一種永磁無刷直流電動機的研制
戴白刃
(常州信息職業(yè)技術學院，江蘇常州213164)
摘要：研制的永磁無刷直流電動機其結構及工作原理獨特，控制電路與電機集于一體，控制方法靈活簡單，實現(xiàn)了調(diào)速、過流、過壓、過熱保護等功能，具有高效、安全、可靠等特點。
關鍵詞：無刷直流電動機；結構；單片機；控制電路；控制軟件
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0014—02
1無刷直流電動機結構
我們研制的永磁無刷直流電動機的結構如圖l所示。它是一種外轉(zhuǎn)子結構的電機，在其外轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌入三對(六個)徑向瓦形磁極。N極、s極間隔分布，對應的定子電樞鐵心也設計為六齒，并且齒的外形被設計成不對稱的特殊形狀。
六個電樞繞組串聯(lián)在一起(事實上由一根導線繞制而成)，但相鄰兩個繞組的線圈繞制方向是不同的。即一個繞組的線圈按順時針方向繞制，接下來一個繞組的線圈就按逆時針方向繞制，再接下來一個繞組的線圈又按順時針方向繞制，即三個間隔的繞組線圈繞制的方向一致。
在鐵心某一齒的邊緣的適當位置安裝一個磁感應位置傳感器，以確定該傳感器位置對應的徑向方向是N極還是s極磁場。
電機控制部分被設計安裝在電機內(nèi)部，與電機形成一體。只要外加直流電源，電機就可以運行。電機外觀簡潔，使用方便。
2工作原理
按照無刷直流電動機的結構，轉(zhuǎn)子磁鋼在氣隙中形成磁場，并且由于定子鐵心齒的外形為不對稱的特殊形狀，因此電機在不加電流時，外轉(zhuǎn)子相對靜止，外轉(zhuǎn)子的磁極軸線與定子鐵心齒的軸線不重合，形成一個固定的夾角α，霍爾傳感器對應的徑向方向不是N極就是s極磁場，也使得鐵心齒上的繞組兩邊，一邊完全處在外轉(zhuǎn)子某一磁極下，另一邊則處在相反磁極下。另外，相對于電機外轉(zhuǎn)子和定子上的霍爾傳感器的位置而言，只有六個靜止點(三點對應N極磁場，三點對應s極磁場)，且每點相距60。。
根據(jù)霍爾傳感器的位置，控制器給電樞繞組加某一方向的電流，將產(chǎn)生一個作用于該導體的電磁力(由于同一電樞繞組的兩邊是在不同的磁場中，且電流方向不同，因此受到電磁力的方向是一致的)，由于繞組線圈在定子上，故外轉(zhuǎn)子受到了一個反作用力，即電磁力對外轉(zhuǎn)子中心軸形成一個力矩，迫使外轉(zhuǎn)子圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。當外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一定的角度，在齒軸線和下一個磁極軸線重合以前，切斷電樞繞組中的電流，使外轉(zhuǎn)子受慣性及轉(zhuǎn)子本身磁場的作用繼續(xù)朝同一方向(也就是下一靜止點方向)轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到靜止點時，霍爾信號發(fā)生變化，控制器再立即給電樞繞組加另一方向的電流，此時對應的外轉(zhuǎn)子磁極也發(fā)生了變化，使外轉(zhuǎn)子繼續(xù)圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)。
此外，為了控制電機的轉(zhuǎn)速，只要控制流過電樞電流的大小和時間即可。
3特點
根據(jù)這種電機的結構及工作原理，我們可以得出:
(1)電機工作時，所有電樞繞組始終流過電流，而死區(qū)時問可調(diào)整到很短，當電流5A時效率達百分之83。
(2)控制電路簡單，所用器件少。由于這種電機的特殊結構，只需一只位置傳感器，而功率開關晶體管也只需兩對(四只)。而且如果需要，電樞及外轉(zhuǎn)子的磁極可成對增加，但所需位置傳感器及功率開關晶體管無需增加。
(3)控制、驅(qū)動電路在電機內(nèi)部，整個電機體積并不太大。當功率為240 w時，電機的尺寸為直徑90 mm，高85 mm。
(4)根據(jù)需要可方便地調(diào)速。
