鐘仁人（西安微電機(jī)研究所 710077）
直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流有重要意義，由于其正比于軸上轉(zhuǎn)矩，往往作為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的代表。無論對(duì)指示、控制，它都有著不可忽視的作用。電樞電流流過繞組與電路器件會(huì)發(fā)熱，因此它又是電機(jī)與裝置安全運(yùn)行的重要參數(shù)。電流負(fù)反饋與過電流保護(hù)幾乎是所有驅(qū)動(dòng)裝置不可缺少的環(huán)節(jié)，可見，電樞電流取樣在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中是十分重要的。
1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作簡述
無刷電機(jī)有矩形波驅(qū)動(dòng)與正弦波驅(qū)動(dòng)，本文討論的是前者。圖1示出三相星形接線方式的橋式線路，這是最常見的方式。
圖2示出其正常運(yùn)行時(shí)的通電情況。U、V、n為轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號(hào)。
這里采用晶體管脈寬調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)壓，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。圖3為典型的方框圖，這是一個(gè)具有電流負(fù)反饋與速度負(fù)反饋
圖4表示出電機(jī)處于(0度～60度)區(qū)間工作的晶體管橋(設(shè)ULT>O，電機(jī)正轉(zhuǎn))。
設(shè)此區(qū)間WA與Wc通電（電樞電流從WA流人，由Wc流出），晶體管Vl、V3、V4與V6處于斬波工作狀態(tài)，波形見圖5。
這里UIG為三角波電壓魄與控制電壓ULT相加后經(jīng)比較器整形所得的方波電壓，簡化表示為UA+ULT，圖中UA- ULT亦然。
電機(jī)端電壓UD及電流iD的波形也在圖中示出。由圖中可知電樞電壓的脈寬正比于控制電壓ULT。改變ULT的符號(hào)，UD、iD方向隨之而變，這樣便實(shí)現(xiàn)了調(diào)速。繞組的通電情況變換一次，斬波工作的晶體管也更換一次。各區(qū)間晶體管的導(dǎo)通情況見圖2b。圖中以陰影區(qū)表示晶體管工作時(shí)柵極施加U。+ULT，以虛線表示施加U - ULT。由于V4、V5、V6分別與V1、V2、V3同時(shí)處于斬波狀態(tài)，但導(dǎo)通與截止情況正好相反，故圖中以V1表示。注意，這僅表示斬波狀態(tài)的關(guān)系。在非斬波狀態(tài)，晶體管均處于關(guān)斷，且UD的****占空比不應(yīng)達(dá)到********。
由于ULT>O．UiG= U4G= UA+ ULT，例如區(qū)間（-60度，60度），電樞電流iD流入WA。而Ulc=U4G= U△- ULT，如區(qū)間(120度，240度)，iD自WA流出。其他繞組及晶體管的情況類似。晶體管的導(dǎo)通區(qū)間以及柵極施加的是UA+ULT還是U - ULT，只取決于轉(zhuǎn)子空間位置叫f，即相對(duì)于電角的關(guān)系是固定的，各繞組的通電情況與電角的關(guān)系也是固定的。從而保證了定子繞組的合成磁勢(shì)在空間始終超前（按轉(zhuǎn)向）于轉(zhuǎn)子磁場90度（實(shí)際上因換相而存在±30度的擺動(dòng)）。
2通常所采用的電流取樣方式
在圖2a中可以看到電機(jī)繞組WA. WB.Wc輪流間斷通電，電路上任何一點(diǎn)都不存在連續(xù)的電樞電流。電樞電流ID需要按時(shí)間順序輪流取各相電流拼接而成。這可利用邏輯電路控制模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)。為解決電位隔離，在電機(jī)引線上各穿一個(gè)電流傳感器（第三相電流可由另兩相電流合成，以省去一個(gè)傳感器），傳感器的輸出量正比于原方電流， 開關(guān)的輸入量，將輸出量疊加代表電樞電流的i用三選一模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)很容易。圖6示出其邏輯電路，這也可用GAL實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)ULT>O iD為正
當(dāng)ULT
