| 無刷直流電機(jī)在按摩椅行業(yè)的應(yīng)用
張生明
(浙江豪中豪健康產(chǎn)品有限公司，浙江平陽325400)
摘要：無刷直流電機(jī)是集特種電動機(jī)、功率驅(qū)動器、檢測元件、微處理器、控制軟件和硬件于一體的新一代機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品，既保持了有刷直流電動機(jī)良好的調(diào)速性能的特點(diǎn)，又具有結(jié)構(gòu)簡單、起動力矩大、調(diào)速范圍寬、損耗低、效率高、無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多****成果。按摩椅作為一種模擬人手的揉捏敲打動作對人體進(jìn)行按摩的智能化產(chǎn)品，其在模糊控制和直接驅(qū)動方面具有很高的要求。將無刷直流電機(jī)技術(shù)應(yīng)用到按摩椅行業(yè)，將會大大降低按摩椅的運(yùn)行噪音，提升按摩椅的使用舒適性，增加按摩椅的穩(wěn)定性，延長按摩椅的使用壽命，并顯著降低按摩椅的運(yùn)行能耗。這種應(yīng)用，必將從最基礎(chǔ)的驅(qū)動層面上整體推動按摩椅行業(yè)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；按摩椅；應(yīng)用
0引言
無刷直流電動機(jī)是近年來隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和高開關(guān)頻率、低功耗新型電力電子器件的應(yīng)用，以及控制方法的優(yōu)化和低成本、高磁能積的永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種新型直流電動機(jī)。
“無刷直流電動機(jī)”一詞最初特指具有電子換向的直流電動機(jī)，“無刷”即指由電子換向取代傳統(tǒng)的機(jī)械換向，“直流”即指具有與有刷直流電動機(jī)相同的工作特性�？偨Y(jié)現(xiàn)有參閱文獻(xiàn)可知，無刷直流電動機(jī)是指轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，定子繞組為多相交流繞組，并配以適當(dāng)?shù)奈恢脵z測器，可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號按一定的次序向定子繞組進(jìn)行電子饋電的自同步電動機(jī)系統(tǒng)。因此，它又被稱為自控式同步電動機(jī)。無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn)是在同步電動機(jī)的定子上裝有～臺轉(zhuǎn)子位置傳感器，由它發(fā)出信號控制變壓變頻裝置的逆變器換流，從而改變同步電機(jī)的供電頻率，調(diào)速時由外部控制逆變器的直流輸入電壓或電流，它用電力電子裝置取代了機(jī)械換相器，岡此又稱為無換向器電機(jī)。
無刷直流電動機(jī)既保持了有刷直流電動機(jī)良好的調(diào)速性能又具有無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電動汽車、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器等方面都獲得了廣泛應(yīng)用。
按摩椅作為一種模擬人手的揉捏敲打動作對人體進(jìn)行按摩的智能化產(chǎn)品，其在模糊控制和直接驅(qū)動方面無疑具有很高的要求。而采用無刷直流電動機(jī)直接驅(qū)動按摩椅機(jī)械裝置的技術(shù)，對于滿足按摩椅的這些要求，無疑是十分有效的途徑。近十幾年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTR、MOsFET和IGBT等的相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料如鐵氧體、銣鐵硼等相繼問世，為無刷直流電動機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。按摩椅采用無刷直流電動機(jī)直接驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)無級寬調(diào)速，調(diào)整范圍可達(dá)0~1000，m/min，使按摩椅的模糊控制方案更為易于實(shí)現(xiàn)，并且由于省去了齒輪減速及皮帶傳動機(jī)構(gòu)，無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率明顯高于原有系統(tǒng)的效率，同時也將降低了按摩椅工作時的噪聲，這些都無疑將太大
提高按摩椅的產(chǎn)品性能和市場競爭能力。
1無刷直流電機(jī)在降低按摩椅噪音方面的作用
由于按摩椅在工作的時候，人的頭部緊貼按摩機(jī)械手，噪音問題將會嚴(yán)重影響人的舒適程度。由我公司負(fù)責(zé)起草的國家標(biāo)準(zhǔn)《家用和類似用途電器噪音限值電動按摩器的特殊要求》規(guī)定按摩椅的整機(jī)噪音限值為55dB(A)，而目前采用的傳統(tǒng)直流電機(jī)的正常負(fù)載運(yùn)行噪音為：38dB(A)
左右。所以，降低電機(jī)噪音成為了進(jìn)一步降低整機(jī)按摩椅噪音的重要技術(shù)方向。
