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一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。由于傳統的直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它的應用范圍，致使目前工農業生產上大多數均采用三相異步電動機。 針對上述傳統直流電動機的弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機。經過了幾十年的努力，直至上世紀60年代初終于實現了這一愿望。上世紀70年代以來，隨著電力電子工業的飛速發展，許多高性能半導體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現，以及高性能永磁材料的問世，均為直流無刷電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎。 由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點，故在當今國民經濟各領域應用日益普及。 三相直流無刷電動機的基本組成 直流無刷永磁電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉子由永久磁鋼按一定極對數（2p=2,4,…）組成。圖1所示為三相兩極直流無刷電機結構， 圖1 三相兩極直流無刷電機組成 三相定子繞組分別與電子開關線路中相應的功率開關器件聯結，A、B、C相繞組分別與功率開關管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉子與電動機轉軸相聯結。 當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各項繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。 圖2為三相直流無刷電動機半控橋電路原理圖。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構成功率邏輯單元。 圖2 三相直流無刷電動機 三只光電器件VP1、VP2和VP3的安裝位置各相差120度，均勻分布在電動機一端。借助安裝在電動機軸上的旋轉遮光板的作用，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子磁極的位置。 圖3 開關順序及定子磁場旋轉示意圖 圖2所示的轉子位置和圖3 a）所示的位置相對應。由于此時廣電器件VP1被光照射，從而使功率晶體V1呈導通狀態，電流流入繞組A-A’，該繞組電流同轉子磁極作用后所產生的轉矩使轉子的磁極按圖3中箭頭方向轉動。當轉子磁極轉到圖3 b）所示的位置時，直接裝在轉子軸上的旋轉遮光板亦跟著同步轉動，并遮住VP1而使VP2受光照射，從而使晶體管V1截至，晶體管V2導通，電流從繞組A-A’斷開而流入繞組B-B’，使得轉子磁極繼續朝箭頭方向轉動。當轉子磁極轉到圖3 c）所示的位置時，此時旋轉遮光板已經遮住VP2，使VP3被光照射，導致晶體管V2截至、晶體管V3導通，因而電流流入繞組C-C’，于是驅動轉子磁極繼續朝順時針方向旋轉并回到圖3 a）的位置。 這樣，隨著位置傳感器轉子扇形片的轉動，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，實現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所形成的旋轉磁場是跳躍式的。這種旋轉磁場在360度電角度范圍內有三種磁狀態，每種磁狀態持續120度電角度。各相繞組電流與電動機轉子磁場的相互關系如圖3所示。圖3a）為第一種狀態，Fa為繞組A-A’通電后所產生的磁動勢。顯然，繞組電流與轉子磁場的相互作用，使轉子沿順時針方向旋轉；轉過120度電角度后，便進入第二狀態，這時繞組A-A’斷電，而B-B’隨之通電，即定子繞組所產生的磁場轉過了120度，如圖3 b）所示，電動機定子繼續沿順時針方向旋轉；再轉120度電角度，便進入第三狀態，這時繞組B-B’斷電，C-C’通電，定子繞組所產生的磁場又轉過了120度電角度，如圖3 c）所示；它繼續驅動轉子沿順時針方向轉過120度電角度后就恢復到初始狀態。圖4示出了各相繞組的導通順序的示意圖。 圖4 各相繞組的導通示意圖 位置傳感器 位置傳感器在直流無刷電動機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，即將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號，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。在直流無刷電動機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機中，用得較多的是開口變壓器。用于三相直流無刷電動機的開口變壓器由定子和跟蹤轉子兩部分組成。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，并相互串聯后通以高頻電源，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。跟蹤轉子是一個用非導磁材料做成的圓柱體，并在它上面鑲一塊120度的扇形導磁材料。在安裝時將它與電動機轉軸相聯，其位置對應于某一磁極。一次繞組所產生的高頻磁通通過跟蹤轉子上的到此材料耦合到二次繞組上，故在二次繞組上產生感應電壓，而另外兩相二次繞組由于無耦合回路同一次繞組相聯，其感應電壓基本為零。隨著電動機轉子的轉動，扇形片也跟著旋轉，使之離開當前耦合一次繞組而向下一個一次繞組靠近。就這樣，隨著電動機轉子運動，在開口變壓器二次繞組上分別感應出電壓。