楊 軒，楊 凡，成俊康，陳 晨

（1.西安地區(qū)第一軍事代表室，陜西 西安 710025；2.西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所，陜西 西安 710025）

0 引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是隨著半導(dǎo)體電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化電機(jī)，是現(xiàn)代電子技術(shù)、控制理論和電機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成[2]，由于運(yùn)行原理需要，還需要位置傳感器，位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線和定子相繞組軸線的相對(duì)位置，進(jìn)而將信號(hào)傳遞給控制器，控制器依據(jù)此信號(hào)決定當(dāng)下時(shí)刻相繞組的通電狀態(tài)[3-5]，相繞組通電后，產(chǎn)生磁場(chǎng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

1 問(wèn)題描述

通常，電機(jī)需求方會(huì)指定電機(jī)轉(zhuǎn)向以及電機(jī)在指定轉(zhuǎn)向時(shí)對(duì)應(yīng)的相繞組電流流向和真值表，電機(jī)設(shè)計(jì)者按照需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣就能保證電機(jī)產(chǎn)品與配套控制器對(duì)接時(shí)輸出轉(zhuǎn)向符合要求。但現(xiàn)實(shí)中，往往會(huì)出現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)向與需求相反，這在很大程度上是因?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)者沒(méi)有將真值表、相繞組電流流向轉(zhuǎn)化為電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素，特別是電機(jī)需求方有時(shí)會(huì)要求電機(jī)引出線在輸出軸一端，或電機(jī)引出線在非出軸一端時(shí)，并且如果再將電機(jī)雙備份考慮進(jìn)去，情況會(huì)更加復(fù)雜，往往讓人費(fèi)解。因此，本文將從電機(jī)引出線位置出發(fā)，借助實(shí)例，探討電機(jī)轉(zhuǎn)向與三相布線、霍爾位置傳感器的關(guān)系，并引出電機(jī)在有雙備份要求時(shí)，如何梳理電機(jī)轉(zhuǎn)向與三相布線、霍爾位置傳感器的關(guān)系。

2 電機(jī)轉(zhuǎn)向與三相布線及霍爾位置傳感器的關(guān)系分析

首先分析電機(jī)需求方規(guī)定的電機(jī)轉(zhuǎn)向（本文中提到的轉(zhuǎn)向如果沒(méi)有說(shuō)明都是從輸出軸端看的方向）、相繞組電流流向、真值表的具體含義。舉例說(shuō)明，要求電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，真值表需求如表1所示。

表1 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)真值表

從表1中可以看出，霍爾傳感器總共輸出6組有效的狀態(tài)信號(hào)，每組狀態(tài)信號(hào)包含3個(gè)霍爾HallA、HallB、HallC的信號(hào)，控制器接收到某1組狀態(tài)信號(hào)，就會(huì)按照預(yù)先約定好的邏輯控制對(duì)應(yīng)相繞組的導(dǎo)通。例如，當(dāng)霍爾傳感器狀態(tài)信號(hào)為011時(shí)，控制器接收到此信號(hào)后，會(huì)開(kāi)通或關(guān)斷部分開(kāi)關(guān)管，使得C→A（CA）兩相繞組通電，電流從C相繞組起頭流入，從A相繞組流出。CA兩相繞組通電時(shí)，就會(huì)在電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子中永磁體會(huì)產(chǎn)生力的作用，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器會(huì)依次循環(huán)輸出6組狀態(tài)信號(hào)101→100→110→010→011→001，控制器也會(huì)依次循環(huán)接收到此信號(hào)，然后按照預(yù)先約定好的邏輯依次循環(huán)控制對(duì)應(yīng)相繞組AB→AC→BC→BA→CA→CB的導(dǎo)通，因此電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙間就會(huì)產(chǎn)生循環(huán)的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如果此時(shí)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向正好是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使得電機(jī)實(shí)際運(yùn)行方向與需求方向一致。

電機(jī)需求方規(guī)定的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向都以從輸出軸端看時(shí)為基準(zhǔn)，而電機(jī)三相布線的實(shí)際操作都以電機(jī)引出線為參考方向。因此，當(dāng)電機(jī)引出線與輸出軸端一致或者不一致時(shí)，電機(jī)設(shè)計(jì)者按照需求方規(guī)定的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行電機(jī)三相布線設(shè)計(jì)，并將布線設(shè)計(jì)傳遞給下游操作者時(shí)就會(huì)有一定的差別。

2.1 電機(jī)引出線指定在非出軸端

電機(jī)引出線指定在非出軸端，電機(jī)按照AB→AC→BC→BA→CA→CB順序依次導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可以推斷出，電機(jī)三相ABC布線完成后，從電機(jī)引出線端看，電機(jī)ABC三相形成的磁動(dòng)勢(shì)軸線是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分布的，并且電角度相位相差120°。

