0 引言

    傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)雖然線性機(jī)械特性十分優(yōu)良，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的外部的扭矩足夠大，但電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器磨損嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部微控制器結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，這些因素的存在使傳統(tǒng)電機(jī)的可維護(hù)性很差。

    21世紀(jì)以來(lái)，電子換向器技術(shù)日益成熟，促使電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部開始使用電子換向器，機(jī)械電刷的使用率大幅下降，機(jī)械換向器也逐漸被淘汰。使用電子換向器讓電動(dòng)機(jī)克服了機(jī)械換向器易損耗的缺點(diǎn)，同時(shí)也使得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單^[1]。但大部分無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制電路仍然很復(fù)雜，產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)不容易維護(hù)。

    本文在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低廉的專用電路，此電路可以固定跟隨定子的電流方向，控制電機(jī)進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)，并控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制。

1 無(wú)刷電機(jī)工作原理

    三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，永久磁鋼材料的定子可以產(chǎn)生充滿整個(gè)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體間隙的磁場(chǎng)，而電動(dòng)機(jī)的電樞繞組通以電流后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨著電流變化而變化的電樞磁場(chǎng)。

    為了使電動(dòng)機(jī)始終保持在最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，就需要使電機(jī)產(chǎn)生的扭矩達(dá)到最大且方向隨時(shí)間不斷變化，這可以通過(guò)使電機(jī)內(nèi)兩個(gè)磁場(chǎng)的方向一直相互垂直的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。若僅僅使用普通直流電源，則電樞磁場(chǎng)的方向不會(huì)改變，而轉(zhuǎn)子磁鋼一直在做圓周運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)磁場(chǎng)的方向無(wú)法一直保持相互垂直的狀態(tài)。所以，必須要使用換向裝置。

    換向裝置通過(guò)位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通過(guò)控制電路完成換向的邏輯操作，使直流電源可以在三相之間來(lái)回切換，讓電樞繞組接收到不同的電信號(hào)，產(chǎn)生變化的電樞磁場(chǎng)，如圖1所示^[2]。

2 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)專用電路

2.1 定子繞組

    為了對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)整，控制系統(tǒng)的專用電路需要根據(jù)位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，來(lái)控制電子開關(guān)電路的功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，最后通入到電樞繞組的某一相中。該相的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)^[3]。電動(dòng)機(jī)上的定子繞組的位置如圖2所示。

2.2 電子開關(guān)電路

    本文采用三相星形聯(lián)結(jié)全控電路，如圖3所示。此電路每次導(dǎo)通其中兩個(gè)功率管，這兩個(gè)功率管在轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)120°電角度所持續(xù)的時(shí)間內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)^[4]。每當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)60°電角度后，電動(dòng)機(jī)就必須改變一次相位，改變相位后，兩個(gè)正在導(dǎo)通的功率管其中一個(gè)被斷開，電路中未導(dǎo)通的功率管按照電路接收到的電信號(hào)導(dǎo)通其中一個(gè)。

    認(rèn)定轉(zhuǎn)矩正方向?yàn)榱魅腚姌欣@組的電流所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩方向。先導(dǎo)通功率管的是T1與T2，電流從T1管流入，從T2管回到電源，在這過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了A相和C相繞組。T_a和-T_c合成后得到T_ac，大小為T_a，方向?yàn)閮上蛄康慕瞧椒志€方向，如圖4所示。

    當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60°后，功率管T1關(guān)斷，停止通電，而功率管T3開始通入電流。這時(shí)，電流從T3管流入，從T2回到電源。在這過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了B相和C相繞組。T_b和-T_c合成后得到T_bc，大小仍然為T_a，方向?yàn)閮上蛄康慕瞧椒志€方向。此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩如圖5所示^[5]。

    此后每次換相時(shí)，變化過(guò)程與前述過(guò)程基本相同，僅僅改變了打開和關(guān)斷的功率管。圖6表示出了整個(gè)換相變化過(guò)程中全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。

2.3 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路

    為了觀察到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，來(lái)判斷電機(jī)下一步該執(zhí)行的操作，確定定子繞組應(yīng)該獲得的電流大小和電流方向，將三個(gè)位置傳感器C1、C2、C3連接到電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器接收轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，傳遞給控制器電路，以此來(lái)控制定子電流，傳感器在電動(dòng)機(jī)上的位置如圖7所示^[6]。

    如表1所示，位置傳感器C1、C2和C3產(chǎn)生的信號(hào)分別由Ha、Hb和Hc表示，另加一個(gè)CW/CCW的信號(hào)。如果在CW/CCW端口上給出高電平信號(hào)(1)，則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果給出低電平信號(hào)(0)，則轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl分別連接到電動(dòng)機(jī)定子繞組。根據(jù)輸入信號(hào)，控制器的驅(qū)動(dòng)電路將給出輸出信號(hào)以控制順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

