直流無刷電動(dòng)機(jī)工作原理與控制方法

序言

　　由于直流無刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)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(gè)多世紀(jì)以來，電動(dòng)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(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)三種。由于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)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)，從而大大限制了它的應(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(dòng)機(jī)。

　　針對上述傳統(tǒng)直流電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的基本組成
　　直流無刷永磁電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(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)，

圖1 三相兩極直流無刷電機(jī)組成
　　三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A、B、C相繞組分別與功率開關(guān)管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)。
　　當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各項(xiàng)繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(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。
　　圖2為三相直流無刷電動(dòng)機(jī)半控橋電路原理圖。此處采用光電器件作為位置傳感器，以三只功率晶體管V1、V2和V3構(gòu)成功率邏輯單元。

圖2 三相直流無刷電動(dòng)機(jī)
　　三只光電器件VP1、VP2和VP3的安裝位置各相差120度，均勻分布在電動(dòng)機(jī)一端。借助安裝在電動(dòng)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(gè)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)子磁極的位置。

圖3 開關(guān)順序及定子磁場旋轉(zhuǎn)示意圖
　　圖2所示的轉(zhuǎn)子位置和圖3 a）所示的位置相對應(yīng)。由于此時(shí)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(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 b）所示的位置時(shí)，直接裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板亦跟著同步轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 c）所示的位置時(shí)，此時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)并回到圖3 a）的位置。
　　這樣，隨著位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動(dòng)，定子繞組在位置傳感器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)磁場是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)磁場在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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的相互關(guān)系如圖3所示。圖3a）為第一種狀態(tài)，F(xiàn)a為繞組A-A’通電后所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢。顯然，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)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(shí)繞組A-A’斷電，而B-B’隨之通電，即定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了120度，如圖3 b）所示，電動(dòng)機(jī)定子繼續(xù)沿順時(shí)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(shí)繞組B-B’斷電，C-C’通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場又轉(zhuǎn)過了120度電角度，如圖3 c）所示；它繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)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。

圖4 各相繞組的導(dǎo)通示意圖
位置傳感器
　　位置傳感器在直流無刷電動(dòng)機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器種類較多，且各具特點(diǎn)。在直流無刷電動(dòng)機(jī)中常見的位置傳感器有以下幾種：電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置接近傳感器。
　　電磁式位置傳感器在直流無刷電動(dòng)機(jī)中，用得較多的是開口變壓器。用于三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的開口變壓器由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子一般有六個(gè)極，它們之間的間隔分別為60度，其中三個(gè)極上繞一次繞組，并相互串聯(lián)后通以高頻電源，另外三個(gè)極分別繞上二次繞組WA、WB、WC。它們之間分別相隔120度。跟蹤轉(zhuǎn)子是一個(gè)用非導(dǎo)磁材料做成的圓柱體，并在它上面鑲一塊120度的扇形導(dǎo)磁材料。在安裝時(shí)將它與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)，其位置對應(yīng)于某一磁極。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過跟蹤轉(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)生感應(yīng)電壓，而另外兩相二次繞組由于無耦合回路同一次繞組相聯(lián)，其感應(yīng)電壓基本為零。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)一次繞組靠近。就這樣，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，在開口變壓器二次繞組上分別感應(yīng)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。在三相全控電路中，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(shí)，扇形導(dǎo)磁片的個(gè)數(shù)應(yīng)同直流無刷電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)相等。
　　接近開關(guān)式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉(zhuǎn)子兩部分組成，當(dāng)扇形金屬轉(zhuǎn)子接近震 蕩回路電感L時(shí)，使該電路的Q值下降，導(dǎo)致電路正反饋不足而停振，故輸出為零。扇形金屬轉(zhuǎn)子離開電感元件L時(shí)，電路的Q值開始上升，電路又重新起振，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)電路，以保證電動(dòng)機(jī)正確換向。
　　光電式位置傳感器前面已經(jīng)講過，是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。
　　磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化的半導(dǎo)體敏感元件。其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。