因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，所以其在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)一直占有主導(dǎo)地位�；谶@個道理，按摩椅的驅(qū)動電機(jī)也一直采用直流電機(jī)。但是根據(jù)法拉第定律，當(dāng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動時，其在磁場中的受力將會反向，所以直流電機(jī)需要有一個電流轉(zhuǎn)向功能，才能保證電機(jī)平穩(wěn)的持續(xù)運(yùn)行。在傳統(tǒng)的直流電機(jī)中，這個功能由電刷完成。這種機(jī)械換向方式，在電刷與換向器之間存在機(jī)械摩擦，在這個過程中不可避免的產(chǎn)生噪音與火花。直流電機(jī)的噪音主要是電刷與換向器之間的摩擦噪音。而且從理論上，這個噪音將永遠(yuǎn)無法消失。目前采用高潤滑導(dǎo)電材料做成的電刷與換向器，其噪音仍然在35dB(A)以上。
為了取代有刷直流電動機(jī)的電刷——換向器結(jié)構(gòu)的機(jī)械接觸裝置，人們對此進(jìn)行了長期的探索。早在1915年，美國人蘭格米爾(Langm_11)發(fā)明丁，帶控制柵極的水銀整流器，制成了由直流變交流的逆變裝置。1917年，Boliget提出了用整流管代替有刷贏流電動機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電動機(jī)的基本思想。本世紀(jì)三十年代有人開始研制以電子換向取代電刷機(jī)械換向的直流無刷電動機(jī)，但當(dāng)時由于受到元器件的限制而沒有發(fā)展起來。1955年美國的D．哈利森(arrison)等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電動機(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動機(jī)的誕生。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對1876年美國人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過多年努力，終于在1962年試制成功了借助霍爾元件換流的無刷直流電動機(jī)，從而開創(chuàng)了無刷直流電動機(jī)的新紀(jì)元。l978年德國NESMANN公司在漢諾威貿(mào)易博覽會上推出MAc方波無刷直流電動機(jī)及其驅(qū)動器，標(biāo)志著方波無刷直流電動機(jī)技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段。
無刷直流電機(jī)因?yàn)椴恍枰ㄟ^電刷和換向器進(jìn)行電流換向，所以從根本上消除了兩者的摩擦噪音。一般來說，無刷直流電機(jī)的噪音水平只有傳統(tǒng)直流電機(jī)的百分之十左右。采用無刷直流電機(jī)，大大降低了按摩椅的噪音水平。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用了無刷直流電機(jī)之后，按摩椅的噪音水平只有原來的百分之四十五左右，大大降低了按摩椅的運(yùn)行噪音，顯著提升了按摩椅的使用舒適性。
2無刷直流電機(jī)在提升按摩椅智能化方面的作用
無刷直流電機(jī)和一般有刷直流電機(jī)具有基本相同的調(diào)速特性，即只要簡單地改變電機(jī)的輸入電壓或勵磁電流的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)速。而無刷直流電機(jī)一般為永磁同步電動機(jī)，其勵磁是恒定的，故無刷直流電機(jī)只能通過改變電機(jī)的輸入電壓來實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這種控制方式，大大簡化了電機(jī)的控制方式，使得控制更加靈活簡便。
無刷直流電機(jī)通過電子方式改變電流方向獲得持續(xù)的轉(zhuǎn)矩。這個過程中，其轉(zhuǎn)子位置信號除了通過位置傳感器來獲得之外，還可以通過檢測定子繞組三相端電壓來檢測轉(zhuǎn)子位置。這種技術(shù)的采用，不但使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，降低了電機(jī)的制造成本，還避免了位置傳感器在高溫、冷凍和有腐蝕性物質(zhì)等不便于使用的場合，擴(kuò)大了無刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍。而且，通過這種方式，還可以將電機(jī)的控制系統(tǒng)與按摩系統(tǒng)一起，集成到主板上，增大了機(jī)電一體化的程度，大大增強(qiáng)了電機(jī)的可控性能，從而大大提升了按摩椅的靈活性。
隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，將傳統(tǒng)的電機(jī)與電子技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)出全新性能的新一代產(chǎn)品。機(jī)電一體化就是最終實(shí)現(xiàn)智能化功能單元的必由之路。所謂智能化的電動機(jī)就是將電動機(jī)、編碼器(傳感器)、功率放大器、電源、可編程控制器和網(wǎng)絡(luò)管理器等智能化模塊組合在一起，形成一個整體，這樣的組合會給驅(qū)動系統(tǒng)帶來一系列的優(yōu)點(diǎn)，如可靠性高、成本降低、體積減小、系統(tǒng)性能提高等。通過對無刷直流電動機(jī)本體的結(jié)構(gòu)電氣參數(shù)及工作性能的研究，及建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，有效的提升按摩椅的智能化水平。