    當(dāng)CW/CCW為高電平時(shí)，如果轉(zhuǎn)子位于傳感器C1的位置，Ha為高電平，C2和C3為低電平，則控制器電路必須給出60°的信號(hào)，將轉(zhuǎn)子從0°移動(dòng)到60°。轉(zhuǎn)子角度的其他變換過(guò)程與此過(guò)程類似。對(duì)于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將CW/CCW端口電壓置為低電平即可。

    結(jié)合表1，利用Logisim軟件，可以得到上述真值表對(duì)應(yīng)的數(shù)字邏輯電路。Ha、Hb、Hc和CW/CCW端口作為數(shù)字邏輯電路的輸入端口，Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl端口作為數(shù)字邏輯電路的輸出端口。整個(gè)數(shù)字邏輯電路僅由非門、三輸入與門和或門組成^[7]，如圖8所示。

3 電路仿真和測(cè)試結(jié)果

3.1 電路仿真

    利用80C51芯片對(duì)本文設(shè)計(jì)的專用驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行最終的驗(yàn)證分析^[8]。輸入信號(hào)是由外電路各開關(guān)的閉合來(lái)產(chǎn)生高低電平信號(hào)，以此來(lái)模仿Ha、Hb、Hc和CW/CCW的高低電平信號(hào)。開關(guān)閉合表示此端口輸入為高電平^[9]。開關(guān)S1、S2、S3和S4分別對(duì)應(yīng)Ha、Hb、Hc和CW/CCW的電平信號(hào)。R₁、R₂、R₃和R₄的值均為2 kΩ。

    輸出信號(hào)是由外電路各LED燈的亮滅情況來(lái)顯示對(duì)應(yīng)支路的高低電平信號(hào)，以此來(lái)模仿Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl的高低電平信號(hào)。端口電路的LED燈亮?xí)r表示此端口輸出為低電平。LED1、LED2、LED3、LED4、LED5和LED6分別對(duì)應(yīng)Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl的電平信號(hào)。R_L1、R_L2、R_L3、R_L4、R_L5和R_L6的電阻值均為4.7 kΩ，如圖9所示。

3.2 仿真結(jié)果

    利用Cadence的仿真工具NC-Verilog simulator得到仿真波形，如圖10所示。圖10中的變量名與圖6控制系統(tǒng)的邏輯電路圖一一對(duì)應(yīng)。

    當(dāng)CW/CCW輸入端的開關(guān)閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。對(duì)應(yīng)輸出端口輸出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路上LED燈亮；對(duì)應(yīng)輸出端口輸出高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路上LED燈滅。

    當(dāng)CW/CCW輸入端的開關(guān)斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)輸出端口輸出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路上LED燈亮；對(duì)應(yīng)輸出端口輸出高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路上LED燈滅。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期符合得很好。實(shí)驗(yàn)所用80C51芯片和LED燈顯示模塊如圖11所示。

4 結(jié)論

    本文仿真結(jié)果說(shuō)明該專用于無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的邏輯電路，可以替代以往復(fù)雜的控制電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的微控制器運(yùn)轉(zhuǎn)^[10]。這種邏輯電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉，易于維護(hù)，應(yīng)用范圍非常廣泛。因此，該專用電路可用在使用低成本的三相無(wú)刷直流電機(jī)的相關(guān)產(chǎn)品上，以降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 江振鋒，李鑫，戴梅，等.三相無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，27(4)：86-90.

[2] 吳紅星，葉宇驕，倪天，等.無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)綜述[J].微電機(jī)，2011，44(8)：75-81.

[3] 夏常亮，方紅偉.永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(3)：25-34.

[4] 史永勝，李利，余彬.高性能移相全橋變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：127-131，134.

[5] HASEN R，SALIM K M.Design implementation and testing of a three phase BLDC motor controller[C].International Conference on Advances in Electrical Engineering.Dkaka，bangladesh，2013：192-196.

[6] HAZARI M R，JAHAN E，SIRAJ M E，et al.Design of a brushless DC(BLDC) motor controller[C].International Conference on Electrical Engineering and Information & Communication Technology.Dhaka，Bangladesh，2014：1-6.

[7] YOUSUF N B，SALIM K M，HAIDER R，et al.Development of a three phase induction motor controller for solar powered water pump[C].2nd International Conference on the Developments in Renewable Energy Technology.Dhaka，Bangladesh，2012：1-5.

[8] 李健飛，郝桂青.基于MC9S12D64單片機(jī)的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(12)：102-104.

[9] 伍錫如，王方.被動(dòng)同心轉(zhuǎn)向式多履帶全向移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(2)：115-119，123.

[10] 馬文斌，楊延竹，洪運(yùn).步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：11-13.

作者信息:

王曉蕾，徐  彥，王振興，涂金生，王傳傲，朱  毅

(合肥工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥230009)