1、元刷直流电动机的方波与正弦波驱动 王宗培韩光鲜 程智等 一一一一 设计与研究DESIGN&RESEARCH 无刷直流电动机的方波与正弦波驱动 王宗培 ，韩光鲜。，程 智 ，程树康。 (1珠海运控电机有限公司，广东珠海519001； 2哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001) 摘 要：采用电子换向取代机械换向的BLDCM，绕组电流除了与传统的DCM一样接近方波以外，还可以是正弦 波都是有DCM的特性，都属于BLDCM。二种驱动方式的机械特性和转矩特性相接近，但运行平衡性、调速范围 和噪声等则很不一样。正弦波驱动要好得多。目前正弦波驱动BLDCM多用于要求高的伺服系统，价格甚高这不 会影响正
2、弦波驱动应是BLDCM的重要发展方向。 关键词：无刷直流电动机；方波驱动；正弦波驱动；转矩脉动 中图分类号：TM381 文献标识码：A 文章编号；10016848(2002)06一OOO3一O4 Squavewave Drive and Sinewave Drive of BLDCM WANG Zong-pei ，HAN Guang-xian ，CHENG Zhi ，CHENG Shu-kang。 (1Zhuhai Motion Control Motor CoLtd，Zhuhai 519001，China 2Harbin Institute of Technology，Harbin 1500
3、01China) Abstract：The phase current of BLDCM，with replacement of mechanical commutation by the use of electrical commutationcan be approximate to squarewave as the traditional DCM；and can also be a sine oneBoth of them belong to BLDCMwith the characteristics of DCMAlthough these two types of driving
4、 style are almost with the same mechanical and torque characteristicsthe stability，the velocity modulating range and noise are quite differentThe sinewave drive system is much better than the squarewave oneBy far the sinewave drive system is mostly used to the higher requirement application and with
5、 a higher price，with can not be a barrier of the sinewaye drive representing the important developing orientation of BLDCM Key words：BLDCM；squarewave drive；sinewave drive；torque pulsations l 无刷直流电动机(BLDCM) 传统的电动机分成同步电动机(SM)、异步电动 机(IM)和直流电动机(DCM)三大类。它们的基本 特点和区别可以这样描述：(1)同步电动机的转子转 速由供电交流电源的频率决定，增大负载时转
6、子速 度不变。或者说转子角速度与交流电源的角频率同 步。(2)异步电动机的转子转速也主要取决于供电交 流电源的频率，但转子角速度只有在理想空载情况 下才与电源角频率同步，实际上总小于同步角速度， 即有一定的转差且转差随负载增加而增大。(3)直 流电动机的转子转速取决于加在电枢上直流电压的 值，负载增大时，转速也随着下降。异步电动机为鼠 笼型结构没有电刷；小容量同步电动机大部分为永 磁转子结构，也没有电刷；传统的直流电动机则无一 例外地都是有刷结构。因为电刷和换向器是直流电 收稿日期：2OO21105 动机中将产生交流电势的电枢绕组与直流电源联接 的枢纽，是直流电动机构成的关键组成部分，可以理
