無刷電機具有使其成為速度控制的優秀電機的特性。在本節中，我們將介紹提高這些電機性能的技術。

5.1 寬 速控制范圍(低速運行)

我們將解釋用于使無刷電機在低速下平穩運行的技術。

5.1.1 低齒槽效應設計

當步進電機軸處于非通電狀態時，用手指旋轉時感覺到的脈動振動稱為齒槽轉矩。

無刷電機在其轉子中使用永磁體，存儲在轉子和定子之間氣隙中的磁能根據轉子位置而變化。轉子齒和定子齒彼此定位的角度反復改變磁能;沿途產生齒槽轉矩。如果使用具有高能量積的磁鐵，也會產生高齒槽轉矩。

我們現在將使用具有 4 個轉子極和 6 個定子槽的電機示例來解釋轉子角度和磁能狀態，如圖 5.1 所示。

轉子磁鐵中產生的磁通量沿著綠線所示的路徑穿過定子的鐵芯，從北極流向南極。線的粗細反映了磁通量的大小，線向中心的曲率反映了磁能的不平衡狀態。此時，在磁通量試圖流動的方向(由黑色箭頭指示)在轉子中產生力，以便它可以變直，或直接對齊。

在圖 5.1(a)所示的狀態下，所有的磁通量都指向中心，每個槽的磁能很平衡。在圖 5.1(b)所示的狀態下，轉子順時針旋轉 7.5°，面向南極的齒之間的磁能失去平衡，產生方向和大小與黑色相匹配的扭矩箭頭。

力矩方向相反，但逆時針方向產生力矩，產生的力矩較大。在圖 5.1(c)所示的狀態下，轉子又順時針旋轉了 7.5°，面向南極的齒之間的磁能失去平衡，并在黑色箭頭指示的方向上產生扭矩. 在這種狀態下產生的轉矩被沿相反方向行進的相同大小的轉矩抵消，并且不產生齒槽轉矩。

電機運行時也會產生齒槽轉矩。

電機在運行時，作為負載轉矩的變化，表現出平穩運行，因此在磁設計時需要保持較低。到目前為止，已經對降低齒槽轉矩的方法進行了大量研究。

降低齒槽轉矩的主要方法有：

適當數量的齒與適當數量的磁極組合

使轉子磁體排列或磁體對角線磁化(轉子傾斜)

層壓定子使其扭曲(定子歪斜)

優化磁鐵和定子的形狀

優化磁體磁化波形

將適當數量的齒與適當數量的磁極組合是抵消齒槽轉矩的最有效方法。 一般情況下，電機每轉的齒槽轉矩周期為磁極數和齒數中最小的公倍數。另外，最小公倍數越大，齒槽轉矩越小。

圖 5.2 比較了 8 極 12 槽電機和 10 極 12 槽電機的齒槽轉矩。8 極 12 槽電機每轉的齒槽轉矩周期數為 24，10 極 12 槽電機為 60。10 極 12 槽電機產生的循環很好，齒槽轉矩幅度明顯減小。

Oriental Motor 的無刷電機為 10 極 12 槽型。

5.1.2 正弦波驅動

利用正弦波驅動降低了轉矩脈動的幅度，即使在低速旋轉時也可以平穩運行。雖然在“3.2.2 正弦波驅動系統”中解釋了原理，但在這里我們將解釋構成該原理關鍵的先決條件。

A。作用在繞組上的磁通密度

作用在繞組上的磁通密度理想情況下應該是變化的，使之成為真正的正弦曲線，如式(3.2)所示。如果正弦波發生畸變，電機就會產生轉矩脈動，從而引起速度脈動。

為磁通密度創建理想波形的方法與降低齒槽轉矩的方法相同，包括以下內容：

齒數與磁極數的最佳組合

應用轉子偏斜或定子偏斜

優化磁鐵和定子的形狀

優化磁體磁化波形

然而，由于降低齒槽轉矩的形狀與允許獲得最佳磁通分布的形狀不同，因此磁路的設計需要考慮平衡。

b. 電機電流由正弦波組成

如式(3.6)所示，理想情況下流過電機的電流為正弦波。與磁通密度一樣，如果發生畸變，就會產生轉矩脈動，進而引起速度脈動。為了創建理想的電流波形，需要精細和準確地檢測轉子磁極位置。在Oriental Motor，通過使用軟件對霍爾效應IC信號進行間歇處理，能夠獲得高分辨率的轉子磁極位置信息。

