摘  要  采用数值计算方法对无刷直流电机的电枢反应作了分析，指出了电枢反应对力矩波动的影响。在讨论了

无刷电机的换向原理之后，提出了一种削弱这种影响的新方法。最后用实验证明了这种方法的可行性。

叙  词  无刷直流电动机电枢反应力矩波动

    直流伺服电机控制简单，目前使用较多，但由于电刷与换向器等机械装置的存在，使该类型电机使用有诸多不便，需要定期维护和更换碳刷，制造也较麻烦，容量和使用电压也受到限制。所以，70年代以来，由于电力电子技术、自动控制理论和微处理器件的进步，无刷直流电机取代有刷直流电机已成为一种必然的趋势[1]。但是，如果从低速时的力矩波动来看，与有刷电机相比，无刷电机还不能尽如人意。原因有很多方面，如无刷电机的反电势波形不可能达到理论上的梯形波，无刷电机电枢反应的存在、电机的齿槽效应、电机的相电感不对称等。因此，要克服无刷电机低速时的力矩波动，不得不从多方面着手。本文详细探讨无刷电机的电枢反应对力矩波动的影响以及克服的方法。

    通过对电机气隙磁场的数值分析，可以清楚地看到电机电柩反应的严重程度。电机的模型如图1所示。

假定：

    (1)磁瓦等效为两侧有电流层

    (2)求解区域为一个极矩范围，两侧满足周期性条件，电机外壳外圆与转轴中心处场强为零。

    (3)每极槽数为整数，定、转子相对固定，不考虑换向过程。

    电机的基本方程式和边界条件是：

 

     

       

    图2示出了某一额定电流为45A的电机在空载和1～5倍负载下气隙磁场沿极距的分布。

    从图2中可见，无刷直流电机的电枢反应与有刷直流电机的电枢反应在程度上大体相当[2]。

  

    根据计算结果，可得到电机的矩角特性[3]，图3给出了极孤系数分别为0.8和0.9时电机的矩角特性曲线，从中可以看到力矩波动。

    从理论上讲，给定一个正弦值和余弦值，就可以确定电机的转角（转子位置）。

    通过RDC变换，转子的位置就能以数字量并行的方式输出，其分辨率可以是210～216，由****转速确定。****转速越高，分辨率越低。

    无刷直流电机电子换向的方法是，把报告电机转子位置信息的并行数字量作为地址线，去触发一片已写好的换向代码的EPROM，随着地址的增加（电机正转）或减少（电机反转），换向代码就按照一定的顺序控制大功率模块的开或关，如图4所示。

  

    为了削弱电机电枢反应对力矩波动的影响，有必要先弄清楚无刷直沆电机的换向原理。无刷直流伺服电机的位置反馈元件可以是霍尔元件、光电编码器或旋转变压器。这里以一个激励、二个输出的旋变为例介绍换向原理。

    设激励电压为：

 

    在两组输出绕组上，

    正弦输出：

  余弦输出：

 

    如果电机绕组接成星形，按照6状态方式运行，用RDC中的高8位换向，每一状态可分割为42. 67等分，当然，不可能分出小数等分，即小数等分

必须舍去或进入。进行合理的分配后，有两个状态得到42份，4个状态得到了43份，总共是256份。这种分配方式的不均匀，是产生力矩波动的原因之一，但不是主要原因。

 

    如果电机足两对极，则每对极角状态只能分得21份或22份。换向代码（亦即数据线Do，Di，D2）是 -11—001, 010, 011,101,110 ,100.

    在有刷电机中，削弱电枢反应、改善换向条件的主要方法有：装置换向极和移动电刷。因永磁电机的结构和驱动方式的限制，在有刷直流伺服电动机中装置换向极已不可能，因此只能采用移动电刷的方法削弱电枢反应。虽然移动电刷容易引起速度的不稳定，但因驱动它的伺服系统带有速度反馈，所以，作为伺服系统的执行元件，这一点可不予考虑。

    移动电刷的本质在于超前或滞后换向，也就是只要让绕组超前或滞后导通，就相当于移动了无刷电机的“碳刷”，从而达到削弱电枢反应的目的。对电动机而言，逆着旋转方向移动“电刷”，即提前换向就能削弱电枢反应。

    

    图5是实现这一设想的电路图，图6是写入E-PROM中的部分字节。EPROM的地址线不要全部接至RDC的数据输出线上，取Ao～A7和RDC的Oo和07相连，把EPROM的D3通过电阻R接到A8，并且A8通过电容C接到地，电阻R起缓冲作用，电容C起放电作用。

    从图6中可见，如果电机正转，地址从000到004，数据都是05，绕组导通均为一个状态，走到005，数据输出是OD，与前面为同一状态；但下一时刻地址线跳到106，教据输出为09，导通状态改变，与006、007不同，106、107提前两个脉冲换向，这样就达到了正转提前换向的目的。

    但是，不能在电机反转时实现提前换向（如虚线所示），只有在校核旋转变压器零点时，有意识地逆着电机反转方向微调一点，以削弱电机反转时电枢反应的影响。因电机正转时，提前换向的位数是可以调节的，因此通过改变换向代码和调整旋变的零点就能削弱电机在正、反转时电枢反应对力矩波动的影响。

    用X-Y记录仪记录下RDC某一位输出的波形观察改变换向位数对低速力矩波动的影响，结果发现：

    (1)不改变换向位时抖动量比提前3个字节换向时的抖动量大。

    (2)提前换向字节过多时，如提前5个字节进行换向时也会增大抖动量。

    (3)本文提出的方法是行之有效的。然而，因电机的负载随时变化，电枢反应的程度也随之不同，因此本文提出的方法只是削弱电枢反应，而不能****的消除。尽管如此，本文的研究结果对无刷直流方波电机的低速特性的改善具有现实的意义。