张生明

    (浙江豪中豪健康产品有限公司，浙江平阳325400)

    摘要：无刷直流电机是集特种电动机、功率驱动器、检测元件、微处理器、控制软件和硬件于一体的新一代机电一体化高科技产品，既保持了有刷直流电动机良好的调速性能的特点，又具有结构简单、起动力矩大、调速范围宽、损耗低、效率高、无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，体现着当今应用科学的许多****成果。按摩椅作为一种模拟人手的揉捏敲打动作对人体进行按摩的智能化产品，其在模糊控制和直接驱动方面具有很高的要求。将无刷直流电机技术应用到按摩椅行业，将会大大降低按摩椅的运行噪音，提升按摩椅的使用舒适性，增加按摩椅的稳定性，延长按摩椅的使用寿命，并显著降低按摩椅的运行能耗。这种应用，必将从最基础的驱动层面上整体推动按摩椅行业的发展。

    关键词：无刷直流电机；按摩椅；应用  

0引言

    无刷直流电动机是近年来随着微处理器技术的发展和高开关频率、低功耗新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和低成本、高磁能积的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。

    “无刷直流电动机”一词最初特指具有电子换向的直流电动机，“无刷”即指由电子换向取代传统的机械换向，“直流”即指具有与有刷直流电动机相同的工作特性。总结现有参阅文献可知，无刷直流电动机是指转子为永磁结构，定子绕组为多相交流绕组，并配以适当的位置检测器，可根据转子位置信号按一定的次序向定子绕组进行电子馈电的自同步电动机系统。因此，它又被称为自控式同步电动机。无刷直流电动机的特点是在同步电动机的定子上装有～台转子位置传感器，由它发出信号控制变压变频装置的逆变器换流，从而改变同步电机的供电频率，调速时由外部控制逆变器的直流输入电压或电流，它用电力电子装置取代了机械换相器，冈此又称为无换向器电机。

    无刷直流电动机既保持了有刷直流电动机良好的调速性能又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。

    按摩椅作为一种模拟人手的揉捏敲打动作对人体进行按摩的智能化产品，其在模糊控制和直接驱动方面无疑具有很高的要求。而采用无刷直流电动机直接驱动按摩椅机械装置的技术，对于满足按摩椅的这些要求，无疑是十分有效的途径。近十几年来，随着电力电子技术的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR、MOsFET和IGBT等的相继出现，以及高性能永磁材料如铁氧体、铷铁硼等相继问世，为无刷直流电动机的生产和应用奠定了坚实的物质基础。按摩椅采用无刷直流电动机直接驱动，可实现无级宽调速，调整范围可达0~1000，m/min，使按摩椅的模糊控制方案更为易于实现，并且由于省去了齿轮减速及皮带传动机构，无刷直流电动机驱动系统的效率明显高于原有系统的效率，同时也将降低了按摩椅工作时的噪声，这些都无疑将太大

提高按摩椅的产品性能和市场竞争能力。

1无刷直流电机在降低按摩椅噪音方面的作用

    由于按摩椅在工作的时候，人的头部紧贴按摩机械手，噪音问题将会严重影响人的舒适程度。由我公司负责起草的国家标准《家用和类似用途电器噪音限值电动按摩器的特殊要求》规定按摩椅的整机噪音限值为55dB(A)，而目前采用的传统直流电机的正常负载运行噪音为：38dB(A)

左右。所以，降低电机噪音成为了进一步降低整机按摩椅噪音的重要技术方向。

    因为直流电机具有优良的转矩控制特性，所以其在调速领域内一直占有主导地位。基于这个道理，按摩椅的驱动电机也一直采用直流电机。但是根据法拉第定律，当直流电机的转子发生转动时，其在磁场中的受力将会反向，所以直流电机需要有一个电流转向功能，才能保证电机平稳的持续运行。在传统的直流电机中，这个功能由电刷完成。这种机械换向方式，在电刷与换向器之间存在机械摩擦，在这个过程中不可避免的产生噪音与火花。直流电机的噪音主要是电刷与换向器之间的摩擦噪音。而且从理论上，这个噪音将永远无法消失。目前采用高润滑导电材料做成的电刷与换向器，其噪音仍然在35dB(A)以上。

    为了取代有刷直流电动机的电刷——换向器结构的机械接触装置，人们对此进行了长期的探索。早在1915年，美国人兰格米尔(Langm_11)发明丁，带控制栅极的水银整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。1917年，Boliget提出了用整流管代替有刷赢流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电动机的基本思想。本世纪三十年代有人开始研制以电子换向取代电刷机械换向的直流无刷电动机，但当时由于受到元器件的限制而没有发展起来。1955年美国的D．哈利森(arrison)等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。随着半导体技术的飞速发展，人们对1876年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件换流的无刷直流电动机，从而开创了无刷直流电动机的新纪元。l978年德国NESMANN公司在汉诺威贸易博览会上推出MAc方波无刷直流电动机及其驱动器，标志着方波无刷直流电动机技术进入实用阶段。

    无刷直流电机因为不需要通过电刷和换向器进行电流换向，所以从根本上消除了两者的摩擦噪音。一般来说，无刷直流电机的噪音水平只有传统直流电机的百分之十左右。采用无刷直流电机，大大降低了按摩椅的噪音水平。实验发现，采用了无刷直流电机之后，按摩椅的噪音水平只有原来的百分之四十五左右，大大降低了按摩椅的运行噪音，显著提升了按摩椅的使用舒适性。