如果三相繞組按照該工藝指導(dǎo)進(jìn)行下線，則可以推導(dǎo)出三相繞組A→B→C的磁動(dòng)勢(shì)軸線是按照逆時(shí)針?lè)植嫉模◤某鼍€端視之）。

具體分析為，控制器按照表1的邏輯決定當(dāng)下時(shí)刻繞組的導(dǎo)通，即控制器接收位置傳感器的某1組狀態(tài)信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的邏輯導(dǎo)通三相繞組對(duì)應(yīng)的兩相繞組，電機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與需求方向一致。圖1為10P12S電機(jī)轉(zhuǎn)向分析圖圖（電機(jī)引出線指定在非出軸端）。

圖1 10P12S電機(jī)轉(zhuǎn)向分析圖（電機(jī)引出線指定在非出軸端）

圖1（a）中，HallA、HallB、HallC依次布置在B相、C相、A相磁動(dòng)勢(shì)軸線對(duì)應(yīng)位置，霍爾集成電路標(biāo)志面面向圓心。當(dāng)永磁體的S極面向霍爾集成電路標(biāo)志面，磁通密度B定義為正，此時(shí)霍爾集成電路輸出為低電平0。因此當(dāng)定轉(zhuǎn)子起始隨機(jī)位置如圖1（a）所示時(shí)，HallA、HallB、HallC輸出的狀態(tài)信號(hào)為001，此時(shí)按照表1的設(shè)定邏輯，CB兩相繞組通電在定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子受到該磁場(chǎng)力的作用，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（出線端視之）。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（出線端視之）時(shí)，會(huì)引起霍爾輸出狀態(tài)的變化。圖1（b）中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到此位置時(shí)，HallA面向S極和N的分界面，只要轉(zhuǎn)子再逆時(shí)針（出線端視之）轉(zhuǎn)動(dòng)一點(diǎn)，HallA的輸出信號(hào)就由0跳變?yōu)?，位置傳感器的狀態(tài)信號(hào)也由001轉(zhuǎn)變?yōu)?01，因此繞組的導(dǎo)通順序由CB轉(zhuǎn)變?yōu)锳B，AB兩相繞組導(dǎo)通產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)繼續(xù)推動(dòng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（出線端視之）。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器會(huì)依次循環(huán)輸出6組狀態(tài)信號(hào)001→101→100→110→010→011，控制器也會(huì)依次循環(huán)接收到此信號(hào)，然后按照預(yù)先約定好的邏輯依次循環(huán)控制對(duì)應(yīng)相繞組CB→AB→AC→BC→BA→CA的導(dǎo)通，因此電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙間就會(huì)產(chǎn)生逆時(shí)針（出線端視之）循環(huán)的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)逆時(shí)針（出線端視之）循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。從輸出軸端看電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，因而電機(jī)實(shí)際運(yùn)行方向與需求方向（見(jiàn)表1）一致。每?jī)上嗬@組導(dǎo)通時(shí)，會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°電角度。

因此，當(dāng)電機(jī)引出線在非出軸端，需求控制邏輯如表1所示，即電機(jī)按照CB→AB→AC→BC→BA→CA依次導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)應(yīng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使得電機(jī)三相繞制產(chǎn)生的A→B→C磁動(dòng)勢(shì)軸線逆時(shí)針（出線端視之）分布，即ABC三相繞組的相對(duì)電相位按照逆時(shí)針（出線端視之）方向依次增大，互差120°電角度。

2.2 電機(jī)引出線指定在出軸端

電機(jī)引出線指定在出軸端，此時(shí)出線端觀察的方向與出軸端觀察的方向一致。電機(jī)按照AB→AC→BC→BA→CA→CB順序依次導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可以推斷出，電機(jī)三相ABC布線完成后，電機(jī)ABC三相形成的磁動(dòng)勢(shì)軸線是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)分布的，并且電角度相位相差120°。

具體分析為，控制器按照表1的邏輯決定當(dāng)下時(shí)刻繞組的導(dǎo)通，即控制器接收位置傳感器的某1組狀態(tài)信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的邏輯導(dǎo)通三相繞組對(duì)應(yīng)的兩相繞組，電機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與需求方向一致。圖2為10P12S電機(jī)轉(zhuǎn)向分析圖（電機(jī)引出線指定在出軸端）。

