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无刷直流电动机的方波与正弦波驱动
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图2 正弦波驱动BLDCM机械特性和转矩特性表2V~=220V时方波驱动BLDCM负载实验数据实例
采用珠海运控电机有限公司生产的方波BLDCM驱动器，型号为BLDA一04211A1，与实验用的电动机配套便构成方波驱动BLDCM。在方波驱动BLDCM产品中，都采用3个开关霍耳元件作转子位置传感器，产生互差120。电角度的方波位置信号。如果只是为了实验测试，则用光学编码器的U、V、W信号也一样。上述同一台实验电动机，在电源电压保持V～一220V不变的条件下，方波驱动负载实验测试数据如表2所示。机械特性和转矩特性如图3a和b所示。与图2a和b的曲线相对比可以看出，(1)在速度开环情况下，相同电压条件下，二种驱动方式时电动机的空载转速基本相同，并同样具有随负载增大而转速下降的机械特性。(2)在相同负载转矩条件下，方波驱动BLDCM的转速略低一些，即转速降略大一些。(3)转矩特性基本一致，转矩和电流几乎成线性关系，在同一负载转矩时，方波BLDCM的电流略小。在相同负载转矩条件下，方波驱动BLDCM的转速稍低，输出功率较小，相应地输人功率也要小一些，在同样电压条件下，桥臂电流小一些是在预料之中的。至于方波驱动BLDCM转速下降要稍大一些，当然是和换向过程有关，可参看有关电枢等效电阻的分析，对转矩系数有影响也是相关联的。
图3 方波驱动BLDCM机械特性和转矩特性 表2的数据和图3的曲线表明，方波驱动BLDCM的额定数据大体上可给定为：，nN=2 500r／min，TN=2.6Nm，PN=680W，IN=2.9A(DC)，VN=220V(AC)。按珠海运控电机有限公司的型号表示方法应为123BL(1)A68—25H(ST一1)型，即1台400W、2 000r／rain的AC setvo改用方波驱动器就成了1台680W、2 500 r／min的BLDCM。这些数
据丝毫也不能表明方波驱动电动机能输出更大的功率，实际上AC servo若运行在2 500r／min时，能输出的最大转矩要比2.6Nm更大一些。对应2 000r／min额定转速、400W的电动机有2．5倍的过载能力，但是方波驱动BLDCM在超过额定转矩时转速便低于额定转速。
4正弦波和梯形波旋转电压(反电势)
一个相关的问题是电动机旋转电压(EMF)的波形。在一些文献中对BLDCM的特点描述为：具有永磁转子，定子绕组的设计使EMF为梯形波。并认为方波绕组电流和梯形波EMF作用的结果能获得恒定无脉动的电磁转矩。正弦波驱动的电动机才设计成EMF为正弦波，并称为PMSM或BLDACM。前面已经论述过，只要根据位置讯号实现电子换向，即便绕组电流与．ACM一样为正弦波，仍是DCM原理具有DCM的基本特性，便是BLDCM。正弦波驱动BLDCM设计成正弦波EMF，能产生恒定无脉动的电磁转矩，与传统ACM相类似，那么方波驱动BLDCM的EMF是否要追求梯形波。
限于篇幅，对这个问题这里无法作详细的论述，仅简要指出几点。(1)方波(梯形波)EMF、只有在下述条件下才能得到，即气隙磁密分布为方波，全距集中绕组，不斜槽和不斜极。真的满足这些条件可获得方波EMF，但电动机的定位转矩会很大，严重影响运行性能而无法接受。(2)在小容量BLDCM中，产生方波EMF的条件很难达。小容量BLDCM一般每极槽数很少，槽开口对气隙磁密分布的影响很 大，因为要保证足够下线的工艺尺寸。如果转子采用
多极磁环，磁性材料为各向同性，充磁后较难获得足够顶宽度的平顶波。小容量BLDCM常常采用与转子极数相近的定子槽数，构成分数槽绕组，定位力矩可以很小，EMF波形则接近正弦波。总之实际的小容量的BLDCM产品，大都具有接近正弦的EMF、波形。(3)理论上讲，具有方波EMF的电动机，在绕组也是方波电流的作用下，可以产生恒定无脉动的电磁转矩，但是由于换向过程的影响，绕组电流在大部分实际运行过程中与方波相距甚远，再加上EMF波形也总与理想的平顶波有一定的差距，所以实际的方波EMF电动机，在方波驱动方式运行时，运行平稳性未见得有所改善。
5正弦波驱动是发展方向
从目前市场上通行的产品看，正弦波驱动BLDCM，都采用光学编码器，驱动器设计包含电流环、速度环和位置环，成为高性能的伺服单元，通常称为交流伺服电动机或交流伺服单元(AC servo)，运行平衡性好，噪声低，调速比高(达10 000或以上)，响应快，定位精度高，还具有可靠性高和维护方便的特点，是当今伺服驱动的主流产品。不足之处是价格昂贵，近一二年国内市场上通用AC servo的价格已有一定幅度的下降，但还是价格甚高。首先是光学编码器相当贵，市场价要高出数百瓦永磁电动机本体的成本。其次驱动控制线路较复杂，所用的电流传感器及专用芯片等也较贵。采用旋变作位置传感器的AC servo国外产品，有少量进入国内市场，价格不比光学编码器的AC servo便宜。价格因素限制了这类高性能BLDCM在更广范围内的应用。
更广泛的产品是方波驱动的BLDCM，通常采用3个开关霍耳元件作位置传感器，驱动控制电路也较简单，因此成本低廉，适合众多大量应用的场合。但是在典型的方波驱动BLDCM中，绕组电流含有丰富的谐波，使电磁转矩脉动大，导致电动机运行的平稳性变差，振动和噪声增大。另外，这类电动机在一圈范围内的位置信息量甚少，用它来控制转速不能达到高的稳速精度，调速比也较小(在10左右)。这就使得普通方波驱动BDCM不能适应一些对噪声和调速比要求稍高的应用场合。
基于以上实际现状，普遍的说法认为“转矩波动是BLDCM存在的突出问题”。国内外的研究人员针对这个问题做了大量工作，提出了各种解决和改善这个问题的途径和方案。本文不可能对这方面众多的研究作出评述，仅简单提出一些想法。
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