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无刷直流电机在按摩椅行业的应用

日期:2019-03-06 05:50

  无刷直流电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、高磁能级的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。

  无刷直流电机既保持了传统直流电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。采用无刷直流电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。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0~1000m/min,使按摩椅的模糊控制方案更易于实现,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,这些都无疑将大大提高按摩椅的性能和市场竞争能力。

  由于按摩椅在工作的时候,人的头部紧贴按摩机械手,噪声问题将会严重影响人的舒适程度。国家标准《家用和类似用途电器噪声限值 电动按摩器的特殊要求》规定,按摩椅的整机噪声限值为55dB(A),而目前采用的传统直流电机的正常负载运行噪声值为38dB(A)左右。所以,降低电机噪声成为进一步降低按摩椅噪声的重要技术手段。

  直流电机具有优良的转矩控制特性,所以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,但传统直流电机噪声较大。直流电机的噪声主要是电刷与换向器之间的摩擦噪声。而且从理论上,这个噪声永远无法消失。目前采用高润滑导电材料做成的电刷与换向器,噪声仍然在35dB(A)以上。

  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擦噪声,其噪声水平通常只有传统直流电机的10%左右。采用无刷直流电机,大大降低了按摩椅的噪声水平。实验发现,采用了无刷直流电机之后,按摩椅的噪声水平只有原来的45%左右,显著提升了按摩椅的使用舒适性。

  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,从而提升了按摩椅的灵活性。

  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。所谓智能化的电机就是将电机、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、成本低、体积减小、系统性能提高等。通过对无刷直流电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,大大改进和优化了无刷直流电机的运行性能。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。

  按照供电方式的不同,无刷直流电机又可以分为两类: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;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。无论哪种无刷直流电机,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声,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,运行过程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。

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