5.1.3 速度檢測精度

無刷電機使用速度計算器將來自霍爾效應 IC 的信號轉換為轉速并獲取有關電機速度的信息。電機低速運行時，霍爾效應 IC 的信號檢測間隔變寬，如圖 5.4 所示，電機速度檢測值呈周期性變化。如果反饋的速度檢測值有脈動，速度控制器的電壓(電流)指令就會產生脈動，從而導致電機速度產生脈動。

Oriental Motor的無刷電機通過將轉子磁極數從4個增加到10個，將霍爾效應IC信號頻率提高了2.5倍。這使得低速運行時的反饋信號平滑，減少了電機中的紋波速度。

由于無刷電機使用傳感器來檢測磁極，因此它們不適合低速運行。但是，隨著磁分析技術、軟件信號處理技術和驅動技術的改進，最低運行速度已從4極電機的300轉/分降低到80轉/分。 此外，即使在最低速度下輸出扭矩也恒定，因此可以在較寬的速度范圍內實現平穩的旋轉控制。

5.2 寬 速度控制范圍(高速 運行)

霍爾效應IC信號波形和電機電流波形如圖5.5所示。

與 500 RPM 相比，關于霍爾效應 IC 信號，在 1000 RPM 時可以觀察到電流波形滯后和電機電流增加。

對無刷電機進行驅動時，根據霍爾效應 IC 信號和勵磁模式向繞組施加電壓。但是，如果轉速增加，則由于電機電感，電流相位會出現滯后。 電流相位中出現的滯后對電機中產生的扭矩產生無效電磁力，從而降低有效電磁力。由于電機執行控制以保持轉速，因此電流增加并產生必要的扭矩。此外，如果速度增加，相位滯后增加，旋轉停止。

現在我們將解釋用于校正電流相位滯后的方法，這是使高速操作成為可能所必需的。

5.2.1 相位控制輸出轉矩校正

超前角控制允許通過根據電機速度計算電流相位滯后并提前電壓相位來校正輸出扭矩。

電壓相位超前的值稱為“超前角” a，可以使用以下公式計算：

然而，執行如此復雜的計算需要具有高處理能力的CPU。因此，不直接使用公式進行計算，而是使用超前角的近似公式進行計算。

超前角與轉速的關系如圖5.6所示。在超前角較大的區域。由于它相對于轉速幾乎呈線性變化，因此可以使用線性近似公式來表示超前角與轉速之間的關系。

同樣，超前角與外加電壓的關系也可以表示為線性近似，因此可以根據轉速和外加電壓計算出超前角。

然而，由于僅使用線性近似會導致在低速、高負載操作期間由于過度的相位超前而導致效率和轉矩降低。實際上，對超前角值施加了限制。

這種控制系統的優點是電路配置簡單，因為不需要電流環，并且電機控制調節元件很少。

5.2.2 矢量控制

矢量控制是利用數學技術將流過三相電動機繞組的電流轉換成與直流電動機等效的模型，從而簡化控制的一種控制方法。

流經無刷電機 U、V 和 W 相的電流由于電機扭矩和轉子旋轉角度而不斷變化。在這些條件下，電流控制的計算處理很困難。但是，通過將三相電流轉換為兩相電流，將固定坐標轉換為旋轉坐標，可以將電流分為產生扭矩的分量(電流的 q 軸分量)和產生磁通量的分量分量(電流的 d 軸分量)，與轉子旋轉角度無關。

在這種狀態下，通過構建一個電流回路，從產生轉矩的 q 軸分量和產生磁通量的 d 軸分量的電流中獲取檢測值，并遵守指令值，輸出轉矩和通過的磁通量通過繞組(磁鏈)可以隨意控制。

由于可以分別控制輸出轉矩和磁鏈，因此可以高度響應地控制輸出轉矩和速度。

此外，通過控制磁鏈，可以實現節能操作的最大效率控制。還可以改善速度-轉矩特性，例如最大轉矩控制和弱磁控制。

通過矢量控制改善電流波形的例子如圖 5.7 所示。圖 5.7(a) 為無矢量控制時的電流波形，圖 5.7(b) 為有矢量控制時的電流波形。在驅動電路中，電機電流受到控制，使其通過霍爾效應 IC 輸出信號的上升沿從負切換為正。

