序言
由于直流無刷電動機(jī)既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。
一個多世紀(jì)以來，電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動機(jī)、異步電動機(jī)和直流電動機(jī)三種。由于傳統(tǒng)的直流電動機(jī)均采用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對的機(jī)械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大多數(shù)均采用三相異步電動機(jī)。
光電開關(guān)原理及應(yīng)用直流無刷電動機(jī)工作原理與控制方法，針對上述傳統(tǒng)直流電動機(jī)的弊病，早在上世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動機(jī)。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀(jì)60年代初終于實(shí)現(xiàn)了這一愿望。上世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料的問世，均為直流無刷電動機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了的基礎(chǔ)。
三相直流無刷電動機(jī)的基本組成
直流無刷永磁電動機(jī)主要由電動機(jī)本體、傳感器和電子開關(guān)線三部分組成。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由*磁鋼按一定極對數(shù)(2p=2，4，…)組成。圖1所示為三相兩極直流無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)，
當(dāng)定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子*磁鋼的磁極所產(chǎn)生的相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼變換成電信號，去控制電子開關(guān)線，從而使定子各項(xiàng)繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。
三只光電器件VP1、VP2和VP3的安裝各相差120度，均勻分布在電動機(jī)一端。借助安裝在電動機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板的作用，使從光源射來的光線一次照射在各個光電器件上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子磁極的。
圖2所示的轉(zhuǎn)子和圖3a)所示的相對應(yīng)。由于此時廣電器件VP1被光照射，從而使功率晶體V1呈導(dǎo)通狀態(tài)，電流流入繞組A-A’，該繞組電流同轉(zhuǎn)子磁極作用后所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子的磁極按圖3中箭頭方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3b)所示的時，直接裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板亦跟著同步轉(zhuǎn)動，并遮住VP1而使VP2受光照射，從而使晶體管V1截至，晶體管V2導(dǎo)通，電流從繞組A-A’斷開而流入繞組B-B’，使得轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝箭頭方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3c)所示的時，此時旋轉(zhuǎn)遮光板已經(jīng)遮住VP2，使VP3被光照射，導(dǎo)致晶體管V2截至、晶體管V3導(dǎo)通，因而電流流入繞組C-C’，于是驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝順時針方向旋轉(zhuǎn)并回到圖3a)的。
這樣，隨著傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動，定子繞組在傳感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次饋電，實(shí)現(xiàn)了各相繞組電流的換相。在換相過程中，定子各相繞組在工作氣隙內(nèi)所形成的旋轉(zhuǎn)是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)在360度電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120度電角度。各相繞組電流與電動機(jī)轉(zhuǎn)子的相互關(guān)系如圖3所示。圖3a)為*種狀態(tài)，Fa為繞組A-A’通電后所產(chǎn)生的磁動勢。顯然，繞組電流與轉(zhuǎn)子的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過120度電角度后，便進(jìn)入第二狀態(tài)，這時繞組A-A’斷電，而B-B’隨之通電，即定子繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)過了120度，如圖3b)所示，電動機(jī)定子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；再轉(zhuǎn)120度電角度，便進(jìn)入第三狀態(tài)，這時繞組B-B’斷電，C-C’通電，定子繞組所產(chǎn)生的又轉(zhuǎn)過了120度電角度，如圖3c)所示；它繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過120度電角度后就恢復(fù)到初始狀態(tài)。圖4示出了各相繞組的導(dǎo)通順序的示意圖。
傳感器在直流無刷電動機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極的作用，為邏輯開關(guān)電提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。傳感器種類較多，且各具特點(diǎn)。在直流無刷電動機(jī)中常見的傳感器有以下幾種：電磁式傳感器、光電式傳感器、磁敏式接近傳感器。
