認識空心杯電機（4）

李業(yè)新

空心杯電機克服了有鐵芯電機無法逾越的技術(shù)障礙，將電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率提高至70%，部分產(chǎn)品甚至達到90%以上，使其具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。在很多應(yīng)用場合，空心杯電動機有著不可替代的地位。不過，知其然當知其所以然，本期的重點，就落在空心杯電機的控制方法上。

十、空心杯電機的控制方法

1.PWM調(diào)制方式

采樣控制理論中有一個重要結(jié)論： PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等、寬度不等的脈沖，并用這些脈沖代替正弦波或其他所需要的波形（圖1）。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率（圖2）。

PWM控制的基本原理雖很早就已提出，但受電子元器件發(fā)展水平的制約，在20世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入20世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。

對于兩相導(dǎo)通、具備三相六狀態(tài)的空心杯無刷直流電機來說，在一個周期內(nèi)，每個功率開關(guān)器件可導(dǎo)通120°的電角度，每變換60°又要有兩個開關(guān)器件配合做切換。因此，PWM調(diào)制有以下5種方式（圖3 - 圖7）：

（1）on_pwm型

（2）pwm_on型

（3）H_pwm-L_on型

（4）H_on-L_pwm型

（5）H_pwm-L_pwm型

前4種方式又被稱為半橋調(diào)制方式，即在任意一個60°區(qū)間，只有上橋臂或下橋臂開關(guān)進行斬波調(diào)制。細分起來，方式（1）和（2）為雙管調(diào)制方式，即在調(diào)制過程中上橋臂和下橋臂的功率開關(guān)都參與斬波調(diào)制；方式（3）和（4）為單管調(diào)制方式，即在調(diào)制過程中只有上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)參與斬波調(diào)制。而方式（5）是全橋調(diào)制方式，即在任意一個60°區(qū)間內(nèi)，上、下橋臂的功率開關(guān)同時進行斬波調(diào)制。

在全橋調(diào)制方式中，橋臂功率開關(guān)的動態(tài)功耗是半橋調(diào)制方式的兩倍。這就意味著全橋調(diào)制方式的系統(tǒng)效率更低，同時給電機散熱帶來困難。因此，考慮到功率開關(guān)的動態(tài)功耗，空心杯電機應(yīng)選擇PWM調(diào)制中的半橋調(diào)制方式。

而在半橋調(diào)制方式中，雙管調(diào)制既不增加功率開關(guān)的動態(tài)損耗，又解決了單管調(diào)制的功率開關(guān)散熱不均的問題，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。然而，本應(yīng)是空心杯電機控制的最佳選擇，卻由于雙管調(diào)制實現(xiàn)起來過于復(fù)雜，致使在實際應(yīng)用中，空心杯電機多采用較容易實現(xiàn)的方式——（3）H_pwm-L_on型PWM調(diào)制方式，即在不同的120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率開關(guān)通過窄脈沖調(diào)制，下橋臂開關(guān)管恒通。

2.PI控制方法

PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值的差值，將偏差的比例和積分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。簡單說來，PI控制器在各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

（1）比例環(huán)節(jié)

即時成比例地反饋控制系統(tǒng)的偏差。一旦出現(xiàn)偏差，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。通常比例作用增大，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)整量就會加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快；但當比例作用增加到一定程度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性反而下降，甚至變得不穩(wěn)定。

（2）積分環(huán)節(jié)

通過消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無誤差度。運行時只要系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，積分調(diào)節(jié)就開始運行，直到無誤差，積分調(diào)節(jié)停止。積分作用的強弱取決于積分常數(shù)。數(shù)值越大，PI控制的積分調(diào)節(jié)作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，動態(tài)響應(yīng)速度變慢；反之越強。

積分作用常與其他調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器（圖8）。

十一、空心杯電機的應(yīng)用范圍

在本文的首篇連載中，曾提到與有鐵芯電機相比，空心杯電動機存在諸多優(yōu)點，且其最突出的特性多為衡量電機好壞的重要指標。例如有刷直流無鐵芯空心杯電機融合了多項關(guān)鍵的技術(shù)，包括低轉(zhuǎn)動慣量、無齒槽、低摩擦、緊湊的換向系統(tǒng)等，帶來更快的加減速特性、更高的工作效率、更低的焦耳損耗、更大的持續(xù)轉(zhuǎn)矩，因此應(yīng)用范圍非常廣闊。