7、解为将电枢绕组的交流电势整流成直流电势与电源 相联，也可以理解为将电源的直流电压逆变成多相 交流电压与电枢绕组相联。可见，对于传统的电动 机，同步和异步电动机交流电动机基本上是无 刷电动机，而直流电动机则无例外地为有刷电动机。 近代新发展起来的BI DCM是指没有电刷但具 有DCM特性的电动机。与传统的DCM相比， BI DCM用电子换向取代DCM的机构换向取消 了电刷和换向器；并将原有DCM中的定转子颠倒， 即电枢绕组在定子上，与静止的电子换相电路联接 方便，励磁在转子上，为永磁体，不需要励磁绕组，也 更不需要向转子通电的滑环和电刷；在DCM中，换 向器在转子上，它能保证当电枢导体从一个定子
8、磁 极下转到另一个极下时其中的电流同步改变方向， BLDCM电枢绕组中电流方向的改变由功率管的开 3 维普资讯 http:/ 一一 _ 微电机 2002年 第35卷 第6期(总第129期) 关来控制，为保证开关信号与转子磁极转过的位置 同步，需要有检测转子位置角的传感器。基本组成部 分如图1所示。可以看出BLDCM是1台反装的 DCM，用电子换向，作用原理基本不变，基本特性自 然就相一致。 控 指 图1 BLDCM的基本组成部分 2方波和正弦波驱动 BI DCM的电子换向，基本的方式与DCM中 完全一致，相绕组中的电流改变方向与绕组轴线所 处磁极下位置极性改变同步，称为方波驱动的 BI DCM
9、，相绕组基本上为方波。但是电子换向毕竟 与机械换向不一样，它具有更灵活的可控性，电子换 向不仅可实现随磁极位置同步改变相绕组内电流的 方向，必要时还可以实现电流波形的控制，例如让相 绕组电流为正弦波形，称为正弦波驱动的BLDCM。 尽管相绕组电流为正弦波形，看起来与传统的DCM 有些不同，可是这种带角位置传感器和电子换向电 路的永磁电动机，它的作用原理和基本特性仍与 DCM相一致，应归类为BI DCM。 在英美的文献中，把这类正弦波驱动的 BI DCM称为“永磁同步电动机(PMSM)”Ll 或者 “无刷交流电动机(BI ACM)”L2，在日本和欧洲则大 多数情况下称为“交流伺服电动机(AC s
10、ervo)”，国 内基本上也多数采用AC servo的名称。这些名称在 工业和商业领域通用以后很难加以改变，但是从学 术的角度应作一些澄清，否则会造成混淆。转子上没 有位置传感器，或不通过位置讯号换向的永磁电动 机，才具有同步电动机的基本特性，是名符其实的 PMSM。通过位置讯号进行电子换向的永磁电动 机，既使相绕组电流波形为正弦波与交流电动机一 样，但基本特性与DCM相一致，应归类为DCM，而 不是SM。把它称为BI ACM就更不清楚了，难道传 统的ACM都有刷吗?传统的鼠笼型异步电动机和 永磁电动机都是无刷结构，都是BLACM。通常所说 的AC servo，如前所说，它不是同步电动机的工作
11、 特性，又不具备异步电动机的基本结构，所以从本质 上讲不是1台通常意义上的AC电动机，只是从形 式上看，绕组电流为正弦波形，与通常ACM的绕组 电流情况相同，实际上称作无刷直流伺服电动机 (BI DC servo)较为恰当。 3运行性能实例对比 实验用的电动机是珠海运控电机有限公司生产 的123BL(3)A4O一2O(ST一1)型AC servo，这是一 台尸N一400W， 一2 000 rmin的中惯量AC servo，定子绕组相数7 一3，转子极数2P=8，位置 传感器为2 500线的光学编码器，具有U、V、W和 A、B、Z信号。与同一公司生产的PSDA2023A1 型交流伺服驱动器配套，
12、构成了典型的正弦波驱动 BI DCM。在给定转速为最高限速值，电源电压 一220V不变的条件下，负载特性测试数据如表1所 示。机械特性和转矩特性如图2a和b所示。图2a曲 线表明，在丁。 27Nm范围内，电动机运行在稳速 情况下，丁 27Nm时，超出了该给定转速下的最 大转矩，转速下降，电动机运行在速度开环情况下。 将下降段曲线向上延长，如图中虚线段所示，将表示 完全速度开环时的机械性，从它与纵轴的交点可得， 开环时空载转速约为 。一3 700rmin。图2a的曲线 还表明如果，z一2 000rmin时，最大负载转矩为 50Nm，为额定转矩的25倍。即该电动机在保持 额定转速不变的条件下，具有
