运控电机之无刷直流电动机

    王宗培¹，陈敏祥²

(1.珠海运控电机有限公司，珠海519000；2．浙江大学电气工程学院，杭州310027)

摘要：近代无刷直流电动机(BLDCM)没有滑动电接触，具有调速方便和转矩控制性能好等

类似直流电动机的特性，已成为近代运控电动机的主流。但是它本质上是具有自同步功能的交流永磁同步电动机，与真正的直流电动机相比较仍有二个弱点，一是绕组电感限制电动机的极限功率输出，二是电枢交流电流实时检测和控制不方便。提出了新一代BLDCM的设想，即具有理想直流电枢绕组电路的电子换向电动机，并对其旋转磁场一机械特性和转矩控制性方式进行了分析，有助于对其本质的理解。

关键词：无刷直流电动机；永磁同步电动机；电子换向电动机；机械特性；转矩控制

1直流电动机无刷化的梦

    由于最早得到广泛应地用的电能是直流电，所以最早发明的电动机便是直流电动机。19世纪90年代认识了交流电和三相交流电的输送和分配，随之便产生了交流电动机。三相笼型交流异步电动机结构简单，经济又方便，很快在工业中得到广泛应用。生产技术的发展，对完成机电能量转换为基本功能的电动机，还不断提出越来越高的运动控制方面的要求，其中最主要的要求是调速方便和转矩控制性能良好。直流电动机恰好具有这样的特点。于是从20世纪30年代开始，直流电动机调速系统便逐步发展并得到广泛应用。结构简单、经济又方便的异步电动机，在20世纪很长一段时间内，主要应用在不调速或简单调速的场合，在调速系统中占统治地位的则是直流电动机。

    然而直流电动机存在机械换向器以及与电刷的滑动电接触，使得结构复杂，维护麻烦，使用环境受限，在向离转速、高电压和大容量方向发展时也受到限制，成为它固有的弱点。直流电动机的优点如此突出，弱点如此明显，所以从一开始，也就是20世纪30年代起，人们便有了直流电动机无刷化的梦，着手进行无机械换向器或无滑动电接触直流电动机系统的研究。受当时客观条件的限制，在较长一段时间内，这方面研究的展不大，直到20世纪70年代，电力电子技术和计算机技术有了较大的发展，为无刷化的研究提供了基础，可实际应用的无刷直流电动机便应运而生，并很快发展，在运控电动机领域形成逐步取代传统直流电动机之势，直到20世纪末已成为当代运控电动机的主流[1]。那么直流电动机无刷化的梦已圆满实现了吗?作为当前运控电动机主流产品的是正弦波驱动的无刷直流电动机(通常被称

为交流伺服电动机)已经达到运控电动机的顶峰了吗?本文将从电机学的观点，对相关的问题作一些基础性的讨论和探讨。

2无刷直流还是永磁同步

    无刷直流电动机从上世纪70年代开始快速发展，到20世纪末已趋成熟和完善，在工业领域获得广泛应用并产业化。目前主流产品的典型结构为：①电动机的定子和转子与标准的永磁同步电动机一样，定子上有三相绕组，转子磁极采用多极磁环、表贴式磁瓦或不同特点的内嵌式永磁体结构；②直流电源通过功率开关管构成的三相桥电路或者说三相逆变驱动器给定子三相绕组供电；③转子角位置传感器通常采用的主要有霍尔元件光学编码器和旋转变压器；转子位置反馈信息通过逻辑转换或其他控制环节控制功率开关管的通断或加到绕组电路上电压和电流的相位和幅值。

