖9 輕載運行的電壓波形和電流波形

圖10 重載運行的電壓波形和電流波形

6 測試報告

36 V電錘用無刷電機的特性曲線，特征點和詳細的測試參數(shù)見圖11。

圖11 測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試參數(shù)，分析如下：

1）在輸入功率400 W～850 W區(qū)域內(nèi)，電機的系統(tǒng)效率都大于80%，說明了在電錘工作的范圍內(nèi)，都能達到較高效率；

2）轉(zhuǎn)速從空載至輸入功率達800 W時，機械特性系數(shù)大于82%，轉(zhuǎn)速無明顯下降現(xiàn)象，確保電錘的高效鉆削性能；

3）電機的保護電流為25 A，輸入功率為895 W，輸出功率為710 W，完全能滿足26電錘的需要（其輸出功率超過相同規(guī)格的交流電錘）；

4）電機具有較高的單位重量功率比；

5）電機帶載啟動順利，運行平穩(wěn)。

7 結(jié)語

36 V電錘搭配使用Φ26建工鉆，采用300#標準水泥，電錘鉆削率大于32 cm3/min（18 V和21.6 V電錘使用Φ18建工鉆，采用300#標準水泥，電錘的鉆削率大于35 cm3/ min）；電錘可使用Φ13 mm麻花鉆對鋼板進行鉆削，使用Φ30 mm木工鉆對硬木進行鉆削，鉆孔數(shù)均達到和超過了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的水平，并具有優(yōu)良的錘鏟功能。

上海電動工具研究所（集團）有限公司與深圳市高科潤電子有限公司聯(lián)合研制的18 V、21.6 V和36 V系列電錘用永磁無刷電機已經(jīng)通過測功試驗和實用性試驗，正投入小批量試產(chǎn)。電機本體將進一步派生18 V角向磨光機、電圓鋸、往復(fù)鋸和曲線鋸，派生36 V、1 200 W電鏈鋸和500 N·m電扳手等多種產(chǎn)品用永磁無刷電機。

[1]張琛.直流無刷電機原理及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]王芳，厲虹.無刷直流電動機控制技術(shù)研究[J].北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2007.(01).

Research of DC Brushless Motor of Cordless Electric Hammer

Luo Xuanqiang1, Wang Dian1, Yang Chuang1, Wang Jie1, Lv Yurong2, Li Yanchun2

SETRI (Group) Co., Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center, Shanghai, 200233, China Shenzhen Gold Corolla Electronics Co., Ltd. Guangdong, 518055

Set 36 V DC brushless motor of cordless electric hammer as an example, this paper introduces the technical parameters and performance indicators while analysing the motor structure, magnetic field and the basic principle of the control. Both motor system and sample test results show that the efficiency of the motor system and mechanical characteristics coefficient are more than 80%.

Brushless motor; DC; Electric hammer; Magnetic field; Magnetic circuit; Control

TM302

A

1674-2796（2016）05-0001-06

2016-07-20

羅選強（1945—），男，碩士研究生，高級工程師，主要從事電機和電動工具的設(shè)計和制造。