相比其他結(jié)構(gòu)電機，空心杯電機體積大為減小、重量減輕、發(fā)熱量減少。只需很小的空間，它就能提供同樣優(yōu)異的動力輸出，從而提供更好的舒適度和便利性，是便攜或小型設(shè)備等的理想選擇。此外在以蓄電池供電的應(yīng)用中，空心杯電機的無鐵芯設(shè)計，還可以延長設(shè)備的使用壽命，同時提高能源的使用效率。

空心杯電機出現(xiàn)之初，多用于軍事等高科技領(lǐng)域。其進入民用領(lǐng)域不過十幾年，便已經(jīng)得到了迅速發(fā)展。在發(fā)達國家，空心杯電機被大量用在工業(yè)產(chǎn)品上。我國對空心杯電機的開發(fā)研制工作已有二三十年的歷史。遺憾的是，國內(nèi)工業(yè)界對空心杯電機的卓越性能尚沒有充分認識。國內(nèi)開發(fā)的許多新產(chǎn)品，因電機性能不符合要求，整體水平始終與國外同類產(chǎn)品存在較大差距，限制了產(chǎn)品的開發(fā)和發(fā)展。這一現(xiàn)象，在醫(yī)療器械、義肢、機器人、攝像機、照相機，甚至在紡織機械、激光測量儀器等方面都存在（圖9、圖10）。

由于工藝復(fù)雜、生產(chǎn)自動化程度遠不如有鐵芯電機，因此空心杯電機的生產(chǎn)成本比較高。加之生產(chǎn)時對操作者的技能水平要求高，推高了勞動力成本，給大規(guī)模生產(chǎn)帶來了很多困難和限制。不過最近國內(nèi)空心杯電機的生產(chǎn)有了較快發(fā)展，不僅在國內(nèi)市場上逐步替代了進口產(chǎn)品，而且已有企業(yè)開始參與國際市場的競爭。

時下最時髦的一種航空模型產(chǎn)品，當屬四軸飛行器（Quadrotor）。四軸飛行器又稱四旋翼飛行器，模友們愛稱其為四軸或四旋翼。這種多旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單，螺旋槳與電機直連，“十”字形的動力布局使得飛行器可通過改變各個電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整自身姿態(tài)。受益于微機電控制技術(shù)的進步，近年來飛行性能穩(wěn)定的四軸飛行器得到了業(yè)內(nèi)重視，未來應(yīng)用前景廣闊。中國大疆創(chuàng)新公司、法國Parrot公司、德國AscTec公司和美國3D Robotics公司已經(jīng)打造出了四軸飛行器的專屬品牌，并在國際上享有很好的聲譽。其中消費級無人機的動力多為大功率無刷電機，微小型四軸飛行器則使用空心杯電機（圖11、圖12）。

室內(nèi)遙控模型飛機要求起飛重量盡量輕，并保證穩(wěn)定的動力輸出，空心杯電機無疑是最佳選擇（圖13）。一般來說，單個直徑7mm的空心杯電機，只要合理配置減速組，就能提供100g左右的拉力。由于一架室內(nèi)遙控模型的起飛重量一般在60g以下，因此空心杯電機的動力配置足夠，且有富余。在室內(nèi)遙控模型直升機上，空心杯電機則扮演了更加多樣性的角色，既可用作主旋翼的動力電機（圖14），也可用作尾槳電機，更是很多微型飛行器一體控制板中舵機的主角。

提到航模用舵機，目前小型航模舵機中的動力輸出部分，基本以空心杯電機為主。老式舵機的動力輸出則主要使用普通有刷電機，功率損耗很大。如今比較高端的高電壓航模舵機改用空心杯無刷電機，無論在扭力還是反應(yīng)速度上，都有了長足的提高和進步。（未完待續(xù)）