    电机学科的研究者，通常认为近代无刷直流电动机“实质上是交流电动机”[2]。具体一点讲是交流永磁同步电动机。逆变器提供方波或正弦波电压驱动，在正弦驱动的情况下，电枢绕组电路的电压和电流都是正弦波与标准的同步电动机没有二样，只不过不是在恒定频率电源条件下运行。由于位置传感器控制逆变器，使电动机自同步运行，因而可以方便地调压调速，且具有类似直流电动机的特性。在方波驱动情况下，绕组电路的外加电压是三相方波，仍是三相交流电压，其中的基波分量仍起主要作用，与外加三相正弦波电压的电动机并没有原则性的区别，同样为三相永磁同步电动机，在位置传感器控制逆变器条件下自同步运行的同步电动机[3]。文献[4]作者对BLDcM的名称提出质疑，同时也不认可交流永磁同步的说法，提出应称为“交流箝位电动机”。该文作者的分析首先确认BIlI]cM是交流电动机，当然和异步(感应)电动机联系不上；和工频电源条件下工作的同步电动机相比，运行特性和特征有所不同，给一个有特色的称谓也不妨，但如果认定是与异步电动机及同步电动机并列的另一类交流电动机，则还值得商榷。

    方波和正弦波驱动的近代BLDcM，用位置传感器控制的功率开关管组件替代了传统直流电动机中的机械换向器和电刷，达到自同步运行，可以和直流电动一样通过调压来调速。矢量控制技术的引入，实现了像直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。可见近代BLDcM确实是较完满地实现了直流电动机无刷化的梦，达到了无滑动的电接触，又具备调速方便和转矩控制性能良好等类似直流电动机的特性。因此尽管从电机学的观点看起来本质是交流永磁同步电动机，把它称为BLDcM也没错，因为直观地看起来，它没有电刷又有类似直流电动机的特性。

    工业产品是在研发、生产和商业活动中产生和发展起来的，它的名称往往会受到这些行为和过程的影响，也就是说会有历史的原因；一些产品在研发初期尚未成熟之时已经有了名称，等到产品成熟后发现与预想有些不同，也不容易改变原定的名称；因为在生产活动中已经习惯原有的名称，商业行为的影响则可能更大。从商业利益出发的广泛宣传，使得从学术观点看起来不严密、甚致不够恰当的名称和名词广为流传。对事物本质的分析和了解很重要，其重点应不在于争论它的名称，重要的是对本质所决定的产品的特性和特征的深入了解。近代BLDcM本质上是交流永磁同步电动机，具有类似直流电动机的特性，那末与标准的直流电动机相比，有没有较为重要的差异呢?

3直流旋转磁场

    三相对称交流绕组，通以三相对称交流电流时，产生圆形旋转磁场，相对于绕组电路的转速(nc)称为同步转速，与电流的频率(f)成正比，与极对数(p)成反比。旋转磁场可以说是交流电动机作用原理的基础，转子为相同极对数的永磁或直流励磁磁极时，便构成同步电动机，转子为同步转速，nr=nc情况下，与旋转磁场相作用产生稳定的电磁转矩。

    其实直流电枢绕组通以直流电流时，也产生圆形旋转磁场。如图1所示，标准直流电动机电枢磁势(Fa)的轴线在电刷中心线上，在空间是固定不动的。但是从转子坐标系观察，则是相对于电枢铁心和绕组线圈的旋转磁势，转速取决于转子转速。为了直观和便于对比，改为反装结构，如图2所示。电枢绕组和换向器在定子上，转子带着电刷一起旋转，电枢绕组电路的轴线，也就是电枢磁势的轴线随着电刷中心线一起旋转，与三相交流绕组产生旋转磁场类似。转子为相同极对数的永磁或直流励磁磁极时，与该旋转磁场间的作用也与同步电动机一样，电枢旋转磁场的转(nc)与转子转速(nr)相等，nr=nc(因转子带着电刷旋转而自动满足)时，产生恒定的转矩。

  可见，从定子和转子磁系统的基本特征和它们之间的相互作用看，直流电动机和同步电动机相一致，仅电枢绕组电路系统有差别。同步电动机是三相绕组中的正弦波电流产生磁势驻波合成的行波形成旋转磁场。直流电动机电枢绕组电路中的直流电流产生恒定幅值磁势，随着绕组电路轴线的不断移动而形成旋转磁场。同步电动机的“同步”意味着励磁磁势的转速和电枢磁势的转速相一致——同步。从这个意义上讲，应该把直流电动机叫做“直流同步电动机”。因为直流电动机中电枢磁势和励磁磁势的转速完全一致，不论转子转速如何改变，所以还是皇同步的同步电动机。了解直流电动机和同步电动机之间这种内在的一致性以后，对于直流电动机无刷化的研究成果，BLDcM本质上竟然是自同步的同步电动机这一点会容易理解一些。