4控制電路
永磁無刷直流電動機的控制電路由單片機、功率開關晶體管、驅(qū)動電路及傳感器等組成，主要實現(xiàn)了換向與調(diào)速兩個功能。圖2是控制電路的主要邏輯圖。P1、P2分別連接電樞。
4.1換向
為了使電樞繞組中的電流按一定的邏輯不斷改變電流方向，單片機首先依據(jù)霍爾傳感器的信號控制打開某對功率晶體管。假如，先打開功率晶體管Q1及功率晶體管Q2，使電流從P1流人P2流出，當外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一定的角度時，單片機控制電路關斷Ql及Q2，使電樞中瞬時無電流，這個瞬時斷流時間是必須的。它有幾個作用：(1)使外轉(zhuǎn)子向靜止點方向轉(zhuǎn)動，(2)換向時保護晶體管，(3)調(diào)整電流流過電樞的時間。當霍爾傳感器信號變化時，單片機控制電路再打開晶體管Q3和晶體管Q4，使電流從P2流入P1流出，改變電樞中電流的流動方向，起到換向作用�；魻杺鞲衅餍盘柌粩嘧兓�，單片機不斷控制電路關閉、打開相應晶體管，電樞電流不斷換向。
4.2調(diào)速
控制電路采用PHILIPS P87LPC768單片機。該單片機功能強，價格低，應用靈活，具有l(wèi)O位PwM輸出及8位A／D輸入的功能。因此，當外界通過IN3給出一個電壓值時，單片機就得到了該電壓對應的所需的電機轉(zhuǎn)速。單片機根據(jù)所需的轉(zhuǎn)速，改變PwM的脈寬，調(diào)整轉(zhuǎn)速，當PwM的脈寬無法調(diào)整時，再改變換向時的死區(qū)時間。在一個周期內(nèi)，死區(qū)時間短，電機轉(zhuǎn)速加快；死區(qū)時間長，電機轉(zhuǎn)速變慢。但需注意的是，必須有一定的“死區(qū)時間”，隨著“死區(qū)時間”的變化，電樞換向頻率也變化。采用這種調(diào)速方法,電機調(diào)速范圍寬,可以從每分鐘幾十轉(zhuǎn)到每分鐘幾千轉(zhuǎn)之間調(diào)整。圖3是電樞電壓示意圖及位置傳感器的輸出波形圖。
此外，由于控制電路在電機本體內(nèi)部，因此對控制電路器件小型化、可靠性、散熱性都提出了較高的要求。
5控制軟件
永磁無刷直流電動機的控制核心是單片機，采用單片機作為控制核心，具有靈活、方便并可實現(xiàn)許多額外的功能的特點。但關鍵是單片機控制軟件，因此，其控制軟件要詳盡設計，反復測試。單片機控制軟件主要實現(xiàn)了：
(1)電機的起動控制
在電機起動時，首先判別霍爾位置傳感器所處的磁極，然后決定先打開哪對晶體管，即決定電流先從Pl流出還是先從P2流出，其次為了達到“軟起動”的效果，對起動時的PwM波要根據(jù)電機的負載進行調(diào)整。
(2)電樞電流的換向
根據(jù)“死區(qū)時間算法”及霍爾傳感器的信號不斷關閉、打開相應的管子，使電樞電流換向。
(3)電機的速度控制
當電機起動后，控制軟件隨時處理設置的轉(zhuǎn)速值，根據(jù)數(shù)字PID控制算法，不斷調(diào)整PwM寬度及“死區(qū)時間”，以使電機轉(zhuǎn)速達到設置轉(zhuǎn)速的目的。
(4)其他功能
應用一些其它簡單的電路，控制軟件對電樞的電流、電壓及電機內(nèi)部的溫度進行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)制的對象出現(xiàn)異常，立即關斷所有管子，停止電機的運行，保證電機自身的安全。
此外，還具有向上位機報告當前電機轉(zhuǎn)速等功能。
6結語
所研制的電機雖然是直流供電，但其電樞工作波形卻可看作是交流信號，其可控性、可調(diào)性比較好，效率也較高。
該電機的主要技術指標：工作電壓范圍30-56V(DC)，額定電流5A，****電流10A，額定功率240W，效率區(qū)間百分之70-百分之83，調(diào)速范圍50-4500r/min,外形尺寸Φ90mmx85mm。
目前，該電機在風機領域得到了廣泛的應用。
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