13、25倍的过载能力。 采用珠海运控电机有限公司生产的方波 BLDCM驱动器，型号为BI DA一04211A1，与实验 表1 v：220V伺服驱动器最高限速时负载实验数据实例 鼻研机部件 维普资讯 http:/ 无刷直流电动机的方波与正弦波驱动 王宗培 韩光鲜 程 智，等 图2 正弦波驱动BLDCM机械特性和转矩特性 用的电动机配套，便构成方波驱动BI DCM。在方波 驱动BI DCM产品中，都采用3个开关霍耳元件作 转子位置传感器，产生互差120。电角度的方波位置 信号。如果只是为了实验测试，则用光学编码器的 U、V、W信号也一样。上述同一台实验电动机，在电 源电压保持V一220V不变的条件下，
14、方波驱动负 载实验测试数据如表2所示。机械特性和转矩特性 如图3a和b所示。与图2a和b的曲线相对比可以 看出，(1)在速度开环情况下，相同电压条件下，二种 驱动方式时电动机的空载转速基本相同，并同样具 有随负载增大而转速下降的机械特性。(2)在相同负 载转矩条件下，方波驱动BLDCM的转速略低一些， 即转速降略大一些。(3)转矩特性基本一致，转矩和 电流几乎成线性关系，在同一负载转矩时，方波 BLDCM的电流略小。在相同负载转矩条件下，方波 驱动BLDCM的转速稍低，输出功率较小，相应地输 入功率也要小一些，在同样电压条件下，桥臂电流小 一些是在预料之中的。至于方波驱动BI DCM转速 下降
15、要稍大一些，当然是和换向过程有关，可参看有 关电枢等效电阻的分析3“，对转矩系数有影响也是 相关联的L5。 表2 v一220V时方波驱动BLDCM负载实验数据实例 4000 -3000 2000 l000 O m fa) ) 6 4 、 2 0 2 4 6 LA (b) = I ) 图3 方波驱动BLDCM机械特性和转矩特性 表2的数据和图3的曲线表明，方波驱动 BI DCM的额定数据大体上可给定为： N一2 500r min，TN一26Nm，PN一680W，IN一29A(DC)，VN 一220V(AC)。按珠海运控电机有限公司的型号表 示方法应为123BI (1)A6825H(ST一1)型，
16、即1 台400W、2 000rrain的AC servo改用方波驱动器 就成了1台680W、2 500 rmin的BI DCM。这些数 据丝毫也不能表明方波驱动电动机能输出更大的功 率，实际上AC servo若运行在2 500rmin时，能输 出的最大转矩要比26Nm更大一些。对应2 000r rain额定转速、400W的电动机有25倍的过载能 力，但是方波驱动BI DCM在超过额定转矩时转速 便低于额定转速。 4正弦波和梯形波旋转电压(反电势) 一个相关的问题是电动机旋转电压(EMF)的 波形。在一些文献中对BI DCM的特点描述为：具有 永磁转子，定子绕组的设计使EMF为梯形波L6。并 认
17、为方波绕组电流和梯形波EMF作用的结果能获 得恒定无脉动的电磁转矩。正弦波驱动的电动机才 设计成EMF为正弦波，并称为PMSM或BLACM。 前面已经论述过，只要根据位置讯号实现电子换向， 即便绕组电流与ACM一样为正弦波，仍是DCM原 理具有DCM的基本特性，便是BLDCM。正弦波驱 动BI DCM设计成正弦波EMF，能产生恒定无脉动 的电磁转矩，与传统ACM相类似，那么方波驱动 BLDCM的EMF是否要追求梯形波。 限于篇幅，对这个问题这里无法作详细的论述， 仅简要指出几点。(1)方波(梯形波)EMF只有在下 述条件下才能得到，即气隙磁密分布为方波，全距 集中绕组，不斜槽和不斜极。真的满足