電磁式傳感器在直流無刷電動機(jī)中，用得較多的是開口變壓器。用于三相直流無刷電動機(jī)的開口變壓器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子一般有六個極，它們之間的間隔分別為60度，其中三個極上繞一次繞組，并相互后通以高頻電源，另外三個極分別繞上二次繞組WA、WB、WC。它們之間分別相隔120度。轉(zhuǎn)子是一個用非導(dǎo)磁材料做成的圓柱體，并在它鑲一塊120度的扇形導(dǎo)磁材料。在安裝時將它與電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)，其對應(yīng)于某一磁極。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過轉(zhuǎn)子上的到此材料耦合到二次繞組上，故在二次繞組上產(chǎn)生電壓，而另外兩相二次繞組由于無耦合回同一次繞組相聯(lián)，其電壓基本為零。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，扇形片也跟著旋轉(zhuǎn)，使之離開當(dāng)前耦合一次繞組而向下一個一次繞組靠近。就這樣，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動，在開口變壓器二次繞組上分別出電壓。扇形導(dǎo)磁片的角度一般略大于120度電角度，常采用130度電角度左右。在三相全控電中，為了換相譯碼器的需要，扇形導(dǎo)磁片的角度為180度電角度。同時，扇形導(dǎo)磁片的個數(shù)應(yīng)同直流無刷電動機(jī)的極對數(shù)相等。
接近開關(guān)式傳感器主要由諧振電及扇形金屬轉(zhuǎn)子兩部分組成，當(dāng)扇形金屬轉(zhuǎn)子接近震蕩回電感L時，使該電的Q值下降，導(dǎo)致電正反饋不足而停振，故輸出為零。扇形金屬轉(zhuǎn)子離開電感元件L時，電的Q值開始上升，電又重新起振，輸出高頻調(diào)制信號，經(jīng)二極管檢波后，取出有用控制信號，去控制邏輯開關(guān)電，以電動機(jī)正確換向。
它對外負(fù)載講，所得的電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為零。但在直流無刷電動機(jī)三相半控電的工作情況下，每相繞組中通過1/3周期的矩形波電流。該電流和轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當(dāng)于1/3周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對有關(guān)。顯然在圖6a所示的瞬間導(dǎo)通晶體管，則可產(chǎn)生zui大的平均轉(zhuǎn)矩。因?yàn)樵谶@種情況下，繞組通電120度的時間里，載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng)的氣隙中。所以它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動脈動zui小，平均值較大。習(xí)慣上把這一點(diǎn)選作晶體管開始導(dǎo)通的基準(zhǔn)點(diǎn)，定為。在=0度的情況下，電動機(jī)三相繞組輪流通電時所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖6b所示。
如若晶體管的導(dǎo)通時間提前或滯后，則均將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動值增加，平均值減小。當(dāng)=30度時，電動機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩過零點(diǎn)，這就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某幾個時，電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零，電動機(jī)起動時會產(chǎn)點(diǎn)。當(dāng)≥30度后，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時值將出現(xiàn)負(fù)值，則總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此，在三相半控的情況下，特別是在起動時，不宜大于30度，而在直流無刷電動機(jī)正常運(yùn)行時，總是盡力把角調(diào)整到0度，使電動機(jī)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩zui大。當(dāng)=0度時，可以求得輸出轉(zhuǎn)矩的平均值：
光電開關(guān)原理及應(yīng)用電動機(jī)在電動轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動后，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動勢，當(dāng)其轉(zhuǎn)速n不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相位一致。在本電中，每相繞組在一個周期中只通電，因此僅在這期間對外加電壓起作用。所以對外加電壓而言，感生電動勢波形如圖7所示。
同理可按下式求得感生電動勢的平均值：
從的平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動勢，便可求得直流無刷電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時的電壓平衡方程式，為此首先定義反電動勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)：
對于某個具體的電動機(jī)，它們?yōu)椤．?dāng)然，其大小同主回的接法以及功率晶體管的換相方式有關(guān)。
直流無刷電動機(jī)三相半控橋的電壓平衡方程組為：
其中，，，將其代入上式整理后，可得其機(jī)械特性方程為
式中n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；
常見的三相半控電如圖8所示，圖中LA、LB、LC為電動機(jī)定子A、B、C三相繞組，VF1、VF2、VF3為三只MOSFET功率管，主要起開關(guān)作用。H1、H2、H3為來自轉(zhuǎn)子傳感器的信號。如前所述，在三相半控電中，要求傳感器的輸出信號1/3周期為高電平，2/3周期為低電平，并要求各傳感器信號之間的相位也是1/3周期。
