无刷直流电机在按摩椅行业的应用

1、无刷直流电机在按摩椅行业的应用     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最新成果。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

2、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

3、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。 

4、60;  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

5、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01000，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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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。   

11、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高级阶段，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

12、，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

13、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

14、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彻底消失，其运行过程

15、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最新成果。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

16、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。直流无刷电机 百科名片直流无刷电机原理无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子

17、换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。 目录隐藏无刷直流电机意义 1. 直流无刷电动机 2. 无刷电机有什么特点？ 3. 有刷电机有什么优缺点？直流无刷电机的优越性 直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机的控制原理 控制简介无刷直流电机意义 1. 直流无刷电动机 2. 无刷电机有什么特点？ 3. 有刷电机有什么优缺点？直流无刷电机的优越性 直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机的控制原理 控制简介 编辑本段无刷直流电机意义实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中

18、新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。 直流无刷电动机直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，而其组成是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采

19、用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。 为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。 要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。 直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易

20、分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路。 在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自成为一体。驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。目前，驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。模块化集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离栅场效应双极晶体管等组成形式。虽然，隔离栅场效应双极晶体管价格较贵，但从可靠安全和性能角度看，选用它还是较合适的。 控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应

21、转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。在对电机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向，有关数字信号处理器将在下面交流同步伺服电动机中介绍。 目前，在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。大体上有计算机外存储器以及VCD、DVD、CD主轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行车用多极、外转子结构等等。上述直流无刷

22、电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非常大。为了满足大批量、低成本的市场需要，直流无刷电动机的生产必须要形成规模经济。因此，直流无刷电动机是一种高投入、高产出的行业。同时，我们应该考虑到市场也在不断地发展，如家用空调用电机正由3A转向3D，需要大量的中小功率的直流无刷直流电动机，研究和开发中小功率的直流无刷电动机也成当务之急。 无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷

23、电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。 无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少4050左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。 这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器

24、件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。 中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。 近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异

25、步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。 无刷电机有什么特点？优点： a) 电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动车的发展方向； b) 属静态电机，空载电流小； c) 效率高；

26、d) 体积小。 缺点： a) 低速起动时有轻微振动，如速度加大换相频率增大，就感觉不到振动现象了； b) 价格高，控制器要求高； c) 易形成共振，因为任何一件东西都有一个固有振动频率，如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象，但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。 d) 脚踏骑行时较费力，最好是电力驱动与脚踏助力相结合。 有刷电机有什么优缺点？优点： a) 变速平稳，几乎感觉不到振动； b) 温升低，可靠性好； c) 价格低，所以被较多厂家选用。 缺点： a) 碳刷易磨损，更换较为麻烦

27、，寿命短； b) 运行电流大，电机磁钢易退磁，降低了电机与电池的作用寿命。 编辑本段直流无刷电机的优越性直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理

28、机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，pwm)等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 编辑本段直流无刷电机的控制结构直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影

29、响： n=120f / p。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或

30、交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。 编辑本段直流无刷

31、电机的控制原理要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之ah、bh、ch(这些称为上臂功率晶体管)及al、bl、cl(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂

32、功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： ah、bl一组ah、cl一组bh、cl一组bh、al一组ch、al一组ch、bl一组 但绝不能开成ah、al或bh、bl或ch、cl。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 图二 当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(ah、bl或ah、cl或bh、cl或)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由pwm来完成。pwm是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的pwm才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的clock 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外