无刷直流电机在电动执行器中的应用

湖北工业大学农机院 彭琪琳

武汉华易科技有限公司 郑自修

1 无刷直流电机的控制特性分析

1．1 调速特性分析

直流电机的电枢绕组电动势平衡方程如下：

U＝Is．Rs＋ Ke．n （1－1）其中U为电机工作电压；Is为通过电机转子绕组的电流；Rs为电机转子绕组的电阻；Ke为反电势常数；n为电机转速。由式（1－1）可得：

n＝ （U－IsRs）／Ke （1－2）又因为：

M＝Kt．Is （1－3）

式中M为电机的电磁力矩；Kt为电机的力矩常数，其单位为Nm／A，即力矩与电流的比值，它表示绕组通过1安培电流时所产生的电磁力矩。

所以在负载力矩M不变的情况下，Is也为常数。由式（1－2）和（1－3）可知：在负载力矩不变的情况下，电机的转速与其工作电压成正比，即：n＝f（u）n∝∝u

利用这一特性，对采用无刷直流电机的电动执行器可很方便地进行调速控制。

1．1．1 电机升速

从1．1中的分析可知：提高电机的工作电压，即可提高电机的运行速度。在供电电压U升高的瞬间，电枢的反电势Ke．n仍为原值，但此时工作电压的变化量ΔU将会引起电枢电流Is的增加。Is的增加，对转子的运行产生了加速度，使得电机运行速度上升，随着电机转速的增加，电枢的反电势Ke．n也增加，从式（1－2）可知：

Is＝（U－Ke．n）／Rs （1－4）所以电枢反电势Ke．n的增加会造成Is下降，对转子的加速度减小。当ΔKe．n＝ΔU（反电势的变化量与电源电压变化量相等）时升速过程结束，此时电机以升速后的新速度运行。

1．1．2 电机降速

同“电机升速”分析一样，减小电机的工作电压，即可降低电机的运行速度。在工作电压U降低的瞬间，电枢的反电势Ke．n仍为原值，此时工作电压的变化量ΔU将导致Is降低。Is的变化对转子产生反向的加速度，导致转子速度下降，反电势Ke．n下降。当ΔKe．n＝ΔU时降速过程结束，此时电机以降速后的新速度运行。

采用PWM改变电机的工作电压（平均电压），能方便地实现直流电机的调速，使得电机的速度与PWM的占空比成正比。通过PWM方式控制直流电机的工作电压实现调速，电路简单可靠。相比交流电机的变频调速或其它调速方式，无刷直流电机的调速方式具有控制电路简单，可靠性高、调速范围大、精度高等诸多优点。

1．1．3 负载力矩变化对电机速度的影响

将式（1－3）代入（1－2）式可得：

n＝（U－M．Rs／Kt）／Ke （1－5）

从上式可知，如果电机的负载力矩M增加，在工作电压U不变的情况下，将导致转速n降低；反之电机的负载力矩M减小，在工作电压U不变的情况下，将导致转速n增加。

1．2 输出力矩特性分析

由于电动执行器的输出力矩来源于电机的电磁力矩，因此只需控制电机的电磁力矩，就可实现对执行器的输出力矩进行控制。

通过检测电气参数计算电机的输出力矩，对于交流感应电机来说，难度较大。因为与力矩计算直接相关的转子电流无法检测得到，以有功功率或其它的间接检测办法实现，检测电路复杂，精度也不太高。

直流电机的电磁力矩只与电流有关，即M＝Kt．Is，因此只需检测电机的电流，即可得到电机的输出力矩，再通过电动执行器减速传动机构的减速比不难知道执行器的输出力矩。所以对于采用无刷直流电机的电动执行器只需控制电机的电流，就可控制执行器的输出力矩。

1．3 电机的启动与堵转

从（1－1）式可得到：

Is＝（U－ Ke．n）／Rs （1－6）直流电机在启动瞬间或电机堵转时转速n＝0，根据式（1－6）可知直流电机在启动瞬间或电机堵转时其电流为最大值，即：Ismax＝U／Rs。

因为电机在启动瞬间或堵转时，电流最大，所以从式（1－3）可知其输出力矩也最大。利用这一特点再配合行程检测电路可实现对电动执行器的堵转保护。

2 无刷直流电机电动执行器的功能、性能分析

电动执行器是控制系统的终端设备。在实际应用中，控制系统通过执行器实施对生产过程的调节干预，从而实现生产过程自动化。随着生产工艺对控制系统功能、性能要求的不断提高，控制系统对执行器的可靠性、稳定性、定位精度、速度调节、力矩控制精度等，也有了更高的要求。无刷直流电机优异的控制性能，为高性能的电动执行器设计提供了保证。

