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張一嗚 夏平疇(中國科學院電工研究所北京100080)
摘 要 采用數值計算方法對無刷直流電機的電樞反應作了分析，指出了電樞反應對力矩波動的影響。在討論了
無刷電機的換向原理之后，提出了一種削弱這種影響的新方法。最后用實驗證明了這種方法的可行性。
敘 詞 無刷直流電動機電樞反應力矩波動
1 引 言
直流伺服電機控制簡單，目前使用較多，但由于電刷與換向器等機械裝置的存在，使該類型電機使用有諸多不便，需要定期維護和更換碳刷，制造也較麻煩，容量和使用電壓也受到限制。所以，70年代以來，由于電力電子技術、自動控制理論和微處理器件的進步，無刷直流電機取代有刷直流電機已成為一種必然的趨勢[1]。但是，如果從低速時的力矩波動來看，與有刷電機相比，無刷電機還不能盡如人意。原因有很多方面，如無刷電機的反電勢波形不可能達到理論上的梯形波，無刷電機電樞反應的存在、電機的齒槽效應、電機的相電感不對稱等。因此，要克服無刷電機低速時的力矩波動，不得不從多方面著手。本文詳細探討無刷電機的電樞反應對力矩波動的影響以及克服的方法。
2 無刷直流伺服電機的電樞反應
通過對電機氣隙磁場的數值分析，可以清楚地看到電機電柩反應的嚴重程度。電機的模型如圖1所示。
假定：
(1)磁瓦等效為兩側有電流層
(2)求解區(qū)域為一個極矩范圍，兩側滿足周期性條件，電機外殼外圓與轉軸中心處場強為零。
(3)每極槽數為整數，定、轉子相對固定，不考慮換向過程。
電機的基本方程式和邊界條件是：
圖2示出了某一額定電流為45A的電機在空載和1～5倍負載下氣隙磁場沿極距的分布。
從圖2中可見，無刷直流電機的電樞反應與有刷直流電機的電樞反應在程度上大體相當[2]。
根據計算結果，可得到電機的矩角特性[3]，圖3給出了極孤系數分別為0.8和0.9時電機的矩角特性曲線，從中可以看到力矩波動。
從理論上講，給定一個正弦值和余弦值，就可以確定電機的轉角（轉子位置）。
通過RDC變換，轉子的位置就能以數字量并行的方式輸出，其分辨率可以是210～216，由****轉速確定。****轉速越高，分辨率越低。
無刷直流電機電子換向的方法是，把報告電機轉子位置信息的并行數字量作為地址線，去觸發(fā)一片已寫好的換向代碼的EPROM，隨著地址的增加（電機正轉）或減少（電機反轉），換向代碼就按照一定的順序控制大功率模塊的開或關，如圖4所示。
3基于旋變反饋的換向原理
為了削弱電機電樞反應對力矩波動的影響，有必要先弄清楚無刷直沆電機的換向原理。無刷直流伺服電機的位置反饋元件可以是霍爾元件、光電編碼器或旋轉變壓器。這里以一個激勵、二個輸出的旋變?yōu)槔榻B換向原理。
設激勵電壓為：
在兩組輸出繞組上，
正弦輸出：
余弦輸出：
如果電機繞組接成星形，按照6狀態(tài)方式運行，用RDC中的高8位換向，每一狀態(tài)可分割為42. 67等分，當然，不可能分出小數等分，即小數等分
必須舍去或進入。進行合理的分配后，有兩個狀態(tài)得到42份，4個狀態(tài)得到了43份，總共是256份。這種分配方式的不均勻，是產生力矩波動的原因之一，但不是主要原因。
如果電機足兩對極，則每對極角狀態(tài)只能分得21份或22份。換向代碼（亦即數據線Do，Di，D2）是 -11—001, 010, 011,101,110 ,100.
4無刷直流電機電樞反應的削弱方法
在有刷電機中，削弱電樞反應、改善換向條件的主要方法有：裝置換向極和移動電刷。因永磁電機的結構和驅動方式的限制，在有刷直流伺服電動機中裝置換向極已不可能，因此只能采用移動電刷的方法削弱電樞反應。雖然移動電刷容易引起速度的不穩(wěn)定，但因驅動它的伺服系統(tǒng)帶有速度反饋，所以，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，這一點可不予考慮。
移動電刷的本質在于超前或滯后換向，也就是只要讓繞組超前或滯后導通，就相當于移動了無刷電機的“碳刷”，從而達到削弱電樞反應的目的。對電動機而言，逆著旋轉方向移動“電刷”，即提前換向就能削弱電樞反應。
圖5是實現(xiàn)這一設想的電路圖，圖6是寫入E-PROM中的部分字節(jié)。EPROM的地址線不要全部接至RDC的數據輸出線上，取Ao～A7和RDC的Oo和07相連，把EPROM的D3通過電阻R接到A8，并且A8通過電容C接到地，電阻R起緩沖作用，電容C起放電作用。
從圖6中可見，如果電機正轉，地址從000到004，數據都是05，繞組導通均為一個狀態(tài)，走到005，數據輸出是OD，與前面為同一狀態(tài)；但下一時刻地址線跳到106，教據輸出為09，導通狀態(tài)改變，與006、007不同，106、107提前兩個脈沖換向，這樣就達到了正轉提前換向的目的。
但是，不能在電機反轉時實現(xiàn)提前換向（如虛線所示），只有在校核旋轉變壓器零點時，有意識地逆著電機反轉方向微調一點，以削弱電機反轉時電樞反應的影響。因電機正轉時，提前換向的位數是可以調節(jié)的，因此通過改變換向代碼和調整旋變的零點就能削弱電機在正、反轉時電樞反應對力矩波動的影響。
5結論
用X-Y記錄儀記錄下RDC某一位輸出的波形觀察改變換向位數對低速力矩波動的影響，結果發(fā)現(xiàn)：
(1)不改變換向位時抖動量比提前3個字節(jié)換向時的抖動量大。
(2)提前換向字節(jié)過多時，如提前5個字節(jié)進行換向時也會增大抖動量。
(3)本文提出的方法是行之有效的。然而，因電機的負載隨時變化，電樞反應的程度也隨之不同，因此本文提出的方法只是削弱電樞反應，而不能****的消除。盡管如此，本文的研究結果對無刷直流方波電機的低速特性的改善具有現(xiàn)實的意義。
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