序言
由于直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、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(wú)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(guó)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(lái)，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(guó)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(lèi)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(duì)的機(jī)械摩擦，由此帶來(lái)了噪聲、火化、無(wú)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(dòng)機(jī)。
光電開(kāi)關(guān)原理及應(yīng)用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)工作原理與控制方法，針對(duì)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(kāi)始研制以電子換向代替電刷機(jī)械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過(guò)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(lái)，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(wèn)世，均為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了的基礎(chǔ)。
三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的基本組成
直流無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、傳感器和電子開(kāi)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(duì)數(shù)(2p=2，4，…)組成。圖1所示為三相兩極直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)，
當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線，從而使定子各項(xiàng)繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子的變化而按一定的次序換相。由于電子開(kāi)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(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(lái)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(lái)判斷轉(zhuǎn)子磁極的。
圖2所示的轉(zhuǎn)子和圖3a)所示的相對(duì)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3b)所示的時(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(kāi)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3c)所示的時(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?lè)较蛐D(zhuǎn)并回到圖3a)的。
這樣，隨著傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)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(dòng)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(dòng)勢(shì)。顯然，繞組電流與轉(zhuǎn)子的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過(guò)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)生的轉(zhuǎn)過(guò)了120度，如圖3b)所示，電動(dòng)機(jī)定子繼續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(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)生的又轉(zhuǎn)過(guò)了120度電角度，如圖3c)所示；它繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。傳感器種類(lèi)較多，且各具特點(diǎn)。在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中常見(jiàn)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，用得較多的是開(kāi)口變壓器。用于三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的開(kāi)口變壓器由定子和轉(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。轉(zhuǎn)子是一個(gè)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(shí)將它與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)，其對(duì)應(yīng)于某一磁極。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過(guò)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(wú)耦合回同一次繞組相聯(lián)，其電壓基本為零。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(kāi)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(kāi)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(shí)，扇形導(dǎo)磁片的個(gè)數(shù)應(yīng)同直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)相等。
接近開(kāi)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(shí)，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(kāi)電感元件L時(shí)，電的Q值開(kāi)始上升，電又重新起振，輸出高頻調(diào)制信號(hào)，經(jīng)二極管檢波后，取出有用控制信號(hào)，去控制邏輯開(kāi)關(guān)電，以電動(dòng)機(jī)正確換向。
它對(duì)外負(fù)載講，所得的電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為零。但在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)三相半控電的工作情況下，每相繞組中通過(guò)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(kāi)始通電時(shí)的轉(zhuǎn)子相對(duì)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(shí)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(dòng)脈動(dòng)zui小，平均值較大。習(xí)慣上把這一點(diǎn)選作晶體管開(kāi)始導(dǎo)通的基準(zhǔn)點(diǎn)，定為。在=0度的情況下，電動(dòng)機(jī)三相繞組輪流通電時(shí)所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖6b所示。
如若晶體管的導(dǎo)通時(shí)間提前或滯后，則均將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)值增加，平均值減小。當(dāng)=30度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩過(guò)零點(diǎn)，這就是說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某幾個(gè)時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)點(diǎn)。當(dāng)≥30度后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)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(dòng)時(shí)，不宜大于30度，而在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，總是盡力把角調(diào)整到0度，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩zui大。當(dāng)=0度時(shí)，可以求得輸出轉(zhuǎn)矩的平均值：
光電開(kāi)關(guān)原理及應(yīng)用電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)勢(shì)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速n不變時(shí)，該電動(dòng)勢(shì)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(gè)周期中只通電，因此僅在這期間對(duì)外加電壓起作用。所以對(duì)外加電壓而言，感生電動(dòng)勢(shì)波形如圖7所示。
同理可按下式求得感生電動(dòng)勢(shì)的平均值：
從的平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動(dòng)勢(shì)，便可求得直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓平衡方程式，為此首先定義反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)：
對(duì)于某個(gè)具體的電動(dòng)機(jī)，它們?yōu)?。?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(wú)刷電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；
常見(jiàn)的三相半控電如圖8所示，圖中LA、LB、LC為電動(dòng)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(kāi)關(guān)作用。H1、H2、H3為來(lái)自轉(zhuǎn)子傳感器的信號(hào)。如前所述，在三相半控電中，要求傳感器的輸出信號(hào)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(hào)之間的相位也是1/3周期。
和一般電動(dòng)機(jī)一樣，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，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(dòng)勢(shì)很小，因而可能產(chǎn)生過(guò)大電流I。為此，通常需要附加限流電，圖9為常見(jiàn)的一種，圖中的電壓比較器，主要用來(lái)主回電流，當(dāng)通過(guò)電動(dòng)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(shí)，比較器輸出低電平，同時(shí)關(guān)斷了VF1、VF2、VF3三只功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即切斷了主電。當(dāng)IRf《U0時(shí)，比較器不起任何作用。當(dāng)IRf 三相半控電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低，每個(gè)繞組只通電1/3周期，沒(méi)有得到充分的利用，而且在運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。在要求較高的場(chǎng)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(dòng)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(shí)，電流從VF1流入A相繞組，再?gòu)?/span>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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60度后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電。這時(shí)，電流從VF3流入B相繞組，再?gòu)?/span>C相繞組流出經(jīng)VF2回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩大小同樣為。但合成轉(zhuǎn)矩T的方向轉(zhuǎn)過(guò)了60度電角度。而后每次換相一個(gè)功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過(guò)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(gè)功率管通電120度，每個(gè)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(dòng)比三相半控時(shí)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(shí)，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(guò)60度電角度后，換相到VF1VF2VF3通電，這時(shí)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(gè)功率管通電。每隔60度換相一次，每次有一個(gè)功率管換相，每個(gè)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(shí)，電流從VF1流入，分別通過(guò)A相繞組和B、C兩相繞組，再?gòu)?/span>VF2流出。這時(shí)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(guò)A相繞組的電流為I，則流過(guò)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(shí)，電流從VF1管流入，同時(shí)經(jīng)A和B相繞組，再分別從VF6和VF2管流出，C相繞組則沒(méi)有電流通過(guò)，這時(shí)相當(dāng)于A、B兩相繞組并聯(lián)。這時(shí)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制
圖12示出采用8751單片機(jī)來(lái)控制直流無(wú)刷電動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相，P2口用于測(cè)量來(lái)自于傳感器的信號(hào)H1、H2、H3，P0口外接一個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)子磁鋼傳感器信號(hào)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(lái)自H1、H2、H3的狀態(tài)，可以找到相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通的功率管，并通過(guò)P1口送出，即可實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相。
在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的過(guò)程中，只要通過(guò)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0，就可控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電流，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的電流。即8751單片機(jī)通過(guò)傳感器信號(hào)的周期，計(jì)算出電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)狀態(tài)或在調(diào)整過(guò)程中，采用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)相應(yīng)的快速性，一旦電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到了給定值附近，馬上把它轉(zhuǎn)入同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式，以其穩(wěn)速精度。這時(shí)計(jì)算機(jī)只需要按一定頻率控制電動(dòng)機(jī)的換相，與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)在通過(guò)傳感器的信號(hào)周期，來(lái)測(cè)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并重新將其拉入同步。
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