18、这些条件可获 得方波EMF，但电动机的定位转矩会很大，严重影 响运行性能而无法接受。(2)在小容量BLDCM中， 产生方波EMF的条件很难达到。小容量BLDCM一 般每极槽数很少，槽开口对气隙磁密分布的影响很 一3一 维普资讯 http:/ 微电机2002年 第35卷第6期(总第129期) 大，因为要保证足够下线的工艺尺寸。如果转子采用 多极磁环，磁性材料为各向同性，充磁后较难获得足 够顶宽度的平顶波。小容量BLDCM常常采用与转 子极数相近的定子槽数，构成分数槽绕组，定位力矩 可以很小，EMF波形则接近正弦波。总之实际的小 容量的BLDCM产品，大都具有接近正弦的EMF波 形。(3)理论上讲
19、，具有方波EMF的电动机，在绕组 也是方波电流的作用下，可以产生恒定无脉动的电 磁转矩，但是由于换向过程的影响，绕组电流在大部 分实际运行过程中与方波相距甚远，再加上EMF 波形也总与理想的平顶波有一定的差距，所以实际 的方波EMF电动机，在方波驱动方式运行时，运行 平稳性未见得有所改善。 5正弦波驱动是发展方向 从目前市场上通行的产品看，正弦波驱动 BLDCM，都采用光学编码器，驱动器设计包含电流 环、速度环和位置环，成为高性能的伺服单元，通常 称为交流伺服电动机或交流伺服单元(AC servo)， 运行平衡性好，噪声低，调速比高(达10 000或以 上)，响应快，定位精度高，还具有可靠性高
20、和维护方 便的特点，是当今伺服驱动的主流产品。不足之处是 价格昂贵，近一二年国内市场上通用AC servo的价 格已有一定幅度的下降，但还是价格甚高。首先是光 学编码器相当贵，市场价要高出数百瓦永磁电动机 本体的成本。其次驱动控制线路较复杂，所用的电流 传感器及专用芯片等也较贵。采用旋变作位置传感 器的AC servo国外产品，有少量进入国内市场，价 格不比光学编码器的AC servo便宜。价格因素限制 了这类高性能BI DCM在更广范围内的应用。 更广泛的产品是方波驱动的BI DCM，通常采 用3个开关霍耳元件作位置传感器，驱动控制电路 也较简单，因此成本低廉，适合众多大量应用的场 合。但是
21、在典型的方波驱动BLDCM中，绕组电流含 有丰富的谐波，使电磁转矩脉动大，导致电动机运行 的平稳性变差，振动和噪声增大。另外，这类电动机 在一圈范围内的位置信息量甚少，用它来控制转速 不能达到高的稳速精度，调速比也较小(在10左 右)。这就使得普通方波驱动BI DCM不能适应一些 对噪声和调速比要求稍高的应用场合。 基于以上实际现状，普遍的说法认为“转矩波动 是BLDCM存在的突出问题”7。国内外的研究人员 针对这个问题做了大量工作，提出了各种解决和改 善这个问题的途径和方案。本文不可能对这方面众 多的研究作出评述，仅简单提出一些想法。 一6 (1)笼统地认为“转矩波动是BLDCM存在的突 出
22、问题”可能会引起误解或产生误导，特别是对于尚 未深入工业生产和应用实际研究的研究者，高校的 研究生就是例子。明确一点应该是：简单廉价的方波 驱动BLDCM较突出的不足之处是转矩波动；价格 较高的AC servo，属于正弦波驱动BLDCM，并不存 在转矩波动；所以BI DCM的转矩波动，决不是偏重 理论和方法的问题，更多地是侧重于降低成本的实 际工程问题。 (2)三相永磁电动机各相绕组旋转电压(EMF) 瞬时值用U。、U 和U 表示，电流瞬时值用i 、i 和i 表示，在给定角速度( )不变条件下，只要能使得： “ i +Ubib+U i 一const (1) 就可以获得恒定无脉动的电磁转矩。通常
23、电动机的 三相绕组是对称的，“ U 和U 的波形是相同的，只 是互差一定的相位，i i 和i 也一样。理论上讲，不 论EMF为什么波形，只要波形已知，就能找到一个 满足式(1)要求的电流波形，并且用近代电流波形控 制技术来实现。反过来，在给定电流波形情况下，也 能找到一个满足式(1)要求的EMF波形，但是EMF 波形的控制，就不那么容易实现了，除非要求正弦波 形，这在传统ACM设计理论中有较为成熟的理论 和方法。实际上要满足式(1)，使电磁转矩恒定，不论 给定EMF波形，还是给定电流波形，都只有让二者 都是正弦波最为方便和现实。 (3)事物总是要向完善的方向发展，对于 BLDCM，正弦波驱动是
