認(rèn)識(shí) 空心杯 電機(jī)（2）

李業(yè)新

上期文章大家認(rèn)識(shí)了空心杯電機(jī)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。但與有鐵芯電機(jī)相比，無鐵芯電機(jī)究竟有什么優(yōu)勢(shì)？本期文章將解答這個(gè)問題。

三、空心杯電機(jī)型號(hào)

在談?wù)撾妱?dòng)動(dòng)力系統(tǒng)搭配時(shí)，經(jīng)常能聽到2212電機(jī)、2204電機(jī)等稱謂。這種命名方式參考的是電機(jī)尺寸。在這個(gè)四位數(shù)字中，前兩位代表了電機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑，后兩位則代表了電機(jī)轉(zhuǎn)子的高度。需要注意的是，所有尺寸只與電機(jī)轉(zhuǎn)子有關(guān)系，而非電機(jī)外殼?？傮w而言，前兩位數(shù)值越大，說明電機(jī)越“胖”；后兩位數(shù)值越大，說明電機(jī)越“高”。2212電機(jī)表示轉(zhuǎn)子直徑22毫米、高12毫米；2204電機(jī)，轉(zhuǎn)子直徑22毫米、高4毫米。前者常用在軸距450毫米的航拍機(jī)上，后者一般用在軸距210毫米的穿越機(jī)上。

空心杯電機(jī)的命名，參考的是同樣的規(guī)則。一般來說，其中的直徑和高度數(shù)值，指的是電機(jī)外殼的尺寸。常見的720電機(jī)，其外殼直徑7毫米、高20毫米；615電機(jī)，其外殼直徑6毫米、高15毫米。市面上售賣的空心杯電機(jī)，外形多為高瘦型。

四、空心杯電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

與普通電機(jī)相比，空心杯電機(jī)在功率密度、工作效率、散熱效果等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1.工作效率好

采用銅板線圈的電機(jī)無需卷線和有槽硅鋼片，降低了二者會(huì)帶來的渦流和磁滯損耗。加之空心杯電機(jī)的電阻相對(duì)較小，從另一方面降低了能量損耗，提高了工作效率。

2.功率密度高

電機(jī)的功率密度，是其輸出功率與重量或體積的比值。

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，空心杯電機(jī)省去了鐵芯，使得自身體積變?。慌c傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈相比，銅板線圈的重量更輕。由于繞制線圈時(shí)既不需要卷線，也不用添加有槽硅鋼片，因此空心杯電機(jī)在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生這方面的渦流和磁滯損耗。雖然銅板線圈也會(huì)帶來一定的渦流，但是這種損耗很小且易控制，確保了較高的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩?？傮w看來，空心杯電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩比同規(guī)格普通電機(jī)高，加上重量或體積小，故功率密度高。

3.無齒槽效應(yīng)和轉(zhuǎn)矩滯后

空心杯電機(jī)采用銅板線圈、無硅鋼片的設(shè)計(jì)，避免了硅鋼片上的槽與磁石相互作用造成的齒槽效應(yīng)。由于線圈無鐵芯，因此所有金屬部件要么都在工作，要么同時(shí)停止。無磁滯損耗、無齒槽效應(yīng)減少了電機(jī)在速度和轉(zhuǎn)矩上的波動(dòng)，使其無明顯轉(zhuǎn)矩滯后現(xiàn)象。

4.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩低

無磁滯損耗、無齒槽效應(yīng)不僅減小了電機(jī)在速度和轉(zhuǎn)矩上的波動(dòng)，也讓電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩變得很低。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通常唯一的阻礙是軸承負(fù)荷。而空心杯電機(jī)無鐵芯的結(jié)構(gòu)形式，使啟動(dòng)變得極為容易。

5.轉(zhuǎn)子與定子間無徑向作用力

因?yàn)榭招谋姍C(jī)的結(jié)構(gòu)中無靜止的硅鋼片，所以不存在轉(zhuǎn)子與定子間的徑向磁力。這種徑向作用力易造成轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，無徑向力則能改善電機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。在要求精密控制的應(yīng)用場(chǎng)合，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)尤其重要。

6.運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小

由于取消了有槽硅鋼片，因此電機(jī)運(yùn)行帶來的轉(zhuǎn)矩和電壓諧波均有減小。加之電機(jī)內(nèi)部無交變電場(chǎng)，所以不會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)帶來的噪聲。空心杯電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，僅有軸承和氣流的噪聲，以及非正弦波帶來的震動(dòng)。總體速度曲線平滑、噪聲小。

7.高速低電感無刷線圈

在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空心杯無刷電機(jī)內(nèi)銅板線圈的電感值較小。線圈繞組電感值小，可使電機(jī)啟動(dòng)電壓降低；通過增加極數(shù)、減小機(jī)殼厚度，空心杯電機(jī)在電感值減小的同時(shí)既降低了自身重量，又提高了功率密度。

