直流電動機工作原理與控制方法

序言

　　由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。

　　一個多世紀(jì)以來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)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(tǒng)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(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機。

　　針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在上世紀(jì)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(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀(jì)60年代初終于實現(xiàn)了這一愿望。上世紀(jì)70年代以來，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世，均為直流無刷電動機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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(guān)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(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù)（2p=2,4,…）組成。圖1所示為三相兩極直流無刷電機結(jié)構(gòu)，

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(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A、B、C相繞組分別與功率開關(guān)管V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)。
　　當(dāng)定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各項繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁極的位置。

圖3 開關(guān)順序及定子磁場旋轉(zhuǎn)示意圖
　　圖2所示的轉(zhuǎn)子位置和圖3 a）所示的位置相對應(yīng)。由于此時廣電器件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。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 b）所示的位置時，直接裝在轉(zhuǎn)子軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板亦跟著同步轉(zhuǎn)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(dǎo)通，電流從繞組A-A’斷開而流入繞組B-B’，使得轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝箭頭方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到圖3 c）所示的位置時，此時旋轉(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)動轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)朝順時針方向旋轉(zhuǎn)并回到圖3 a）的位置。
　　這樣，隨著位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)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(xiàn)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(nèi)所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)磁場在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機轉(zhuǎn)子磁場的相互關(guān)系如圖3所示。圖3a）為第一種狀態(tài)，F(xiàn)a為繞組A-A’通電后所產(chǎn)生的磁動勢。顯然，繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)過120度電角度后，便進入第二狀態(tài)，這時繞組A-A’斷電，而B-B’隨之通電，即定子繞組所產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)過了120度，如圖3 b）所示，電動機定子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)；再轉(zhuǎn)120度電角度，便進入第三狀態(tài)，這時繞組B-B’斷電，C-C’通電，定子繞組所產(chǎn)生的磁場又轉(zhuǎn)過了120度電角度，如圖3 c）所示；它繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過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。

圖4 各相繞組的導(dǎo)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(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lián)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(zhuǎn)子是一個用非導(dǎo)磁材料做成的圓柱體，并在它上面鑲一塊120度的扇形導(dǎo)磁材料。在安裝時將它與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)，其位置對應(yīng)于某一磁極。一次繞組所產(chǎn)生的高頻磁通通過跟蹤轉(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)生感應(yīng)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(lián)，其感應(yīng)電壓基本為零。隨著電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，扇形片也跟著旋轉(zhuǎn)，使之離開當(dāng)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(zhuǎn)子運動，在開口變壓器二次繞組上分別感應(yīng)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。在三相全控電路中，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，扇形導(dǎo)磁片的個數(shù)應(yīng)同直流無刷電動機的極對數(shù)相等。
　　接近開關(guān)式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉(zhuǎn)子兩部分組成，當(dāng)扇形金屬轉(zhuǎn)子接近震 蕩回路電感L時，使該電路的Q值下降，導(dǎo)致電路正反饋不足而停振，故輸出為零。扇形金屬轉(zhuǎn)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(diào)制信號，經(jīng)二極管檢波后，取出有用控制信號，去控制邏輯開關(guān)電路，以保證電動機正確換向。
　　光電式位置傳感器前面已經(jīng)講過，是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電動機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)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(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化的半導(dǎo)體敏感元件。其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。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。