24、发展方向。目前成本较高的 局面，不是一成不变的。如果退回10年看，BLDC servo(AC servo)的价格很高，但是并没有妨碍它逐 步取代DC aervo的发展趋势。在目前情况下，结合 不同应用场合的要求，研究和开发较为经济的正弦 波驱动BI DCM值得关注，用不同的方法来取代价 格不菲的光学编码器首当其冲。 参考文献： 1PPillay，RKrishnanModeling，Simulation，and Analysis of Permanentmagnet Motor Drives，Part I：The Permanentmagnet Synchronous Motor DriveJI
25、EEE TransIndApp1，1989，25(2)：265 273 2 JRHendershot Jr，TJE MirlerDesign of BrushlessPermanentmagnet MotorsMMagna Physics Publishing and Clarendon PressOxford。 1994I一2 (下转第18页) 维普资讯 http:/ 微电机2002年 第35卷 第6期(总第129期) 一 c 式中， 为主气隙长度， 为凸台处气隙长度， 为电枢冲片齿角度， 为凸台角度， a 为无凸台 时，每极气隙磁通。 气隙磁通量： 1+ 02 - l_1) 电枢磁场与磁极
26、磁场中心线夹角： 一 n百 电枢绕组感应电势： E一 啪an Ce 式中，C 一 ，为电动势常数，尸为极对数， 为计算极弧系数， 为电枢绕组匝数，n为电机转 速。 电枢电流： ， UN一2UE L _ 式中， 为功率晶体管压降，R 为电枢绕组 电阻， 为额定电压。 电动机转速： UN一2U一 。R。 ” bai 一 空载转速： 。 N一2 0=b 丽 电磁转矩： T 一2BaWl fD1I 式中，Ba为永磁体产生的气隙磁密， 为电枢计 算长度，Di为定子内径。 样机研制中， 角大于4。，才能解决电动机起动 和运行时死点。试验数据见表1。 表1电动机试验数据 5 结 语 单相无刷直流电动机的电磁
27、计算特点：永磁体 和电枢集中绕组产生梯形波气隙磁密，不同正弦波 气隙磁密的计算；定子冲片齿端凸台造成气隙磁通 量增加，应满足电枢磁场与磁极磁场中心线夹角 大于4。；单相电动机的压降系数、漏磁系数比三相 电动机大。反接串联的电枢绕组比二组绕组轮流通 电的单相无刷直流电动机可获得更高的效率。对小 型驱动控制器，可选用功能更多的单片集成电路模 块，例如，UDN3626M适用于24V电压，工作电流 小于04A，它包括了霍尔传感器、过流保护电路等。 外转子式单相无刷直流电动机也可采用齿端凸台的 不均匀气隙。随着单片集成电路模块功能提高、价格 降低，电动机规格增加，使更多的无刷直流电动机应 用在家用电器领
28、域。 参考文献： 13唐任远现代永磁电机理论与设计M机械工业出版 社，1997 23李钟明，刘卫国稀土永磁电机M国防工业出版社， 1999 3 丁道宏电力电子技术M航空工业出版社，1995 4谭建成电机控制常用集成电路M机械工业出版 社，1997 53 王庆文高速单相无刷直流电动机的原理和计算J3 微特电机1998(4) 作者简介：吴远骏(1977一)，男，助理工程师，学士，主要 从事电气技术及控制。 (上接第6页) 3韩光鲜，谢占明，王宗培等无刷直流电动机电枢 等效电阻的实例研究J微电机，2002(1)，35 E43韩光鲜谢占明，王宗培，程智无刷直流电动机电枢等 效电阻的研究EJ微电机，20
29、02(2)36 53韩光鲜，谢占明王宗培，等无刷直流电动机转矩系 数的研究J3微电机，2002(3)，35 6PPillayRKrishnanModeling，Simulation，and Analysis of Permanentmagnet Motor DrivesPart ：The Brushless IX；Motor DriveEJIEEE Trans IndApp11989，25(2)：274279 73胡文静永磁无刷直流电动机的发展及展望EJ，微电 机2002(4)，3738 作者简介：王宗培(1932一)，男哈尔滨工业大学教授， 博导，长期从事电机的教学与研究发表论文260篇，出版教 材及专著6部。 维普资讯 http:/