在沒有矢量控制的情況下，可以觀察到電機電流滯后。

在圖5.7(b)中，霍爾效應IC信號上升沿與電流切換一致，電流相位滯后消失。此外，執行矢量控制會使電機電流值變小。

將圖 5.7 所示的矢量控制狀態和無矢量控制狀態顯示為使用旋轉坐標的電流矢量創建如圖 5.8 所示的圖形 l(逆時針旋轉時)。

不進行矢量控制時，相對于磁通相位的定向(紅色虛線所示)小于 90°。電機電流除了起轉矩作用的有功電流(電流的q軸分量)分量外，還包括不起轉矩作用的無功電流分量。

執行矢量控制時，電流相對于磁通量以 90° 的方向流動。利用矢量控制始終保持磁通和電流方向為90°，消除高速運行時的電流相位滯后和無功電流，實現高效運行。

TIP : 矢量控制原理

1. 檢測電機電流值Iw、Iv、Iw。

2.將三相電流值轉換為正交2軸2相電流值[克拉克變換]。

值Ia和Ib隨每個轉子角度而變化。

3. 對于兩相電流值，將坐標系從固定坐標變換為與轉子同步旋轉的旋轉坐標[Park變換]。

通過變換坐標系，使d軸方向固定在磁場方向上，就可以將電流當作直流電，就像直流電機有旋轉導體一樣，使計算變得更加簡單。

值 Id 和 Ia 是與轉子角度 θ 無關的常數。

4. 將實際的Id(電流的d軸分量)和Iq(電流的q軸分量)與指令值進行比較，找出差異。

5. 控制電流環中的施加電壓，使電流指令值與Id和Iq匹配。

5.2.3 弱磁控制

弱磁控制是指通過控制電流的d軸分量，使產生磁通量的部分(磁場)的磁通量減弱，從而提高電機高速運轉時的轉矩。

無刷電機的基本特性是傾斜轉矩特性，如圖 5.9 所示。電機中產生的轉矩與電機電流成正比，因此轉速越高，電流值越小。我們將在下面解釋其原因。

無刷電機旋轉時各區域的電壓用下式表示。

式(5.2)左邊表示施加電壓，右邊第一項是施加在繞組電阻上的電壓，第二項是電感分量產生的電壓，第三項是反電動勢。

由式(5.2)得：

如式(5.3)所示，如果電機轉速增加，電感分量會導致壓降增加，反電動勢升高，電機電流減小。因此，無刷電機的速度-轉矩特性為如圖5.9所示的傾斜特性。

通過在高速運轉時進行弱磁控制，使電流流向d軸的負方向，弱化磁場的磁通量，可以降低繞組中產生的反電動勢。

因為當反電動勢減小時電流變大，所以產生的轉矩增加。這允許擴大高速運行期間使用的速度范圍(圖 5.9)。

5.3 高精度 速度控制

5.3.1 調速

速度調節是用于速度控制的電機的重要規格。定義為電機以設定速度運行時，負載轉矩、電源電壓、環境溫度等使用環境因素發生變化時，速度的變化率。

Oriental Motor 的規格使用以下條件發生變化時額定轉速下的速度變化率。因此，如果額定轉速為 3000 r/min，速度調節為 +/-0.2%，則速度變化為 +/-6 RPM。

由于速度波動范圍取決于傳感器檢測精度，即使運行速度不是 3000 r/min，速度變化量仍可能約為 +/-6 RPM(在電機軸處)。

With Load：當施加額定負載時，假設為空載狀態

With Voltage：當電壓在允許范圍內變化時，假設為額定電壓

With Temperature：當溫度在環境工作溫度范圍內變化時，假設環境溫度為 25°C。

無刷電機閉環控制電機轉速;基于從霍爾效應 IC 信號計算的反饋速度。 由于轉子的多極性，來自霍爾效應IC的信號數量增加，提高了轉速的檢測精度，從而導致低速調節，并允許以接近指令速度的速度運行。

