摘要：介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的有限轉(zhuǎn)角無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)，定、轉(zhuǎn)子采用扇形結(jié)構(gòu)，可有效降低電機(jī)的體積、重量。對(duì)扇形結(jié)構(gòu)有限轉(zhuǎn)角無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)形式、控制技術(shù)進(jìn)行了分析。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，該扇形結(jié)構(gòu)電機(jī)體積小、重量輕、定位精度高、啊應(yīng)快，可滿足新型掃描機(jī)構(gòu)的要求，具有重要應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：有限轉(zhuǎn)角；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；扇形結(jié)構(gòu)
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2009)10-0040-03
0引 言
在掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中，高速回掃和低速跟蹤對(duì)于驅(qū)動(dòng)組件的要求與一般伺服系統(tǒng)不同，在實(shí)際使用
中，驅(qū)動(dòng)組件只工作在一定的擺角范圍內(nèi)。目前使用的掃描機(jī)構(gòu)通常采用力矩電動(dòng)機(jī)加齒輪減速，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)負(fù)載的方案，這種方案需要占用較大空間。而新型機(jī)載掃描機(jī)構(gòu)中體積和重量受到嚴(yán)格限制，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)組件無(wú)法滿足要求。因此，需要一種新型驅(qū)動(dòng)組件保證掃描機(jī)構(gòu)具有更小的體積、更輕的重量，同時(shí)滿足掃描機(jī)構(gòu)在高速回掃時(shí)響應(yīng)速度快、低速跟蹤時(shí)定位精度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的系統(tǒng)要求。
本文介紹了一種新型掃描機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)組件，以扇形結(jié)構(gòu)的有限轉(zhuǎn)角無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱扇形
電動(dòng)機(jī))作為動(dòng)力源，并在定、轉(zhuǎn)子外側(cè)增加磁止擋，作為永磁儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償掃描機(jī)構(gòu)在高速掃描時(shí)
的正向制動(dòng)和反向加速性能，體積和重量比傳統(tǒng)電機(jī)小一半。這種扇形電動(dòng)機(jī)及位置反饋系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)部件連接形成同步運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件與負(fù)載直接連接，增加了電機(jī)與負(fù)載的剛度，大大減少了傳動(dòng)功率損失，降低了對(duì)電機(jī)額定功率的要求，同時(shí)在機(jī)械上減少了傳動(dòng)間隙，提高了定位精度。圖1為傳統(tǒng)掃描機(jī)構(gòu)與新型掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)比示意圖。
1扇形電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)
1．1傳統(tǒng)有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)擺動(dòng)磁極型有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)為齒槽式或環(huán)形繞線式。齒槽式是指線圈均勻嵌在定子槽內(nèi)，定子繞組一般采用同心式繞組，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示1】這種結(jié)構(gòu)的不足之處是圓心處繞組端部整形困難。環(huán)形繞線式是指將線圈緊密地繞在環(huán)形導(dǎo)磁環(huán)上，繞制的層數(shù)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和技術(shù)要求確定，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示2】
這種形式的缺點(diǎn)是：電機(jī)的磁場(chǎng)氣隙大，氣隙磁密不高，直接導(dǎo)致了電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩降低。傳統(tǒng)擺動(dòng)電機(jī)還存在一個(gè)局限性，即當(dāng)磁極擺動(dòng)超出一定范圍時(shí)，線圈交鏈的永磁磁通下降，進(jìn)入力矩下降區(qū)域，其力矩性能受轉(zhuǎn)角范圍制約明顯，而且該結(jié)構(gòu)電機(jī)在系統(tǒng)中體積、重量仍較大。
1 2扇形電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)
本文提出的扇形電動(dòng)機(jī)又稱帶磁止擋結(jié)構(gòu)的有限轉(zhuǎn)角無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)呈扇形。扇形電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直接與負(fù)載旋轉(zhuǎn)體連接，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為半圓柱體，定子設(shè)計(jì)為扇形圓柱體。扇形電動(dòng)機(jī)定子與負(fù)載固定結(jié)構(gòu)件連接，轉(zhuǎn)子扇形角度大于定子扇形角度，從而可保留電機(jī)轉(zhuǎn)子的回旋角度。圖4為扇形電動(dòng)機(jī)橫截面示意圖，扇形電動(dòng)機(jī)的構(gòu)成和普通三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相似，由定子、永磁轉(zhuǎn)子、位置傳感器組成。
本文提出的扇形電動(dòng)機(jī)除采用新穎的扇形結(jié)構(gòu)外，和普通電機(jī)相比還具有以下不同的設(shè)計(jì)：
(1)磁止擋結(jié)構(gòu)
在電機(jī)定子兩側(cè)和轉(zhuǎn)子兩側(cè)回掃限位點(diǎn)都裝有磁止擋，磁止擋的定、轉(zhuǎn)子同側(cè)磁極極性相同，磁止擋的反向推力可以對(duì)電磁力矩產(chǎn)生補(bǔ)償作用，在電機(jī)擺角過(guò)程中增加反向推力，保證了負(fù)載在高速掃描時(shí)的正向制動(dòng)和反向加速性能。定、轉(zhuǎn)子磁止擋之間間隙6的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下原則：電機(jī)轉(zhuǎn)子在±α1內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不受磁止擋反向推力影響；在一α1~一α2、+α1～+α2之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，受磁止擋反向推力作用產(chǎn)生制動(dòng)效果；在一α2～一α3和+α2～+α3之間運(yùn)動(dòng)時(shí)受磁止擋反向推力的作用產(chǎn)生反向加速效果，反向力矩****。圖5為磁止擋力學(xué)曲線，在磁止擋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)曲線的要求采用有限元法進(jìn)行精確計(jì)算。圖6為磁止擋結(jié)構(gòu)圖。