圖2（a），HallA、HallB、HallC依次布置在B相、C相、A相磁動(dòng)勢(shì)軸線對(duì)應(yīng)位置，霍爾集成電路標(biāo)志面面向圓心。當(dāng)永磁體的S極面向霍爾集成電路標(biāo)志面，磁通密度B定義為正，此時(shí)霍爾集成電路輸出為低電平0。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起霍爾輸出狀態(tài)的變化。圖2（b）中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到此位置時(shí)，HallA面向S極和N的分界面，只要轉(zhuǎn)子再順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一點(diǎn)，HallA的輸出信號(hào)就由0跳變?yōu)?，位置傳感器的狀態(tài)信號(hào)也由001轉(zhuǎn)變?yōu)?01，因此繞組的導(dǎo)通順序由CB轉(zhuǎn)變?yōu)锳B，AB兩相繞組導(dǎo)通產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)繼續(xù)推動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器會(huì)依次循環(huán)輸出6組狀態(tài)信001→101→100→110→010→011，控制器也會(huì)依次循環(huán)接收到此信號(hào)，然后按照預(yù)先約定好的邏輯依次循環(huán)控制對(duì)應(yīng)相繞組CB→AB→AC→BC→BA→CA的導(dǎo)通，因此電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙間就會(huì)產(chǎn)生順時(shí)針循環(huán)的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)順時(shí)針循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而電機(jī)實(shí)際運(yùn)行方向與需求方向（見(jiàn)表1）一致。每?jī)上嗬@組導(dǎo)通時(shí)，會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°電角度。

圖2 10P12S電機(jī)轉(zhuǎn)向分析圖（電機(jī)引出線指定在出軸端）

因此，當(dāng)電機(jī)引出線在出軸端，需求控制邏輯如表1所示，即電機(jī)按照CB→AB→AC→BC→BA→CA依次導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)應(yīng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使得電機(jī)三相繞制產(chǎn)生的A→B→C磁動(dòng)勢(shì)軸線順時(shí)針?lè)植?，即ABC三相繞組的相對(duì)電相位按照順時(shí)針?lè)较蛞来卧龃?，互?20°電角度。

3 電機(jī)繞組雙備份時(shí)布線設(shè)計(jì)與電機(jī)轉(zhuǎn)向的關(guān)系分析

電機(jī)引出線指定在非出軸端，電機(jī)繞組為雙備份設(shè)計(jì)，主備繞組不同時(shí)工作。電機(jī)按照AB→AC→BC→BA→CA→CB順序依次導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。表2為10P12S直流無(wú)刷電機(jī)雙備份繞組布線工藝實(shí)施表。

表2 10P12S直流無(wú)刷電機(jī)雙備份繞組布線工藝實(shí)施表

電機(jī)主備繞組分別形成的ABC三相磁動(dòng)勢(shì)軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分布的，并且電角度相位相差120°。因?yàn)槿嗬@組在空間上對(duì)稱分布，主A與備A繞組電相位相差180°（主A起始槽為12，備A起始槽為6），因此備繞組形成的三相磁動(dòng)勢(shì)軸線相對(duì)主繞組形成的磁動(dòng)勢(shì)軸線逆時(shí)針滯后180°電角度。因此如果霍爾也要求雙備份時(shí)，備霍爾安裝位置滯后主霍爾安裝位置180°電角度。在雙備份霍爾安裝時(shí)，一方面考慮霍爾相對(duì)電角度，另外一方面考慮霍爾布局的可操作性。

圖3 10P12S直流無(wú)刷電機(jī)雙備份繞組霍爾實(shí)際布局圖（出線端視之）

從圖3可以看出，備霍爾相對(duì)主霍爾分別差了180°機(jī)械角度，180°機(jī)械角度對(duì)應(yīng)的電角度為180°電角度，因此與上述霍爾安裝分析相一致。此外，ABC三相磁軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（出線端視之），但從電角度分析，ABC三相磁動(dòng)勢(shì)軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（出線端視之），才能保證電機(jī)按照AB→AC→BC→BA→CA→CB順序依次導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（出軸端視之）。

4 結(jié) 論

（1）從相繞組的流向判斷出電機(jī)轉(zhuǎn)向與三相磁動(dòng)勢(shì)軸線電角度旋轉(zhuǎn)方向?qū)?yīng)關(guān)系（文中例子為ABC依次通正向電流時(shí)，從電機(jī)出軸端看時(shí)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。

（2）布線工藝實(shí)施保證從出軸端看時(shí)，三相形成的磁動(dòng)勢(shì)軸線旋轉(zhuǎn)方向（從相對(duì)電角度判定）與電機(jī)轉(zhuǎn)向保持一致。

（3）霍爾位置傳感器的布局為三相ABC霍爾與三相BCA磁動(dòng)勢(shì)軸線是一一對(duì)應(yīng)，并考慮霍爾布局工藝實(shí)施的可操作性。