對于沒有速度檢測器并執行無傳感器速度控制的變頻器 (VFD)，轉速會隨著額定轉矩的變化而變化。

由于精確的速度調節，可以通過具有可變負載和重量的輸送機穩定運行，例如液體粘度變化的攪拌器或排放泵等。此外，這適用于涂裝、加熱和其他需要固定處理時間的運輸應用。

提示：速度調節和顫振特性之間的差異

除速度調節外，顫振特性是電機速度穩定性的另一個特性。

Speed Regulation：使用環境變化時產生的平均速度波動率

Flutter Characteristic : 勻速旋轉時平均速度的速度波動率。

速度波動是指電機本身的平均速度在變化，而速度脈動是指在平均速度一定的情況下，速度變化的實際幅度。

速度波動是由電機單次旋轉或執行速度控制期間的轉矩波動產生的。在圖像檢測設備上表現為畫面抖動，在鍍膜設備上表現為鍍膜不一致。

5.3.2 高可靠性

此外，通過利用過載信息和過載警告功能，可以在過載警報激活之前檢測到負載增加。 這可以防止生產線突然停止并進行系統維護。 我們之前解釋過，由于無刷電機根據霍爾效應 IC 信號計算出的反饋速度在閉環中控制電機速度，因此速度調整率低，可以穩定運行。

由于始終監控電機速度，如果由于某種原因施加過大負載導致速度降低，或者如果電機停止，則會輸出警報信號，從而可以檢測到故障。

5.4 穩定停止位置

在進行高精度定位作業時，一般采用步進電機和伺服電機，定位精度優良。但是，根據要求的精度和使用方法的不同，使用廉價的調速電機或交流電機，即使是簡單的定位動作，也有可能滿足定位精度的要求。

當需要在目標位置停止輸送物體和旋轉物體時，使用具有瞬時停止功能的速度控制器和驅動器。但是，為了檢測搬運物，需要在停止位置設置傳感器，通過可編程控制器等進行控制。

輸入停止信號時，由于轉子轉動慣量和負載轉動慣量的作用，電機超速停止。此時，超程量根據裝置中摩擦轉矩的大小而減少。

5.4.1 超限額

DSC 系列 25 W 交流調速電機和 BLE2 系列 30 W 無刷電機的制動特性如圖 5.12 所示。

這些制動特性表示無摩擦負載時負載慣性力矩與超限量(平均值)之間的關系。由于在高速或大慣性負載下旋轉能量較大，因此超程量也會增加。

5.4.2 超支量的變化

交流調速電機和無刷電機的超限量都有差異。圖 5.13 顯示了當負載慣性力矩 J 設置為 0.251 x 10^-4 kg-m2，轉速設置為 1000 r/min 時電機重復運行和制動 100 次時超程量的變化。

許多交流調速電機和無刷電機都與減速機組合使用。

例如，與減速比為 10 的減速機組合時，在齒輪軸上測得的平均超程量及其變化量將減小到表 5.2 中所示的值。但是，應將齒輪中 1° 至 2° 的齒隙添加到這些值中。

5.4.3 交流調速電機制動方式

交流速度控制電機通過基于雙向晶閘管的觸發角控制來控制施加到電機的電壓。當輸入制動信號時，雙向晶閘管斷開，晶閘管導通一段固定的時間。如圖5.14中紅色箭頭所示，二極管中流過電機主繞組(L)和輔助繞組(S)經過半波整流的同相電流。這會導致執行直流制動(AKA 動態制動)，從而立即停止電機。

由于制動信號在電源電壓階段輸入的時序，制動電流開始流動的時間(制動開始時間)最多滯后于電源頻率一個周期。因此，超限額會發生變化。

運行信號、制動電流和電機轉速之間的關系如圖 5.15 所示。比較左右圖可知，從運轉信號OFF(制動信號ON)到制動開始、電機停止為止，有一個電源頻率周期的間隔。

5.4.4 無刷電機制動方式

如“4.5 制動(再生運行)”中所述，無刷電機在制動過程中作為發電機工作，通過將旋轉能量轉換為電能來產生制動扭矩，如圖 5.16 所示。觀察圖 5.17 可知，運轉信號 OFF(制動信號 ON)后，再生電流直接流過繞組。由于在電源電壓階段不受制動信號輸入時序的影響，可以產生制動力矩，因此停止位置穩定。

審核編輯：湯梓紅