無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性是指電機(jī)在起動(dòng)、正常工作和調(diào)速等情況下，電機(jī)外部各可測(cè)物理變量之間的關(guān)系。本文在面對(duì)CW32電機(jī)控制應(yīng)用的相關(guān)開發(fā)與調(diào)試的應(yīng)用中，提供必要且專業(yè)的理論支撐。

由于電機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。因此，我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓、電流、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電機(jī)的運(yùn)行特性可分為起動(dòng)特性、工作特性、機(jī)械特性和調(diào)速特性。

討論各種電機(jī)的運(yùn)行特性，一般都從轉(zhuǎn)速公式、電動(dòng)勢(shì)平衡方程、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。

電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為：

式中，U為電源電壓(V)，E為電樞反電動(dòng)勢(shì)(V)，Iacp為平均電樞電流(A)，racp為電樞繞組的平均電阻(Ω)，ΔU是功率管飽和壓降(V)，對(duì)于橋式換相線路為2ΔU。

對(duì)于不同的電樞繞組形式和換相線路形式，電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)有不同的等效表達(dá)式，但不論哪一種繞組和線路結(jié)構(gòu)，電樞反電動(dòng)勢(shì)可以表示為：

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min），Ke為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)（V/r/min）。由式（1）和式（2）可知：

轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，T2為輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)，T0為摩擦轉(zhuǎn)矩(N·m)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)部分（轉(zhuǎn)子及負(fù)載）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2），ω為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度(rad/s)。其中電磁轉(zhuǎn)矩Te表示如下：

下面從基本公式出發(fā)來討論BLDCM各種運(yùn)行特性。

1 起動(dòng)特性

根據(jù)式（1）至式（5）可知，電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)為零，因此電樞電流（即起動(dòng)電流）為：

其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍，所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩非常大，電機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電動(dòng)勢(shì)E增加，電樞電流逐漸減小，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速度減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在空載起動(dòng)時(shí)，電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化如圖1所示。

需要指出的是，無刷直流電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，除了與起動(dòng)電流有關(guān)外，還與轉(zhuǎn)子相對(duì)于電樞繞組的位置有關(guān)。轉(zhuǎn)子位置不同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是不同的，這是因?yàn)樯厦嫠懻摰年P(guān)系式都是平均值間的關(guān)系。而實(shí)際上，由于電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)是跳躍的，當(dāng)轉(zhuǎn)子所處位置不同時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)之間的夾角在變化，因此所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是變化的。這個(gè)變化量要比有刷直流電機(jī)因電刷接觸壓降和電刷所短路元件數(shù)的變化而造成的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化大得多。

2 工作特性

在無刷直流電機(jī)中，工作特性主要包括如下幾方面的關(guān)系：電樞電流和電機(jī)效率與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

電樞電流和輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系由式(5)可知，電樞電流隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加而增加，如圖2所示。

對(duì)于電機(jī)效率和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，這里只考察電機(jī)部分的效率與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。電機(jī)效率：

式中，ΣP為電機(jī)的總損耗；P1為電機(jī)的輸入功率，P1=IacpU；P2為輸出功率，P2=M2n。

當(dāng)M2=0時(shí)，即沒有輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)的效率為零。隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加，電機(jī)的效率增加。當(dāng)電機(jī)的可變損耗等于不變損耗時(shí)，電機(jī)效率達(dá)到最大值。隨后，效率又開始下降，如圖1所示。

3 機(jī)械特性

機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由式（1）至式（3）可知：

當(dāng)不計(jì)U的變化和電樞反應(yīng)的影響時(shí)，式（8）等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)，所以電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的減小而線性增加，如圖3所示。

圖3所示是電機(jī)在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下的機(jī)械特性曲線。其中，n01、n02、n03、n04是空載時(shí)的轉(zhuǎn)速。在實(shí)際情況下，在轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加加快，使加在電樞繞組上的電壓有所減小，在圖中靠近橫軸的直線部分會(huì)向下彎曲。

4 調(diào)速特性

當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，即為起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)式(9)等號(hào)右邊兩項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，由于電機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)偏離直線變化。

從機(jī)械特性和式(9)可以看出，在同一轉(zhuǎn)速下改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩,所以BLDCM具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，而此時(shí)電子換相電路及控制不必做任何修改。無刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性極為相似，有著良好的控制性能。

5 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性

圖4展示了轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性的示例。

有兩個(gè)轉(zhuǎn)矩參數(shù)用于定義BLDC電機(jī)，峰值轉(zhuǎn)矩(TP)和額定轉(zhuǎn)矩(TR)。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的負(fù)載會(huì)增加直到達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。在BLDC電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值之前都保持不變。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的150%，但從超過額定轉(zhuǎn)速起轉(zhuǎn)矩開始下降。

那種經(jīng)常帶負(fù)載的起動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)的電機(jī)應(yīng)用需要比額定轉(zhuǎn)矩更大的轉(zhuǎn)矩。需要大轉(zhuǎn)矩的時(shí)間通常很短，尤其是在電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)以及加速時(shí)。在此期間，需要額外的轉(zhuǎn)矩來克服負(fù)載和電機(jī)本身的慣性。電機(jī)只要按轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線運(yùn)轉(zhuǎn)，就能提供更高的轉(zhuǎn)矩，最高可達(dá)峰值轉(zhuǎn)矩。

后面社區(qū)將會(huì)專門講述如何為某個(gè)應(yīng)用選擇這些參數(shù)。