4机械特性

    电动机输出的是转速和转矩，合起来的是机械功率，在一定条件下电动机的转速和输出转矩之间的关系称为电动机的机械特性，是决定电动机运行和控制性能的最基础的内在规律。

    直流电动机的机械特性如图3所示。转速(n)负载转矩(TL)变化的规律是由电枢回路电压平衡关系决定的。电枢电流(I)随负载转矩增加而增大，包括机械损耗转矩在内的负载转矩为零时，电磁转矩(T)为零，电枢电流也为零。这时电枢绕组电路的反电势(E)与端电压相等，所以(理想)载转速为：

式中，ke为电势系统。电枢电流不为零时，反电势因电枢回路电阻(R)压降增大而下降，相应地转速便呈下降特性，即：

    可以看出，n=f(T)是一条下降的直线，电枢电阻越小，则速度降落也越小，或者说机械特性越硬。

    近代BLDcM的特性与直流电动机类似，机械特性也是一条下降的曲线。但是它的电枢电路是三相交流电路，与直流电枢电路会有一些差别。实际上主要是绕组电感的影响。任何绕组都有电感，但是稳态直流电流不产生电感压降，交流电流则会产生，会影响电路平衡关系，影响到反电势的值，便影响到转速与转矩的关系。

    不妨以近代BLDcM最有代表性的通用交流伺服系统作具体例子来说明。这类系统产品大部分具有正弦波驱动和id=0的矢量控制的特点。稳态运行时相绕组电路模型与PMSM相一致[5]，如图4所示。图中V1为相绕组的端电压，只考虑脉宽调制波正弦输入频率成分。E1为反电势(空载电势)，严格一点讲也是取它的基波成份；I1为相电流。因为是强制直轴电流为零的控制，它应只有交轴分量(Iq)，即与E1同相位；R11为相绕组的电阻；Xc。为同步电抗。考虑三相绕组的自感和相间互感在内，如果交轴和直轴同步电感不一样，这里应采用交轴同步电抗(Xq)，因为I1=Iq，Id=O。图5为相绕组电路的电压相量图。

   电势E1，与端电压V1相等，(理想)空载转速为：

    负载增大时，因电阻引起的压降(I1R11)和(交)同步电抗引起的电压降△Vx增大使E1下降，转速也相应下降，速度降落，△n=△n1+△n2。△n1对应电阻的压降为：对应的电抗压降为：式中，为功角。

    电抗压降与电阻压降是相量相加，而且电抗的值还与转速(角速度)成正比关系，不是常量，所以△Vx及相应的△n2与负载转矩或电流问是非线性关系。电抗压降影响的大小与电动机的参数有关，取决于电动机的具体设计及结构。为了能有一些定量的概念，不妨给出一台实例电动机的数据。

    实例电动机是珠海运控电机有限公司通用伺服系列的一台早期产品，型号为：57BL(3)B40一：30H(sT)。额定数据为：K=220 V(Ac)，PN=400 w，nN=3 000 r／min，TN=1．3 N．m。基本参数：R11=2．55Ω，Lc=4．5 mH，p=4，星接绕组，Kel=O．23V／(s／rad)，kt=O．47 N·m／A。按以上公式及图5的关系，在V1=127 V保持不变的情况下，计算电动机的机械特性如图6所示。

    以上计算是假设电源为理想化条件进行的，即接在220 v(Ac)的无穷大电网上，且整流、滤波和逆变器都没有阻抗，都不产生压降，所以与接在实际系统中的情况会有一些出入。但是对于讨论绕组电感对转速变化的影响，对于了解绕组电感对机械特性即输出转矩和功率的影响并无妨碍。

    从图6可以直观地看出近代BLDcM中的绕组电感对基本特性的影响。它使输出同样转矩情况下的****转速下降，同样转速情况下的****转矩减小，即影响输出功率极限，使电动机的过载能力降低，快速性受限。近代BLDcM在过载能力、快速性等方面都已能达到很高的指标，但是如果绕组电感等于零，那么性能指标会更高。和实际直流电动机一样，但绕组电感只能通过设计使它小一些，不可能为零，所以要想达到真正直流电动机一样更高的性能指标，只有让电枢绕组电路成为真正的直流电路，绕组电感对稳态运行过程便不产生影响。