2无刷直流电机在提升按摩椅智能化方面的作用

    无刷直流电机和一般有刷直流电机具有基本相同的调速特性，即只要简单地改变电机的输入电压或励磁电流的大小就可以在广阔的范围内进行无级调速。而无刷直流电机一般为永磁同步电动机，其励磁是恒定的，故无刷直流电机只能通过改变电机的输入电压来实现恒转矩调速。这种控制方式，大大简化了电机的控制方式，使得控制更加灵活简便。

    无刷直流电机通过电子方式改变电流方向获得持续的转矩。这个过程中，其转子位置信号除了通过位置传感器来获得之外，还可以通过检测定子绕组三相端电压来检测转子位置。这种技术的采用，不但使电机结构简单，提高了电机运行的可靠性，降低了电机的制造成本，还避免了位置传感器在高温、冷冻和有腐蚀性物质等不便于使用的场合，扩大了无刷直流电机的应用范围。而且，通过这种方式，还可以将电机的控制系统与按摩系统一起，集成到主板上，增大了机电一体化的程度，大大增强了电机的可控性能，从而大大提升了按摩椅的灵活性。

    随着微电子技术和电力电子技术的发展，将传统的电机与电子技术结合起来，开发出全新性能的新一代产品。机电一体化就是最终实现智能化功能单元的必由之路。所谓智能化的电动机就是将电动机、编码器(传感器)、功率放大器、电源、可编程控制器和网络管理器等智能化模块组合在一起，形成一个整体，这样的组合会给驱动系统带来一系列的优点，如可靠性高、成本降低、体积减小、系统性能提高等。通过对无刷直流电动机本体的结构电气参数及工作性能的研究，及建立相应的数学模型，有效的提升按摩椅的智能化水平。

    智能控制是控制理论发展的****阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制专家系统。智能控制技术的应用，大大改进和优化了无刷直流电动机的运行性能。传统控制，譬如PlD控制或线性二次方程控制，需要精确地描述系统动态数学模型，这对于带有未知动力变化的系统可能是一个主要限制因素。即使能够得到控制系统的模型，但饱和、扰动、参数变化这些未知条件也是不可能用精确的模型建立的。负载的变化和外部扰动将直接影啊伺服系统的性能，而且电机的端部效应、齿槽效应和永磁体磁链谐波等将产生推力纹波，系统参数(转予质量、粘滞摩擦系数等)的变化、摩擦阻力的非线性变化以及状态的观测噪声等都会降低系统的伺服性能。而人工神经网络(ANN)具有目学习的功能，在处理控制系统的非线性、不确定性等问题上有很好的应用前景。

利用人工神经网络对永磁无刷直流电机进行控制，不要求预知精确的系统参数，利用一些先进的控制算法可以实现很好的控制效果。小波变换以特有的尺度伸缩功能，使其具有很强的奇异、突变信号的鉴别能力，能有效地检测到非平稳信号的瞬时、奇异成分，并能显示时域的产生和持续时间，使其在设备状态监控与故障诊断等非平稳、时变信号的分析领域具有明显的优势。通过采用具有很强自学习能力的人工神经网络来实现无刷直流电机电流、电压的双闭环控制。通过在线学习能够在保证系统稳定性的同时，对扰动和参数变化进行有效的抑制补偿，同时采用小波变换实时进行系统的故障诊断和保护，从而可以有效地提高控制系统的动静态性能、稳态精度和可靠性。

3无刷直流电机在提升按摩椅稳定性方面的作用

    按照供电方式的不同，无刷直流电动机又可以分为两类：

    (1)方波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形都是矩形波，又称为矩形波永磁同步电动机：

    (2)正弦波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形均为正弦波。

    但无论哪种无刷直流电机，其都有一个共同点，就是没有电刷。因为没有电刷，所以在运行过程中就不会出现因电刷和换向器之间的相互摩擦噪音，也不会出现火花。因而，按摩椅采用无刷直流电机之后，每圈出现一次的运动火花将会****消失，其运行过程中的发热将大大降低，周期性的电机扭矩变化也会消失，从而大大提升了按摩椅的稳定性能。

4结论

    无刷直流电机是集特种电动机、功率驱动器、检测元件、微处理器、控制软件和硬件于一体的新一代机电一体化高科技产品，体现着当今应用科学的许多****成果。这种电机具有结构简单、起动力矩大、调速范围宽、损耗低、效率高、无滑动接触和换向火花、可靠性高、噪音低和使用寿命长等突出优点。在按摩椅行业中，随着智能化程度的提高，对电动机也相应提出了低噪声、高性能、长寿命、高可靠、小型化、高效节能的要求。这些电动机结合新的控制技术、传感器技术和新的电子设备，大大降低了按摩椅的运行噪音，提升了按摩椅的使用舒适性，增加了按摩椅的稳定性，延长了按摩椅的使用寿命，并降低了按摩椅的运行能耗。从而，无刷直流电机从最基础的层面上，促进了按摩椅行业的发展。

    作者简介：张生明(1963-)，男，工程师，长期从事保健按摩器具的研究和开发。