華滿香

HUA Man-xiang

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001）

0 引言

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。直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。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、火花、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)，從而大大限制了它的應(yīng)用范圍，使用場(chǎng)合也受到限制。針對(duì)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)70年代，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，無(wú)刷直流電機(jī)也相繼產(chǎn)生了，近幾年無(wú)刷直流電機(jī)在數(shù)碼照相機(jī)、攝影機(jī)、打印機(jī)、手機(jī)以及汽車(chē)空調(diào)、洗衣機(jī)、電動(dòng)車(chē)等等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

1.1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。它主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路三部分組成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒(méi)有籠型繞組和其他起動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相(例如三相、四相、五相等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鐵按一定極對(duì)數(shù)(P＝2，4，…)組成。如圖1中的同步電動(dòng)機(jī)是三相兩極永磁式。在圖中A相、B相、C相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管V1、V2、v3相接，位置傳感器與電動(dòng)機(jī)軸相連接。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和一般直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上不同之處在于：直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的永久磁鐵磁極是裝在轉(zhuǎn)子上，而直流電動(dòng)機(jī)(永磁式)的永久磁鐵磁極是裝在定子上。

圖1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)工作原理

圖1中，在電子開(kāi)關(guān)作用下，定子繞組的某一相通電，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)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)子位置變換成電信號(hào)去控制電子開(kāi)關(guān)，從而使定子各相繞組組按—定順序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置變化也依次換相。由于電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，故起到機(jī)械換相器的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上看，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可認(rèn)為是一臺(tái)永磁式同步電動(dòng)機(jī)、電子開(kāi)關(guān)電路和位置傳感器三者組成的“電動(dòng)式系統(tǒng)”，其原理框圖如圖2所示。

圖2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的原理框圖

2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制

圖3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單片機(jī)有四個(gè)獨(dú)立控制口，現(xiàn)將其中的P1口置成輸出口，同7406反向門(mén)電路連接控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相；P2口置成輸人口，用于測(cè)量來(lái)自轉(zhuǎn)子永久磁鐵位置傳感器的信號(hào)H1、H2、H3；Po口作為輸出口，外接一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器。如圖3所示，單片機(jī)8751控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖。

圖3 單片機(jī)8751控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖

2.1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)換相的控制

根據(jù)定子繞組的換相方式(如采用三二換相或是兩兩換相等)，首先找出三個(gè)轉(zhuǎn)子永久磁鐵位置傳感器信號(hào)H1、H2、H3的狀態(tài)與六只功率管導(dǎo)通之間的關(guān)系，以表格形式存放在單片機(jī)的EPROM中。表1示出了三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)采用兩兩換相方式時(shí)位置傳感器輸出狀態(tài)同主回路功率管導(dǎo)通之間的對(duì)應(yīng)表。這樣一來(lái)，8751單片機(jī)只需根據(jù)來(lái)自P2口的H1、H2、H3的狀態(tài)，從表1中查得相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通管，并通過(guò)在P1口送出相應(yīng)的控制字，就可控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相。

2.2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的限制

從圖3可知，主回路中通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流最終經(jīng)過(guò)電阻R13接地。因此，Uf＝R13IM，其大小正比于電動(dòng)機(jī)的電流IM。而Uf同D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U。分別送到LM324運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端，一旦反饋電壓Uf大于來(lái)自D／A轉(zhuǎn)換器的給定信號(hào)U。，則LM324運(yùn)算放大器輸出為低電子，使得主回路中三只功率管V4、V6和V2無(wú)法導(dǎo)通，從而截?cái)嗔酥绷鳠o(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子繞組的所有電流通路，迫使電動(dòng)機(jī)電流下降，一旦電流下降到使Uf小于Uo，則LM324運(yùn)算放大器的輸出回到高電平。主回路的V4、V6和V2又具備導(dǎo)通的能力，其具體通電的次序由P1口控制，于是起到了限制電流的作用。

表1 換相表（正轉(zhuǎn)）

2.3 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

上面所述的限流的大小為IM＝U0/ I13，因此，在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的過(guò)程中，只要控制D / A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)的轉(zhuǎn)速。也就是說(shuō)，8751單片機(jī)可通過(guò)來(lái)自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)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，則減少P2口的輸出數(shù)值，降低電動(dòng)機(jī)的電流，以達(dá)到降低其轉(zhuǎn)速的目的，反之，如果測(cè)得的轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速，則增加P2口的輸出數(shù)值， 進(jìn)而加大電動(dòng)機(jī)的電流，從而提高其轉(zhuǎn)速。至于采用何種控制方式，可通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4 PWM控制的實(shí)現(xiàn)

上述的轉(zhuǎn)速控制也可通過(guò)PWM方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。如將圖3中的7406反相器中的一部分用一個(gè)74LS33或非門(mén)來(lái)代替，并省去了由P2口控制的A/ D轉(zhuǎn)換器，如圖4所示。由圖4可知，74LS33或非門(mén)的一個(gè)輸入端由P2口中的一位P21控制，當(dāng)P2口中的P21輸出為高電平時(shí)，則主電路中的V2、V4和V6被封死。當(dāng)P21輸出為低電平時(shí)，則主回路中的六只功率管仍然受P1口控制進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的正常換相，因此，只需對(duì)P21的輸出進(jìn)行PWM控制，就可以控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由此可以看出，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制電路中引入了單片機(jī)后，就可以很方便地進(jìn)行換相控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖4 實(shí)現(xiàn)PWM控制的原理圖

2.5 正反轉(zhuǎn)的控制

在一般直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，改變磁場(chǎng)方向或改變電樞電壓的極性，均可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。但這些方法在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中行不通，因?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁通由永久磁鐵產(chǎn)生，無(wú)法改變方向，又由于半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦?，電源電壓反接很不方便。因此在這種情況下，一般都通過(guò)控制定子繞組的換相次序來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。具體做法是只需要根據(jù)換相控制表如表2所示進(jìn)行控制。這樣，單片機(jī)采用表1來(lái)控制換相，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，而按表2來(lái)控制換相，則電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)，非常方便。

表2 換相表（反轉(zhuǎn)）

3 結(jié)束語(yǔ)

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、維護(hù)方便等特點(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)，而本控制系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，硬件簡(jiǎn)單且工作可靠，利用單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及限制起動(dòng)電流又非常方便，因此該系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。

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