傳統(tǒng)有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)只有一套繞組，因此只要控制流人繞組的電流方向即可實(shí)現(xiàn)擺角功能，不需
要換向信號(hào)。這種電動(dòng)機(jī)控制簡(jiǎn)單，但是掃描角度范圍不大。扇形電動(dòng)機(jī)工作原理和普通三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相似，通過(guò)位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)三相繞組換相，在回轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，都可以產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，從而提高電動(dòng)機(jī)的掃描角度范圍。和普通三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不同的是，為實(shí)現(xiàn)扇形電動(dòng)機(jī)擺角特性，該扇形電動(dòng)機(jī)除了在定子繞組上裝有三個(gè)位置傳感器外，同時(shí)在掃描回掃點(diǎn)位置增加一個(gè)位置傳感器，提供反向運(yùn)行信號(hào)。
2扇形電動(dòng)機(jī)工作原理
扇形電動(dòng)機(jī)的工作原理與普通三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)類似，通過(guò)位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，使定子繞組按照一定的順序?qū)ǎㄗ哟艌?chǎng)與轉(zhuǎn)子磁極相互作用，產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)3】普通三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式是比較成熟的控制方案，扇形結(jié)構(gòu)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與普通三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)類似，其特殊性表現(xiàn)在定子繞組換相信號(hào)由傳感器信號(hào)與頻率信號(hào)共同作用，控制扇形電動(dòng)機(jī)按一定的頻率，在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)。
扇形電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)存在不同之處，表1對(duì)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。
從表1對(duì)比可知，扇形電動(dòng)機(jī)具有如下特點(diǎn)：繞組采用三相對(duì)稱繞組，繞組端部分布均勻，便于整形；磁場(chǎng)氣隙小，氣隙磁密高，有利于提高力矩性能：新穎的磁止擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小了對(duì)電機(jī)本身負(fù)載能力的要求，同時(shí)該特性有效改善了掃描機(jī)構(gòu)在極限回掃時(shí)的速度穩(wěn)定性；該扇形電動(dòng)機(jī)力矩性能不受轉(zhuǎn)角范圍制約，能達(dá)到與圓形電動(dòng)機(jī)相近的性能，而重量只有傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的t／2，轉(zhuǎn)角范圍可通過(guò)合理選擇扇形角、槽數(shù)和極對(duì)數(shù)，滿足設(shè)計(jì)要求。
3扇形電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)
扇形電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)類似于普通三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，但與一般連續(xù)旋轉(zhuǎn)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)又有所不同，要求以不同頻率帶動(dòng)負(fù)載在一定角度內(nèi)往復(fù)掃描，電機(jī)不停地在正、反轉(zhuǎn)狀態(tài)工作，電機(jī)中換向電流變化較大。因此，該驅(qū)動(dòng)器的換向驅(qū)動(dòng)控制和電流控制是關(guān)鍵技術(shù)。圖7為扇形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理框圖
3 1掃描功能實(shí)現(xiàn)
該扇形電動(dòng)機(jī)三個(gè)霍爾位置傳感器的相位差為120°電角度，根據(jù)在不同時(shí)刻三相繞組的通電情況，分為六個(gè)工作區(qū)間，每個(gè)工作區(qū)間為60°電角度，在每個(gè)工作區(qū)間內(nèi)有特定的兩相繞組通電4】三個(gè)霍爾位置信號(hào)(HaHb、Hc)與回掃點(diǎn)位置信號(hào)(JX，O代表正轉(zhuǎn)，1代表反轉(zhuǎn))被連接到驅(qū)動(dòng)器的中斷輸入cN引腳上，cN引腳上的電平變化會(huì)產(chǎn)生中斷。主控芯片根據(jù)軟件預(yù)制的導(dǎo)通時(shí)序表，實(shí)現(xiàn)繞組換相及正、反轉(zhuǎn)功能，其換相時(shí)序如表2所示。
3 2電流閉環(huán)控制
扇形電動(dòng)機(jī)頻繁工作在正、反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，換相電流變化很大。因此，為保證負(fù)載平穩(wěn)運(yùn)行，扇形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制電機(jī)換相時(shí)電流波動(dòng)。同時(shí)，扇形電動(dòng)機(jī)在受磁止擋反向加速力矩作用時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，在增大的反電勢(shì)作用下，驅(qū)動(dòng)電流會(huì)迅速下降，通過(guò)電流環(huán)控制可使電機(jī)以恒定電流運(yùn)轉(zhuǎn)，使扇形電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。
4樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
所研制扇形電動(dòng)機(jī)樣機(jī)已成功應(yīng)用于某掃描機(jī)構(gòu)中。圖8為樣機(jī)實(shí)物照片。表3為樣機(jī)主要測(cè)試
結(jié)果。 
樣機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的扇形結(jié)構(gòu)有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的結(jié)構(gòu)是可行的，具有轉(zhuǎn)矩重量比
和轉(zhuǎn)角范圍大等特點(diǎn)。
5結(jié)語(yǔ)
本文給出了一種帶磁止擋的新型有限轉(zhuǎn)角無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，采用獨(dú)特的扇形定轉(zhuǎn)子，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，與傳統(tǒng)有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)角范圍大、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足新型掃描機(jī)構(gòu)的要求，具有實(shí)用價(jià)值。
|