5转矩控制性能

    运控电动机追求的是对角速度和角位移的精确控制，这要通过对电动机转矩的精准控制，电动机的转矩取决于电枢绕组电路的电流和主磁场。对于直流电动机来说，可以实时方便地检测和控制它的电枢和励磁电流来控制转矩。如果是永磁电动机，则主要通过电枢电流来控制。近代BLD—cM电枢绕组电流为交流，它的特征是电流波形的幅值和相位，实时采样到的是电流的瞬时值，无法确定电枢绕组电流的大小和特点，除非进行一个电流交变周期或至少半个周期的连续检测及运算分析，这就丧失了采样的实时胜。

    矢量控制技术的引入解决了以上问题。该方法是将检测到的三相电流瞬时值(ia，ib，ic)，通过快速运算转换成转子坐标系的直轴电流(i。)和交轴电流(iq)。因为后者为直流电流，便不存在实时性的问题，而且由于(id)是励磁分量，(iq)代表转矩分量，还能实现励磁和转矩的所谓解耦控制，与直流电动机相接近。这种技术，从纯教学的角度，可以看成是电动机的模型一一组电路方程中压、电流变量的线性变换方法。它的物理基础是把电动机各绕组的电流或磁势认定是沿电枢表面圆周周期为一对极距成正弦分布的波形，可以用绕组轴线上的空闯相量，或者叫做矢量来表示和运算，与交流电路内正弦变化的电流，电压，用时间坐标轴上的(时间)相量表示相类似。在稳态同步运行情况下，三相电流的合成(is)是转子转速幅值不变的一个矢量，在d(转子直轴)，q(转子交轴)坐标方向的分量(iq)和(id)是常数。这就是矢量控制技术解决了交流电动机绕组电流实时检测和控制问题的实质。

    矢量控制技术对近代BLDcM至关重要。矢量控制技术的应用，矢量控制的BLDcM其转矩控制性能甚好，但这并不能表明它是独特的优点，恰恰相反，只能说明是它的不足或弱点。直流电动机能通过电枢电流来控制转矩很方便，不需要通过任何特殊的技术或方法。近代BLDcM因为它本质上是交流同步，电枢电流的检测和控制很不方便，这说髓近代BLDcM转矩控制性能本质上的弱点。矢量控制技术可以解决这方面的困难问题，但是使电动机系统增加了硬件电路和复杂的软件，无论计算机的速度怎样提高，从理论上讲软件计算总要花费一定的时间，也会在一定程度上限制采样速度和影响采样的实时性。另外，矢量控制技术所应用的计算模型是建立在理想电机基础上的，对应于电系统和磁系统都理想分布并是线性

的系统。实际情况则要复杂得多，不乏与理想电机相距葚远的情况。数学模型的不精确，也将影响到转矩控制的精准性。可见，想要达到真正直流电动机那样更为方便和精确的转矩控制性能，只有让电枢绕组电路成为真正的直流电路，就不会存在交流绕组电流采样和控制的不方便。

6对近代BLDCM的再认识

  本文的研究可以得出以下的认识和推论。

  1．近代BLDcM较完满地实现了长期以来直流电动机无刷化的梦，达到了无滑动电接触，又具备调速方便和转矩控制性能良好等类似直流电动视的特性。在此基础上发展起来的永磁同步数字化交流伺服电动机系统已成为当今运控电动机的主流。

  2．近代BLDcM并不是真正的直流电动机，实质上是三相永磁同步电动机。是一台交流电动机，交流电动机存在二个本质上的弱点，其一是绕组电感限制了电动机的功率输出，其二是绕组电流的实时检测和控制复杂化。让电枢绕组电路成为真正的直流电路，可以进一步提高电动机的运行和控制性能。