扇形導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，扇形導磁片的角度為180度電角度。同時，扇形導磁片的個數應同直流無刷電動機的極對數相等。 接近開關式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉子兩部分組成，當扇形金屬轉子接近震 蕩回路電感L時，使該電路的Q值下降，導致電路正反饋不足而停振，故輸出為零。扇形金屬轉子離開電感元件L時，電路的Q值開始上升，電路又重新起振，輸出高頻調制信號，經二極管檢波后，取出有用控制信號，去控制邏輯開關電路，以保證電動機正確換向。 光電式位置傳感器前面已經講過，是利用光電效應制成的，由跟隨電動機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動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按一定規律隨周圍磁場變化的半導體敏感元件。其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。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。 研究結果表明，在半導體薄片上產生的霍爾電動勢E可用下式表示： 式中RH ——霍爾系數（ ）； IH——控制電流（A）； B——磁感應強度（T）； d——薄片厚度（m）； p——材料電阻率（Ω*s）； u——材料遷移率（ ）； 若在上式中各常數用KH表示，則有 E=KHIHB 霍爾元件產生的電動勢很低，直接應用很不方便，實際應用時采用霍爾集成電路。霍爾元件輸出電壓的極性隨磁場方向的變化而變化，直流無刷電動機的位置傳感器選用開關型霍爾集成電路。 磁阻效應是指元件的電阻值隨磁感應強度而變化，根據磁阻效應制成的傳感器叫磁阻電阻。 三相直流無刷電動機的運行特性 要十分精確地分析直流無刷電動機的運行特性，是很困難的。一般工程應用中均作如下假定： （1）電動機的氣隙磁感應強度沿氣隙按正弦分布。 （2）繞組通電時，該電流所產生的磁通對氣隙所產生的影響忽略不計。 （3）控制電路在開關狀態下工作，功率晶體管壓降 為恒值。 （4）各繞組對稱，其對應的電路完全一致，相應的電氣時間常數忽略不計。 （5）位置傳感器等控制電路的功耗忽略不計。 由于假設轉子磁鋼所產生的磁感應強度在電動機氣隙中是按正弦規律分布的，即B=BMsinθ 。這樣，如果定子某一相繞組中通一持續的直流電流，所產生的轉矩為 TM=ZDLBMrIsinθ 式中， ZD——每相繞組的有效導體數； L——繞組中導線的有效長度，即磁鋼長度； r——電動機中氣隙半徑； I——繞組相電流。 就是說某一相通以不變的直流后，它和轉子磁場作用所產生的轉矩也將隨轉子位置的不同而按正弦規律變化，如圖5所示。 圖5 在恒定電流下的單相轉矩 它對外負載講，所得的電動機的平均轉矩為零。但在直流無刷電動機三相半控電路的工作情況下，每相繞組中通過1/3周期的矩形波電流。該電流和轉子磁場作用所產生的轉矩也只是正弦轉矩曲線上相當于1/3周期的一段，且這一段曲線與繞組開始通電時的轉子相對位置有關。顯然在圖6 a所示的瞬間導通晶體管，則可產生最大的平均轉矩。因為在這種情況下，繞組通電120度的時間里，載流導體正好處在比較強的氣隙磁場中。所以它所產生的轉動脈動最小，平均值較大。習慣上把這一點選作晶體管開始導通的基準點，定為 。在 =0度的情況下，電動機三相繞組輪流通電時所產生的總轉矩如圖6b 所示。 圖6 三相直流無刷電動機半空橋轉矩 如若晶體管的導通時間提前或滯后，則均將導致轉矩的脈動值增加，平均值減小。當 =30度時，電動機的瞬時轉矩過零點，這就是說，當轉子轉到某幾個位置時，電動機產生的轉矩為零，電動機起動時會產生死點。當 ≥30度后，電動機轉矩的瞬時值將出現負值，則總輸出轉矩的平均值更小。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正常運行時，總是盡力把 角調整到0度，使電動機產生的平均轉矩最大。當 =0度時，可以求得輸出轉矩的平均值 ： 電動機在電動轉矩的作用下轉動后，旋轉的轉子磁場就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動勢，當其轉速n不變時，該電動勢波形也是正弦波，相位同轉矩相位一致。在本電路中，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。 圖7 三相直流無刷電動機半控電路的反電動勢 同理可按下式求得感生電動勢的平均值 ： 從上面的平均轉矩和平均反電動勢，便可求得直流無刷電動機穩定運行時的電壓平衡方程式，為此首先定義反電動勢系數和轉矩系數： 對于某個具體的電動機，它們為常數。當然，其大小同主回路的接法以及功率晶體管的換相方式有關。 直流無刷電動機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，可得其機械特性方程為 式中 n——電動機轉速（r/min ）； U——電源電壓（V）； △U—— 功率管管壓降（V）； Kc——電動勢系數； Ta——電動機產生的電動轉矩平均值（N?m）； KT——轉矩系數； R——電動機的內阻（Ω）。 在三相半控電路中，其轉矩的波動在TM 到TM/2 之間，這是直流無刷電動機不利的一面。 三相直流無刷電動機的應用 三相半控電路 常見的三相半控電路如圖8所示，圖中LA、LB、LC為電動機定子A、B、C三相繞組，VF1、VF2、VF3為三只MOSFET功率管，主要起開關作用。H1、H2、H3為來自轉子位置傳感器的信號。如前所述，在三相半控電路中，要求位置傳感器的輸出信號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。 