智能控制是控制理論發(fā)展的****階段，一般包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制專家系統(tǒng)。智能控制技術(shù)的應(yīng)用，大大改進(jìn)和優(yōu)化了無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行性能。傳統(tǒng)控制，譬如PlD控制或線性二次方程控制，需要精確地描述系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，這對于帶有未知動力變化的系統(tǒng)可能是一個主要限制因素。即使能夠得到控制系統(tǒng)的模型，但飽和、擾動、參數(shù)變化這些未知條件也是不可能用精確的模型建立的。負(fù)載的變化和外部擾動將直接影啊伺服系統(tǒng)的性能，而且電機(jī)的端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)和永磁體磁鏈諧波等將產(chǎn)生推力紋波，系統(tǒng)參數(shù)(轉(zhuǎn)予質(zhì)量、粘滯摩擦系數(shù)等)的變化、摩擦阻力的非線性變化以及狀態(tài)的觀測噪聲等都會降低系統(tǒng)的伺服性能。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)具有目學(xué)習(xí)的功能，在處理控制系統(tǒng)的非線性、不確定性等問題上有很好的應(yīng)用前景。
利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，不要求預(yù)知精確的系統(tǒng)參數(shù)，利用一些先進(jìn)的控制算法可以實(shí)現(xiàn)很好的控制效果。小波變換以特有的尺度伸縮功能，使其具有很強(qiáng)的奇異、突變信號的鑒別能力，能有效地檢測到非平穩(wěn)信號的瞬時、奇異成分，并能顯示時域的產(chǎn)生和持續(xù)時間，使其在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷等非平穩(wěn)、時變信號的分析領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。通過采用具有很強(qiáng)自學(xué)習(xí)能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)電流、電壓的雙閉環(huán)控制。通過在線學(xué)習(xí)能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，對擾動和參數(shù)變化進(jìn)行有效的抑制補(bǔ)償，同時采用小波變換實(shí)時進(jìn)行系統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)，從而可以有效地提高控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度和可靠性。
3無刷直流電機(jī)在提升按摩椅穩(wěn)定性方面的作用
按照供電方式的不同，無刷直流電動機(jī)又可以分為兩類：
(1)方波無刷直流電動機(jī)，其反電勢波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁同步電動機(jī)：
(2)正弦波無刷直流電動機(jī)，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。
但無論哪種無刷直流電機(jī)，其都有一個共同點(diǎn)，就是沒有電刷。因?yàn)闆]有電刷，所以在運(yùn)行過程中就不會出現(xiàn)因電刷和換向器之間的相互摩擦噪音，也不會出現(xiàn)火花。因而，按摩椅采用無刷直流電機(jī)之后，每圈出現(xiàn)一次的運(yùn)動火花將會****消失，其運(yùn)行過程中的發(fā)熱將大大降低，周期性的電機(jī)扭矩變化也會消失，從而大大提升了按摩椅的穩(wěn)定性能。
4結(jié)論
無刷直流電機(jī)是集特種電動機(jī)、功率驅(qū)動器、檢測元件、微處理器、控制軟件和硬件于一體的新一代機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多****成果。這種電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、起動力矩大、調(diào)速范圍寬、損耗低、效率高、無滑動接觸和換向火花、可靠性高、噪音低和使用壽命長等突出優(yōu)點(diǎn)。在按摩椅行業(yè)中，隨著智能化程度的提高，對電動機(jī)也相應(yīng)提出了低噪聲、高性能、長壽命、高可靠、小型化、高效節(jié)能的要求。這些電動機(jī)結(jié)合新的控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和新的電子設(shè)備，大大降低了按摩椅的運(yùn)行噪音，提升了按摩椅的使用舒適性，增加了按摩椅的穩(wěn)定性，延長了按摩椅的使用壽命，并降低了按摩椅的運(yùn)行能耗。從而，無刷直流電機(jī)從最基礎(chǔ)的層面上，促進(jìn)了按摩椅行業(yè)的發(fā)展。
作者簡介：張生明(1963-)，男，工程師，長期從事保健按摩器具的研究和開發(fā)。 |
