直流無(wú)刷電動(dòng)機工作原理與控制方法

序言

　　由于直流無(wú)刷電動(dòng)機既具有交流電動(dòng)機的結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機的運行效率高、無(wú)勵磁損耗以及調速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在當今國民經(jīng)濟各領(lǐng)域應用日益普及。

　　一個(gè)多世紀以來(lái)，電動(dòng)機作為機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個(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、異步電動(dòng)機和直流電動(dòng)機三種。由于傳統的直流電動(dòng)機均采用電刷以機械方法進(jìn)行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來(lái)了噪聲、火化、無(wú)線(xiàn)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用范圍，致使目前工農業(yè)生產(chǎn)上大多數均采用三相異步電動(dòng)機。

　　針對上述傳統直流電動(dòng)機的弊病，早在上世紀30年代就有人開(kāi)始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機。經(jīng)過(guò)了幾十年的努力，直至上世紀60年代初終于實(shí)現了這一愿望。上世紀70年代以來(lái)，隨著(zhù)電力電子工業(yè)的飛速發(fā)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(wèn)世，均為直流無(wú)刷電動(dòng)機的廣泛應用奠定了堅實(shí)的基礎。

三相直流無(wú)刷電動(dòng)機的基本組成
　　直流無(wú)刷永磁電動(dòng)機主要由電動(dòng)機本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)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(wú)刷電機結構，

圖1 三相兩極直流無(wú)刷電機組成
　　三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路中相應的功率開(kāi)關(guān)器件聯(lián)結，A、B、C相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉子與電動(dòng)機轉軸相聯(lián)結。
　　當定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉矩，驅動(dòng)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(kāi)關(guān)線(xiàn)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(kāi)關(guān)線(xiàn)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(wú)刷電動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)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(dòng)機一端。借助安裝在電動(dòng)機軸上的旋轉遮光板的作用，使從光源射來(lái)的光線(xiàn)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(xiàn)來(lái)判斷轉子磁極的位置。

圖3 開(kāi)關(guān)順序及定子磁場(chǎng)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(shí)廣電器件VP1被光照射，從而使功率晶體V1呈導通狀態(tài)，電流流入繞組A-A’，該繞組電流同轉子磁極作用后所產(chǎn)生的轉矩使轉子的磁極按圖3中箭頭方向轉動(dòng)。當轉子磁極轉到圖3 b）所示的位置時(shí)，直接裝在轉子軸上的旋轉遮光板亦跟著(zhù)同步轉動(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導通，電流從繞組A-A’斷開(kāi)而流入繞組B-B’，使得轉子磁極繼續朝箭頭方向轉動(dòng)。當轉子磁極轉到圖3 c）所示的位置時(shí)，此時(shí)旋轉遮光板已經(jīng)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(dòng)轉子磁極繼續朝順時(shí)針?lè )较蛐D并回到圖3 a）的位置。
　　這樣，隨著(zhù)位置傳感器轉子扇形片的轉動(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所形成的旋轉磁場(chǎng)是跳躍式的。這種旋轉磁場(chǎng)在360度電角度范圍內有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續120度電角度。各相繞組電流與電動(dòng)機轉子磁場(chǎng)的相互關(guān)系如圖3所示。圖3a）為第一種狀態(tài)，Fa為繞組A-A’通電后所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢。顯然，繞組電流與轉子磁場(chǎng)的相互作用，使轉子沿順時(shí)針?lè )较蛐D；轉過(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(niǎo)-B’隨之通電，即定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)轉過(guò)了120度，如圖3 b）所示，電動(dòng)機定子繼續沿順時(shí)針?lè )较蛐D；再轉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(chǎng)又轉過(guò)了120度電角度，如圖3 c）所示；它繼續驅動(dòng)轉子沿順時(shí)針?lè )较蜣D過(guò)120度電角度后就恢復到初始狀態(tài)。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(wú)刷電動(dòng)機中起著(zhù)測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)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(lèi)較多，且各具特點(diǎn)。在直流無(wú)刷電動(dòng)機中常見(jiàn)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(wú)刷電動(dòng)機中，用得較多的是開(kāi)口變壓器。用于三相直流無(wú)刷電動(dòng)機的開(kāi)口變壓器由定子和跟蹤轉子兩部分組成。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。跟蹤轉子是一個(gè)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(shí)將它與電動(dòng)機轉軸相聯(lián)，其位置對應于某一磁極。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過(guò)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(chǎn)生感應電壓，而另外兩相二次繞組由于無(wú)耦合回路同一次繞組相聯(lián)，其感應電壓基本為零。隨著(zhù)電動(dòng)機轉子的轉動(dòng)，扇形片也跟著(zhù)旋轉，使之離開(kāi)當前耦合一次繞組而向下一個(gè)一次繞組靠近。就這樣，隨著(zhù)電動(dòng)機轉子運動(dòng)，在開(kāi)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(shí)，扇形導磁片的個(gè)數應同直流無(wú)刷電動(dòng)機的極對數相等。
　　接近開(kāi)關(guān)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(shí)，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(kāi)電感元件L時(shí)，電路的Q值開(kāi)始上升，電路又重新起振，輸出高頻調制信號，經(jīng)二極管檢波后，取出有用控制信號，去控制邏輯開(kāi)關(guān)電路，以保證電動(dòng)機正確換向。
　　光電式位置傳感器前面已經(jīng)講過(guò)，是利用光電效應制成的，由跟隨電動(dòng)機轉子一起旋轉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按一定規律隨周?chē)艌?chǎng)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(jiàn)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。