這種取樣方式目前被廣泛采用�；蛘哒f幾乎是無刷直流電動(dòng)機(jī)****的取樣方式。電流****值+判向”的取樣方式
這里提出另一種電流取樣方式。
3.1 電流****值的取得
如果在電機(jī)引線串人反并二極管，并令同向二極管的連線同穿入一個(gè)電流傳感器，見圖7。由于任何時(shí)候按某方向穿圖7在電流傳感器上取得電樞電流****值人（或穿出）電流傳感器的導(dǎo)線只有一根，且必有一根流過電流，因此在傳感器的副方得到連續(xù)的電流ia，其值與原方電流之比等于傳感器的變比。這是代表電樞電流****值的量，可直接用于電機(jī)電流與轉(zhuǎn)矩指示，過電流保護(hù)。亦可在僅運(yùn)行于第一象限的系統(tǒng)，即無勢(shì)能負(fù)載且無快速制動(dòng)的單向系統(tǒng)中用作電流反饋，在這種系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)矩始終為正值，電流取樣無需分辨其符號(hào)。
對(duì)于4象限運(yùn)行的系統(tǒng)，則要對(duì)取樣電流進(jìn)行判向。
為取得數(shù)字量14、15、16，可在V4、V5、V6的源極回路串人低值電阻，在上面取出壓降，經(jīng)比較器處理為數(shù)字量（比較器參考端電位幾乎為零，最小分辨電流可達(dá)數(shù)毫安），圖8表示采用CD4086實(shí)現(xiàn)判向。
ULT>O
在區(qū)間（- 60度，+60度），iA>O，i4=0，則ⅣVi4=0
在區(qū)間(60度，180度)，iB>0，i5—0，則U Wis=0
在區(qū)間(180度，300度)，ic>0，i6—0，則y Ui6=0
CD4086輸出為“1”
ULT
在區(qū)間（-60度，+60度），iA0，則ⅣVi4=1
在區(qū)間(60度，180度)，iBO，則U Wis=l
在區(qū)間(180度，300度)，ic<0，i6>0，則y Ui6=1
CD4086輸出為“O”
對(duì)于電流指示以及不涉及電流反饋的控制，可取ULT的符號(hào)作為電樞電流的符號(hào)。這實(shí)際是以電流指令的符號(hào)代替電流符號(hào)。它與實(shí)際電流ia僅在時(shí)間上有極短暫的超前，但可免除不少邏輯上的處理。
電機(jī)引線中所串入的反并二極管，其額定電流按電機(jī)可能出現(xiàn)的峰值電流選擇。它們不承受反向電壓，故可用低壓二極管。
3.2兩種取樣方式的比較
通常的電流取樣方式是“搬動(dòng)”電流傳感器的副邊電流，拼接而成為完整電樞電流的形式。而判向的方式實(shí)際是用二極管“搬動(dòng)”主回路電流，使電流傳感器副邊出現(xiàn)連續(xù)的電流。后者電流****值的取得極為簡便，最突出的優(yōu)點(diǎn)是所獲得的電流波形的連續(xù)性很好，不存在波形拼接處的毛刺。這是它最可貴之處，也是通常方式所無法相比的。
亦可不經(jīng)合成而直接應(yīng)用，圖10表示以判向信號(hào)控制模擬開關(guān)。
見圖11，這里存在一個(gè)很窄的換相區(qū)。在換相區(qū)內(nèi)，iA由ID降為零，同時(shí)i。由O增加為ID。按通常的取樣方式需在換相區(qū)內(nèi)切換所取用的電流。設(shè)在tl時(shí)刻切換，將取用的電流由i。更換為如，則在取樣電流上便出現(xiàn)圖中所示的毛刺。波形的切換如果發(fā)生在換相剛開始或換相將結(jié)束的瞬間，毛刺將更大。以上是按模擬開關(guān)為理想情況考慮的，實(shí)際上模擬開關(guān)的開通與關(guān)斷也有個(gè)時(shí)間，這一點(diǎn)更不利于波形的銜接。而電流的****值取樣方式則不存在傳 感器副邊在換相區(qū)的硬性切換。它是將輸入電機(jī)（或自電機(jī)輸出）的所有相的電流加起來（在這點(diǎn)上它相似于有刷直流電動(dòng)機(jī)的電流取樣）。可以看到在換相區(qū)，自然就不存在毛刺了。
這一方式的缺點(diǎn)是主回路要串入二極管，帶來附加的壓降與損耗。當(dāng)電樞電流較大時(shí)，會(huì)造成很大的不便。另外還要進(jìn)行判向與符號(hào)合成。
這一電流取樣方式適用于電樞電流不太大的電機(jī)，尤其適用于無需判向的場合。
電流****值判向的取樣方式在我所生產(chǎn)的160LW無刷直流力矩電動(dòng)機(jī)中首先采用。應(yīng)用的時(shí)間尚不長，有待于在實(shí)踐中逐漸改進(jìn)，進(jìn)一步完善。
順便指出，對(duì)于通常的電流取樣方式中所存在的波形上的毛刺，建議采用與電流****值取樣類似的方法解決 |