圖8 三相半控橋電路 和一般電動機一樣，在電動機起動時，由于其轉速很低，故轉子磁通切割定子繞組所產生的反電動勢很小，因而可能產生過大電流I。為此，通常需要附加限流電路，圖9為常見的一種，圖中的電壓比較器，主要用來限制主回路電流，當通過電動機繞組的電流I在反鎖電阻Rf上的壓降IRf大于某給定電壓U0時，比較器輸出低電平，同時關斷了VF1、VF2、VF3 三只功率場效應晶體管，即切斷了主電路。當IRf《U0時，比較器不起任何作用。當IRf〈U0時，比較器輸出高電平，這時它不起任何作用。I0=U0/Rf 就是所要限制的電流最大值，其大小視具體要求而定。一般取額定電流的2倍左右。 圖9 起動電流的限制 三相Y聯結電路 三相半控電路結構簡單，但電動機本體的利用率很低，每個繞組只通電1/3周期，沒有得到充分的利用，而且在運行中轉矩波動較大。在要求較高的場合，一般均采用如圖10所示的三相全控電路。三相全控電路有兩兩換相和三三換相兩種方式 圖10 三相全控電路 在該電路中，電動機的三相繞組為Y聯結。如采用兩兩通電方式，當電流從功率管VF1和VF2導通時，電流從VF1流入A相繞組，再從C相繞組經VF2流回到電源。如果認定流入繞組的電流所產生的轉矩為正，那么從繞組所產生的轉矩為負，他們合成的轉矩大小為 ，方向在Ta和-Tc角平分線上。當電動機轉過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VF2回到電源，此時合成的轉矩大小同樣為 。但合成轉矩T的方向轉過了60度電角度。而后每次換相一個功率管，合成轉矩矢量方向就隨著轉過60度電角度。所以，采用三相Y聯結全控電路兩兩換相方式，合成轉矩增加了 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，其中正向通電和反向通電各120度。其輸出轉矩波形如圖11所示。從圖中可以看出，三相全控室的轉矩波動比三相半控時小，從0.87Tm到Tm 。 圖11 全控橋輸出波形圖 三三通電方式，這種通電的順序為VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。當VF6VF1VF2導通時，電流從VF1管流入A相繞組，經B和C相繞組分別從VF6和VF2流出。經過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A和B相繞組再流入C相繞組，經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。合成轉矩為1.5Ta. 三相Δ聯結電路也可以分為兩兩通電和三三通電兩種控制方式。 兩兩通電方式的通電順序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2，當VF1VF2導通時，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。這時繞組的聯結是B、C兩相繞組串聯后再通A相繞組并聯，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。這里的合成轉矩為A相轉矩的1.5倍。 三三通電方式的順序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3，當VF6VF1VF2通電時，電流從VF1管流入，同時經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，這時相當于A、B兩相繞組并聯。這時相當于A、B兩繞組并聯，合成轉矩為A相轉矩的 倍。 直流無刷電動機的微機控制 圖12示出采用8751單片機來控制直流無刷電動機的原理框圖。8751的P1口同7406反相器聯結控制直流無刷電動機的換相，P2口用于測量來自于位置傳感器的信號H1、H2、H3，P0口外接一個數模轉換器。 圖12 直流無刷電動機計算機控制原理圖 換相的控制 根據定子繞組的換相方式，首先找出三個轉子磁鋼位置傳感器信號H1、H2、H3的狀態，與6只功率管之間的關系，以表格形式放在單片機的EEPROM中。8751根據來自H1、H2、H3的狀態，可以找到相對應的導通的功率管，并通過P1口送出，即可實現直流無刷電動機的換相。 起動電流的限制 主回路中串入電阻R13，因此Uf=R13*IM，其大小正比于電動機的電流IM。而Uf和數模轉換器的輸出電壓U0分別送到LM324運算放大器的兩個輸入端，一但反饋電壓大于Uf大于來自數模轉換的給定信號U0，則LM324輸出低電平，使主回路中3只功率管VF4、VF6、VF2不能導通，從而截斷直流無刷電動機定子繞組的所有電流通路，迫使電動機電流下降，一旦電流下降到使Uf小于U0，則LM324輸出回到高電平。主回路又具備導通能力，起到了限制電流的作用。 轉速的控制 在直流無刷電動機正常運行的過程中，只要通過控制數模轉換器的輸出電壓U0，就可控制直流無刷電動機的電流，進而控制電動機的電流。即8751單片機通過傳感器信號的周期，計算出電動機的轉速，并把它同給定轉速比較，如高于給定轉速，則減小P2口的輸出數值，降低電動機電流，達到降低其轉速的目的。反之，則增大P2口的輸出數值，進而增大電動機的轉速。 PWM控制的實現 轉速控制也可以通過PWM方式來實現。圖13和圖14為PWM控制實現直流無刷電動機轉速的控制。 圖13 PWM控制原理圖 圖14 PWM控制原理圖 直流無刷電動機的正轉反轉，通過改變換相次序來改變其轉動方向。具體做法只需要更換一下換相控制表。 變結構控制的實現 當直流無刷電動機處于起動狀態或在調整過程中，采用直流無刷電動機的運行模式，以實現動態相應的快速性，一旦電動機的轉速到了給定值附近，馬上把它轉入同步電動機運行模式，以保證其穩速精度。這時計算機只需要按一定頻率控制電動機的換相，與此同時，計算機在通過位置傳感器的信號周期，來測量其轉速大小，并判斷它是否跌出同步。一旦失布，則馬上轉到直流無刷電動機運行，并重新將其拉入同步。 圖15 直流無刷電動機的變結構控制 |
