认识空心杯电机（4）

李业新

空心杯电机克服了有铁芯电机无法逾越的技术障碍，将电能转化为机械能的效率提高至70%，部分产品甚至达到90%以上，使其具有广阔的应用领域。在很多应用场合，空心杯电动机有着不可替代的地位。不过，知其然当知其所以然，本期的重点，就落在空心杯电机的控制方法上。

十、空心杯电机的控制方法

1.PWM调制方式

采样控制理论中有一个重要结论： PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等、宽度不等的脉冲，并用这些脉冲代替正弦波或其他所需要的波形（图1）。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率（图2）。

PWM控制的基本原理虽很早就已提出，但受电子元器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。直到进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

对于两相导通、具备三相六状态的空心杯无刷直流电机来说，在一个周期内，每个功率开关器件可导通120°的电角度，每变换60°又要有两个开关器件配合做切换。因此，PWM调制有以下5种方式（图3 - 图7）：

（1）on_pwm型

（2）pwm_on型

（3）H_pwm-L_on型

（4）H_on-L_pwm型

（5）H_pwm-L_pwm型

前4种方式又被称为半桥调制方式，即在任意一个60°区间，只有上桥臂或下桥臂开关进行斩波调制。细分起来，方式（1）和（2）为双管调制方式，即在调制过程中上桥臂和下桥臂的功率开关都参与斩波调制；方式（3）和（4）为单管调制方式，即在调制过程中只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制。而方式（5）是全桥调制方式，即在任意一个60°区间内，上、下桥臂的功率开关同时进行斩波调制。

在全桥调制方式中，桥臂功率开关的动态功耗是半桥调制方式的两倍。这就意味着全桥调制方式的系统效率更低，同时给电机散热带来困难。因此，考虑到功率开关的动态功耗，空心杯电机应选择PWM调制中的半桥调制方式。

而在半桥调制方式中，双管调制既不增加功率开关的动态损耗，又解决了单管调制的功率开关散热不均的问题，大大提高了系统的可靠性。然而，本应是空心杯电机控制的最佳选择，却由于双管调制实现起来过于复杂，致使在实际应用中，空心杯电机多采用较容易实现的方式——（3）H_pwm-L_on型PWM调制方式，即在不同的120°导通区间内，上桥臂功率开关通过窄脉冲调制，下桥臂开关管恒通。

2.PI控制方法

PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值的差值，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。简单说来，PI控制器在各校正环节的作用如下：

（1）比例环节

即时成比例地反馈控制系统的偏差。一旦出现偏差，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。通常比例作用增大，闭环系统的调整量就会加大，系统响应速度加快；但当比例作用增加到一定程度，系统的稳定性反而下降，甚至变得不稳定。

（2）积分环节

通过消除系统稳态误差，提高系统的无误差度。运行时只要系统出现偏差，积分调节就开始运行，直到无误差，积分调节停止。积分作用的强弱取决于积分常数。数值越大，PI控制的积分调节作用越弱，闭环系统的超调量越小，动态响应速度变慢；反之越强。

积分作用常与其他调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器（图8）。

十一、空心杯电机的应用范围

在本文的首篇连载中，曾提到与有铁芯电机相比，空心杯电动机存在诸多优点，且其最突出的特性多为衡量电机好坏的重要指标。例如有刷直流无铁芯空心杯电机融合了多项关键的技术，包括低转动惯量、无齿槽、低摩擦、紧凑的换向系统等，带来更快的加减速特性、更高的工作效率、更低的焦耳损耗、更大的持续转矩，因此应用范围非常广阔。

相比其他结构电机，空心杯电机体积大为减小、重量减轻、发热量减少。只需很小的空间，它就能提供同样优异的动力输出，从而提供更好的舒适度和便利性，是便携或小型设备等的理想选择。此外在以蓄电池供电的应用中，空心杯电机的无铁芯设计，还可以延长设备的使用寿命，同时提高能源的使用效率。

空心杯电机出现之初，多用于军事等高科技领域。其进入民用领域不过十几年，便已经得到了迅速发展。在发达国家，空心杯电机被大量用在工业产品上。我国对空心杯电机的开发研制工作已有二三十年的历史。遗憾的是，国内工业界对空心杯电机的卓越性能尚没有充分认识。国内开发的许多新产品，因电机性能不符合要求，整体水平始终与国外同类产品存在较大差距，限制了产品的开发和发展。这一现象，在医疗器械、义肢、机器人、摄像机、照相机，甚至在纺织机械、激光测量仪器等方面都存在（图9、图10）。

由于工艺复杂、生产自动化程度远不如有铁芯电机，因此空心杯电机的生产成本比较高。加之生产时对操作者的技能水平要求高，推高了劳动力成本，给大规模生产带来了很多困难和限制。不过最近国内空心杯电机的生产有了较快发展，不仅在国内市场上逐步替代了进口产品，而且已有企业开始参与国际市场的竞争。

时下最时髦的一种航空模型产品，当属四轴飞行器（Quadrotor）。四轴飞行器又称四旋翼飞行器，模友们爱称其为四轴或四旋翼。这种多旋翼飞行器结构简单，螺旋桨与电机直连，“十”字形的动力布局使得飞行器可通过改变各个电机的转速调整自身姿态。受益于微机电控制技术的进步，近年来飞行性能稳定的四轴飞行器得到了业内重视，未来应用前景广阔。中国大疆创新公司、法国Parrot公司、德国AscTec公司和美国3D Robotics公司已经打造出了四轴飞行器的专属品牌，并在国际上享有很好的声誉。其中消费级无人机的动力多为大功率无刷电机，微小型四轴飞行器则使用空心杯电机（图11、图12）。

室内遥控模型飞机要求起飞重量尽量轻，并保证稳定的动力输出，空心杯电机无疑是最佳选择（图13）。一般来说，单个直径7mm的空心杯电机，只要合理配置减速组，就能提供100g左右的拉力。由于一架室内遥控模型的起飞重量一般在60g以下，因此空心杯電机的动力配置足够，且有富余。在室内遥控模型直升机上，空心杯电机则扮演了更加多样性的角色，既可用作主旋翼的动力电机（图14），也可用作尾桨电机，更是很多微型飞行器一体控制板中舵机的主角。

提到航模用舵机，目前小型航模舵机中的动力输出部分，基本以空心杯电机为主。老式舵机的动力输出则主要使用普通有刷电机，功率损耗很大。如今比较高端的高电压航模舵机改用空心杯无刷电机，无论在扭力还是反应速度上，都有了长足的提高和进步。（未完待续）