和一般電動機(jī)一樣，在電動機(jī)起動時，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電動勢很小，因而可能產(chǎn)生過大電流I。為此，通常需要附加限流電，圖9為常見的一種，圖中的電壓比較器，主要用來主回電流，當(dāng)通過電動機(jī)繞組的電流I在電阻Rf上的壓降IRf大于某給定電壓U0時，比較器輸出低電平，同時關(guān)斷了VF1、VF2、VF3三只功率場效應(yīng)晶體管，即切斷了主電。當(dāng)IRf《U0時，比較器不起任何作用。當(dāng)IRf 三相半控電結(jié)構(gòu)簡單，但電動機(jī)本體的利用率很低，每個繞組只通電1/3周期，沒有得到充分的利用，而且在運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩波動較大。在要求較高的場合，一般均采用如圖10所示的三相全控電。三相全控電有兩兩換相和三三換相兩種方式
在該電中，電動機(jī)的三相繞組為Y聯(lián)結(jié)。如采用兩兩通電方式，當(dāng)電流從功率管VF1和VF2導(dǎo)通時，電流從VF1流入A相繞組，再從C相繞組經(jīng)VF2流回到電源。如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，他們合成的轉(zhuǎn)矩大小為，方向在Ta和-Tc角平分線上。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)過60度后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電。這時，電流從VF3流入B相繞組，再從C相繞組流出經(jīng)VF2回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩大小同樣為。但合成轉(zhuǎn)矩T的方向轉(zhuǎn)過了60度電角度。而后每次換相一個功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60度電角度。所以，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電兩兩換相方式，合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60度電角度換相一次，每個功率管通電120度，每個繞組通電240度，其向通電和反向通電各120度。其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示。從圖中可以看出，三相全控室的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時小，從0.87Tm到Tm。
三三通電方式，這種通電的順序?yàn)?/span>VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。當(dāng)VF6VF1VF2導(dǎo)通時，電流從VF1管流入A相繞組，經(jīng)B和C相繞組分別從VF6和VF2流出。經(jīng)過60度電角度后，換相到VF1VF2VF3通電，這時電流分別從VF1和VF3流入，經(jīng)A和B相繞組再流入C相繞組，經(jīng)VF2流出。在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔60度換相一次，每次有一個功率管換相，每個功率管通電180度。合成轉(zhuǎn)矩為1.5Ta.
兩兩通電方式的通電順序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2，當(dāng)VF1VF2導(dǎo)通時，電流從VF1流入，分別通過A相繞組和B、C兩相繞組，再從VF2流出。這時繞組的聯(lián)結(jié)是B、C兩相繞組后再通A相繞組并聯(lián)，如果假定流過A相繞組的電流為I，則流過B、C相繞組的電流分別為I/2。這里的合成轉(zhuǎn)矩為A相轉(zhuǎn)矩的1.5倍。
三三通電方式的順序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3，當(dāng)VF6VF1VF2通電時，電流從VF1管流入，同時經(jīng)A和B相繞組，再分別從VF6和VF2管流出，C相繞組則沒有電流通過，這時相當(dāng)于A、B兩相繞組并聯(lián)。這時相當(dāng)于A、B兩繞組并聯(lián)，合成轉(zhuǎn)矩為A相轉(zhuǎn)矩的倍。
直流無刷電動機(jī)的微機(jī)控制
圖12示出采用8751單片機(jī)來控制直流無刷電動機(jī)的原理框圖。8751的P1口同7406反相器聯(lián)結(jié)控制直流無刷電動機(jī)的換相，P2口用于測量來自于傳感器的信號H1、H2、H3，P0口外接一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
根據(jù)定子繞組的換相方式，首先找出三個轉(zhuǎn)子磁鋼傳感器信號H1、H2、H3的狀態(tài)，與6只功率管之間的關(guān)系，以表格形式放在單片機(jī)的EEPROM中。8751根據(jù)來自H1、H2、H3的狀態(tài)，可以找到相對應(yīng)的導(dǎo)通的功率管，并通過P1口送出，即可實(shí)現(xiàn)直流無刷電動機(jī)的換相。
在直流無刷電動機(jī)正常運(yùn)行的過程中，只要通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0，就可控制直流無刷電動機(jī)的電流，進(jìn)而控制電動機(jī)的電流。即8751單片機(jī)通過傳感器信號的周期，計算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并把它同給定轉(zhuǎn)速比較，如高于給定轉(zhuǎn)速，則減小P2口的輸出數(shù)值，降低電動機(jī)電流，達(dá)到降低其轉(zhuǎn)速的目的。反之，則增大P2口的輸出數(shù)值，進(jìn)而增大電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)直流無刷電動機(jī)處于起動狀態(tài)或在調(diào)整過程中，采用直流無刷電動機(jī)的運(yùn)行模式，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)相應(yīng)的快速性，一旦電動機(jī)的轉(zhuǎn)速到了給定值附近，馬上把它轉(zhuǎn)入同步電動機(jī)運(yùn)行模式，以其穩(wěn)速精度。這時計算機(jī)只需要按一定頻率控制電動機(jī)的換相，與此同時，計算機(jī)在通過傳感器的信號周期，來測量其轉(zhuǎn)速大小，并判斷它是否跌出同步。一旦失布，則馬上轉(zhuǎn)到直流無刷電動機(jī)運(yùn)行，并重新將其拉入同步。
| 