8.快速響應(yīng)有刷線圈

對(duì)空心杯有刷電機(jī)來說，由于其銅板線圈的電感值低，因此電流對(duì)電壓波動(dòng)的響應(yīng)更快。又因轉(zhuǎn)子無鐵芯，使得其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較傳統(tǒng)電機(jī)更小。所以在轉(zhuǎn)矩與電流響應(yīng)速度相當(dāng)?shù)那闆r下，空心杯有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子加速度能達(dá)到傳統(tǒng)電機(jī)的兩倍。

9.峰值轉(zhuǎn)矩高

一般而言，空心杯電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩與連續(xù)轉(zhuǎn)矩的比值很大。在由小轉(zhuǎn)矩升至峰值轉(zhuǎn)矩的過程中，電流越大、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩越大，期間二者比值是不變的，被稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。也就是說，在達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩之前，電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系。而傳統(tǒng)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)達(dá)到最大輸出轉(zhuǎn)矩后，再增大電流，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也不會(huì)增加。空心杯電機(jī)因峰值轉(zhuǎn)矩特別高，可看作電流與轉(zhuǎn)矩一直呈線性關(guān)系。也就是說在電路耐受范圍內(nèi)，只要增大空心杯電機(jī)的電流，其輸出轉(zhuǎn)矩就會(huì)線性增加。

10.正弦波誘起電壓波形平滑

空心杯電機(jī)使用銅板線圈，其精確的位置使得電機(jī)的電壓諧波較低。而為了保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，現(xiàn)在一般使用正弦波驅(qū)動(dòng)和控制器。銅板線圈元件間存在氣隙的結(jié)構(gòu)，使其在正弦波驅(qū)動(dòng)和控制中產(chǎn)生的誘起電壓波形平滑，較傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出控制更平穩(wěn)、精準(zhǔn)。這種特性，使得空心杯電機(jī)被廣泛用于需要慢速運(yùn)轉(zhuǎn)或精準(zhǔn)控制的設(shè)備，如顯微鏡、光學(xué)掃描儀、機(jī)器人等。

11.散熱效果好

空心杯電機(jī)采用銅板線圈，線圈繞組的內(nèi)外表面均有空氣流動(dòng)。反觀傳統(tǒng)電機(jī)的有槽轉(zhuǎn)子線圈，漆包線被嵌在硅鋼片的槽內(nèi)，導(dǎo)致線圈表面氣流流動(dòng)少，不利于散熱。經(jīng)測(cè)試，在相同輸出功率的情況下采用銅板線圈的電機(jī)，其溫度攀升趨勢(shì)明顯弱于傳統(tǒng)電機(jī)。

五、控制器硬件設(shè)計(jì)

1.控制器硬件總體結(jié)構(gòu)

空心杯電機(jī)采用閉環(huán)控制器，其硬件結(jié)構(gòu)包括PWM驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、液晶顯示電路、USB轉(zhuǎn)串口電路等部分。

空心杯電機(jī)控制器的工作過程如下：控制器通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)給出期望轉(zhuǎn)速指令和控制參數(shù)。電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速經(jīng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路，由TM4C123GH6PM定時(shí)器捕獲得到。將實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速對(duì)比后，系統(tǒng)得出轉(zhuǎn)速差，并基于前饋PI控制輸出相應(yīng)PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后供給空心杯電機(jī)。同時(shí)，液晶顯示器通過SPI接口與TM4C123GH6PM進(jìn)行通信，從而實(shí)時(shí)顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速值。

2.PWM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

空心杯電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)電路采用了一款雙通道橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRV8833。該器件有兩個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)器，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。每個(gè)H橋的輸出驅(qū)動(dòng)器模塊由N溝道功率MOSFET組成，這些場(chǎng)效應(yīng)管被配置成一個(gè)H橋，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)的線圈繞組。通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，該驅(qū)動(dòng)電路可調(diào)整輸入電機(jī)端電壓的大小，進(jìn)而控制空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于只需驅(qū)動(dòng)1個(gè)直流電機(jī)，因此空心杯電機(jī)中的PWM驅(qū)動(dòng)電路將雙通道輸出做了并聯(lián)處理，以達(dá)到增大驅(qū)動(dòng)電流的效果。

3.轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

右下是空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路圖。電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定了1個(gè)輪齒，上面均勻分布了4個(gè)錯(cuò)開的齒。輪齒布置在1個(gè)對(duì)射光耦上，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)1周會(huì)產(chǎn)生4個(gè)高低脈沖，該脈沖頻率就能表征電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

事實(shí)上，空心杯電機(jī)的控制器不僅具備了更加突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性，還能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速精確的閉環(huán)控制。而要實(shí)現(xiàn)后者，控制器必須具備與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)采集、前饋PI控制、液晶屏顯示等多個(gè)功能。（未完待續(xù)）