    3．典型传统直流电动机中有比较完善的直流电枢绕组电路，具有下列特点：①接在正和负极电刷(正负可互换)之间有二条(或二组)电枢绕组支路；反电势(EMF)瞬时值方向相同的绕组元件处在同一条支路内，方向相反的处在另一条支路内，EMF瞬时值为零的元件正处在电刷下进行电流换向，从一条支路转换到另一条支路，可见电枢绕组支路不是由固定的线圈元件构成，而是由处在固定磁场位置下的元件构成，随着转子旋转不断轮换；②每条支路的串联元件数较多时，合成的支路EMF，即电枢绕组电路的EMF几乎不变化，接近稳定的直流电势，与主磁场的每极磁通量成正比；③每条支路的串联元件数较多时，换向区比较窄，换向元件中的EMF接近零，使换向对支路的EMF几乎没有影响；④串联元件数较多时，单个元件的电感量相对减小，使得电流换向过程容易，理想的是“直线换向”，即换向元件中的EMF和自感电势都为零或相互抵消，换向元件中的电流随电刷与离去换向片接触面积的减少而减小，随着电刷与进入换向片接触面积的增大而反向增加，直至完全改变方向进入另一支路；⑤直流电枢绕组电路是一种很独特的设计，它由二条(或二组)支路构成，构成支路的元件不断轮换，从一条支路进入另一条支路，元件内的电流在此过程中进行换向，即元件的电流是正负交变的，但是电枢绕组支路或总体电枢绕组电路的电流是恒定不变的，构成理想直流电枢绕组电路很重要的一点是每条支路元件数较多，这时元件中电流换向的过程才会对主电路和主磁场机电能量转换的基本过程不起影响作用。

    4．没有滑动电接触的直流电枢绕组电路，应该和传统电动机一样设计，只要把换向器片和电刷之间的机械接触开关，用电子开关替代就可以了，把接到换向器片的绕组元件端接到二个开关管构成的半桥电路的中点，用位嚣传感器检测元件中的EMF的过零点来控制上桥或下桥开关管导通，就等效于该绕组元件通过换向器片与正电刷接触或负电刷接通，即替代了滑动电接触。可见这种替代需要的功率开关管数是换向器片数的倍，替代需付出的成本代价和技术复杂性都会随元件数或换向器片增多而急剧增长。可以想像，在大约40年前BLDcM逐步定型和成熟期间，当时电力电子技术、计算机技术和传感器技术等水平不高的条件下，要采用较多元件数构成较理想直流电枢绕组电路的方案是不现实的。所以应可以认为近代BLDcM是一定时代的产物，是相关技术在一定发展水平下的产物，选择最少元件数即最少换向片数的直流电动机所作的无刷化，具有三相电动机的电枢绕组。

  5．随着电力电子技术、计算机和传感器技术等的发展，采用较多元件数构成理想直流电枢绕组电路的新一代BLDcM将成为现实，成为新的发展方向。要实现这一新的目标，在当前条件下，显然仍不是轻而易举的事情，也许朝着这个方向，逐步取得进展，获得阶段性的产品成果，再趋于成熟，较为符合发展规律。

    6．新一代BJIjjcM的核心内容是具有理想直流电枢绕组电路，关键问题仍是电流换向。方波驱动的现代BLDcM，对应于最少元件数(三槽，三换赢器片)的直流电动机，而且替代电刷和换向器片的功率开关管器件，在换向过程中并不能完全等同机械换向器，电子换过程中，换向电流回路对主电路的影响更为明显，使得转矩波动较大，转速稳定性不高，影响调速范围和控制精度，改为正弦波驱动，电流成为正弦变化的波形，电流通过零点自然改变方向，完全不存在电流换向问题，转矩波动和转速稳定性等问题也随着解决了，但是电动机变成了永磁同步交流电动机。新一代BLDcM的电流换向问题，不能仅靠增大电枢绕组元件数来解决，这只能改善电流换向的条件，有必要对电子换向问题作进一步的探讨。电枢绕组

元件数的增多会增加电子换向器的成本，这肯定会成为发展新一代BLDcM的障碍，但并不会阻止它的发展，因为电动机不断向更高性能发展是发展的内在规律，而且部件的成本是会随着相关技术和工业的发展而变化的，现代BLDcM的发展过程就是实际的例子。