2．1 可靠性与稳定性

可靠性与稳定性是电动执行器质量的关键。采用无刷直流电机与采用交流感应电机的电动执行器，其区别主要在于所采用的电机与电机驱动电路的不同。

2．1．1 电机的可靠性与稳定性

无刷直流电机的定子与交流电机相似，转子采用永久磁钢。因此在运行的稳定性、寿命等方面，与交流感应电机基本相同。

无刷直流电机的转子为永久磁钢，运行中不产生热量。定子为线绕电枢，运行中因导线存在电阻而产生热量。但由于定子直接对外散热，转子不产生热量，所以总体温升一般比交流感应电机低约20℃。

转子采用稀土永磁材料。工作温度可达200℃，矫顽力大于1033KA／m。所以高温、堵转时的去磁磁场、振动等因素均不会影响永磁材料的长期稳定性。

2．1．2 控制电路的可靠性与稳定性

控制电路有两部分组成：功率驱动部分；电机正／反转的启停、制动、调速控制部分。

功率电路采用智能型功率模块（IPM）。IPM具有可靠的过流、欠压、超温等保护电路。为防止上下桥瞬间同时导通，新一代IPM设有上下桥驱动互锁电路。在降低内部热阻，提高散热能力方面，新一代的IPM也有更好的表现。三菱的第四代IPM内部还设有类似电流互感器电路，输出一电机工作电流几百分之一的小电流信号以供外部检测与保护用。

由于无刷直流电机的调速是采用PWM方式改变电机的工作电压，其控制电路比交流变频调速要简单得多，电磁辐射也更小。此外同样机械功率的无刷直流电机，电功率比交流感应电机低约30%，所以IPM的功耗也更小，因此控制电路也具有更高的可靠性与稳定性。

2．2 执行器的开、关阀速度可选

利用无刷直流电机的无级调速功能，可使执行器的开、关阀速度可选。在电路设计时用户可根据工控现场的实际需要，通过执行器控制系统的操作界面选择合适的运行速度。一般可选的速度范围为1∶8或1∶10。

2．3 执行器的柔性开阀、关阀

柔性开阀是指电机启动时，以最低速度启动，然后逐步升速至用户设定的开阀速度。柔性关阀是指执行器行程接近给定开度或限位位置时，自动均匀降低电机速度，使得执行器开度等于给定开度或限位值时，电机的速度已降到最低。

柔性开阀一方面可以减小电机的启动电流，电机启动的整个过程，电机最大电流都不会大于额定电流，所以电机的频繁启动不会导致电机和驱动电路发热；另一方面柔性开阀还可减小对电动执行器减速传动机构的撞击，能有效地延长电动执行器的寿命。柔性开阀时的电机转速变化曲线如图1所示。

图1 柔性开阀电机转速变化曲线

柔性关阀一方面可使电动执行器控制阀门开关时管道中的介质流量不发生突变，有效地防止液体介质在管道中的水锤与喘振现象发生，提高生产过程的稳定性；另一方面因为在给定值与阀门实际开度接近时电机转速已降至最低，所以几乎无需考虑停机提前量而发出停机指令。若再配合制动功能，可使执行器的定位精度大大提高。此外柔性关阀还可减小对电动执行器减速传动机构的撞击，有地效延长电动执行器的寿命。柔性关阀的电机速度变化曲线如图2所示。

图2 柔性关闭电机转速变化曲线

2．4 自动变速运行

当给定值与当前阀门开度差异较大时，控制电路可自动调高电机速度，使调节阀的调节速度加快，以迅速消除控制系统的被调量偏差。电机自动变速运行时转速变化曲线如3所示。

图3 电机转速变化曲线

自动变速功能既可迅速消除被调量偏差，又不会出现因流量突变对系统产生扰动，提高了控制系统的调节品质。

2．5 力矩控制

力矩控制是电动执行器的重要功能。在电动执行器行业，力矩的检测方法经历了以下几个发展阶段：从早期的蝶型弹簧位移到压力传感器，再到现阶段最新的检测电机的电磁力矩。由于电机的电磁力矩就是载流导体在磁场中的受力。对于永磁直流电机，磁场强度是常数，因此只需检测电枢电流即可准确地计算出电机的输出力矩。

由于无刷直流电机的调速是通过改变PWM的占空比来控制供电的通／断时间，因此实际检测到的电机工作电流即为平均电流，平均电流Iv计算公式如下：

Iv＝Is·Id／（Td＋Te）

其中Td为一个PWM周期内供电的导通时间；Te为供电的断开时间。

2．6 制动

电机断电后转子具有一定的动能。这一动能将使电机以发电模式运行。如果将电机的输出短路，定子的电流所产生的磁场将对电机转子产生制动作用。转子的动能越大，定子产生的制动力矩越大，利用这一特点能有效解决电机断电后因转子惯性导致的执行器定位误差，使得执行器的定位精度大幅提高。这种制动不是通过机械摩擦，因此不存在磨损老化问题，保证了长期稳定的制动效果。

3 结束语

采用无刷直流电机作为电动执行器的能源动力，不但使电动执行器功能、性能有了极大的提高，同时也使得整个控制系统对对象变化的响应更快，控制精度更高。与采用其它电机的电动执行器相比，无刷直流电机有着明显的优势。