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張 麗(雞西大學(xué) 158100)
1 引 言
近年，在我國使用吸塵器的家庭日益增加，隨著人民生活水平的提高，吸塵器將得到普及。然而，我國吸塵器用無刷直流電動機的生產(chǎn)與需求是不適應(yīng)的，市場上銷售的吸塵器多采用國外電動機組裝，因國產(chǎn)的吸塵器用無刷直流電動機在高速旋轉(zhuǎn)時存在振動大、換向火花大、電刷使用壽命短、噪聲大等問題，用改變電動機的槽口設(shè)計、提高軸承質(zhì)量、優(yōu)化電刷設(shè)計和提高裝配工藝等方法來解決上述所存在的問題收到的效果很小。電機在的這些弊端主要來源于有接觸的換向器——機械換向裝置，若采用電子換向裝置來代替機械換向裝置的無刷電動機，就可有效地解決電機中由于接觸換向所帶來的一系列問題。同時，由于吸塵器對轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性沒有過高的要求，可以避開無刷電動機的缺陷。本文介紹無刷直流電動機的電子換向裝置。
2 無刷直流電動機的基本工作原理
無刷直流電動機用****磁鋼作為轉(zhuǎn)子，電樞繞組裝在定子上，其內(nèi)部的電磁過程與有刷直流電機無大區(qū)別。有刷電機具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁路，是依靠電樞磁勢與主磁磁勢相互垂直以產(chǎn)生大的電磁轉(zhuǎn)矩。而電樞磁勢的建立是由一個滑動的接觸裝置——電刷和換向器，牙能將電流饋給旋轉(zhuǎn)的電樞。在無刷電動機中，用可以旋轉(zhuǎn)的****磁鋼作主磁極（轉(zhuǎn)子），將安裝在定子上的電樞繞組與電子開關(guān)元件相連接，為了獲得一定的電磁轉(zhuǎn)矩，主磁極磁勢與定子繞組所產(chǎn)生的磁勢應(yīng)保持一定的矢量差角，當(dāng)矢量角為90度時，電磁轉(zhuǎn)矩****，所以，應(yīng)使矢量根據(jù)矢量所轉(zhuǎn)動的位置而變動位置，在無刷電動機內(nèi)部應(yīng)有一個位置傳感器，它可以隨時測出轉(zhuǎn)子（主磁極）的位置，用測得的信號控制電子開關(guān)元件，使與開關(guān)元件相連接的定子繞組產(chǎn)生一個跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁勢，以控制磁勢與主磁極磁勢的相對位置在一定范圍內(nèi)變化，這樣，電動機就可以獲得一定量的動轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩），使永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)的轉(zhuǎn)動。所以，無刷電機的電子換向裝置是由位置傳感器和具有電子開關(guān)元件的電子線路構(gòu)成。
在無刷電動機中（原理圖見圖1），定子繞組對稱分布在定子圓周表面，若定子繞組作星形連接，每相繞組出線端與開關(guān)元件相連后接直流電源。如果用三個霍爾元件作位置傳感器，分別放在定子槽口的適當(dāng)位置，它們所得到的信號經(jīng)放大電路放大后，分別輸送給與A、B、C三相連接的電子開關(guān)元件的控制端，以便控制元件的關(guān)斷。
當(dāng)****磁極處在A相傳感器能接到信號的位置時，A相傳感器就有信號輸出，使與A相繞組連接的開關(guān)元件導(dǎo)通，A相繞組通電后產(chǎn)生一磁勢，正好與磁極磁勢有一定的矢量角，產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩，使磁極向方向旋轉(zhuǎn)。見圖2a。當(dāng)磁極轉(zhuǎn)過120度電角度時，F(xiàn)與Fo重合，電磁轉(zhuǎn)矩不為零，此時，A相傳感器的信號消失，A相的元件關(guān)斷，B相傳感器得到信號輸出，使與B相繞組連接的開關(guān)元件導(dǎo)通，定子電樞磁勢的位置由A相繞組軸線跳到B相繞組的軸線，這時又建立一個新的位置關(guān)系，使磁極保持旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，見圖2b。待磁極再轉(zhuǎn)過120度電角度后，B相傳感器的信號消失，C相傳感器得到信號；F又跳到C相繞組軸線位置，再產(chǎn)生一個位置關(guān)系，保持了電磁轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)變化，使轉(zhuǎn)子能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，見圖2c。因此，只要根據(jù)磁場轉(zhuǎn)動的不同位置，以恰當(dāng)?shù)捻樞蛉ソ油ê完P(guān)斷各相出線端所聯(lián)接的開關(guān)元件，保持磁極磁勢滯后電樞磁勢一定電角度的位置關(guān)系，使無刷電動機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而穩(wěn)定運行。
3 無刷電動機電子換向裝置的線路
采用的位置傳感器為霍爾集成電路UGN3020，它是霍爾元件和放大用集成電路的組合，如圖3所示。
當(dāng)所加磁場方向如圖3b所示時，從N垂直進入S，霍爾元件兩端產(chǎn)生一個霍爾電勢，經(jīng)放大整形后變?yōu)榉颠_數(shù)伏的數(shù)字信號輸出。若所加的磁場為梯形波時，輸出的波形如圖4所示。
采用功率MOS管(VMOS)作開關(guān)元件，VMOS管輸入阻抗高，驅(qū)動電流極小，此外，它是多數(shù)載流子器件，沒有雙極型功率管所固有的“存貯效應(yīng)”，因而消除了開關(guān)管的共態(tài)導(dǎo)通，降低了損耗，使無刷電動機工作可靠，VMOS管開關(guān)速度快，動態(tài)功耗小，又是負(fù)溫度系數(shù)器件，所以熱穩(wěn)定性好，沒有雙極性管固有的“二次擊穿”現(xiàn)象，減少了故障率。將霍爾集成電路放在電機定子槽口的適當(dāng)?shù)胤�，并用邏輯電路建�?7r/3高電平信號的波形控制VMOS管開關(guān)，使相應(yīng)繞組導(dǎo)通。這樣，就可以實現(xiàn)對無刷直流電動機的控制。
控制線路是用來控制定子上采用集中繞組的無刷直流電動機，控制線路如圖5所示，以實現(xiàn)電動機在“一相導(dǎo)通三狀態(tài)”下運行。
3.1直流電源
電路的作用有二，一是為直流電動機提供直流電源，所以線路中必須有整流濾波。二是為功率VMOS管和其它電子元件提供12V的直流電源。如圖5中電源電路部分。在電路中采用6A的橋式整流，經(jīng)過330/450V的電解電容濾波，得到242V電壓供給電機。采用220/15V的變壓器，1A的橋式整流、濾波和穩(wěn)壓電路就可獲得一個很穩(wěn)定的12V直流電壓。其作用為利用LM311中的RC延時電路，使起動時加到繞組上的電壓有一上升過程。由于加在電樞繞組上的電壓有一個過渡過程，起動電流按指數(shù)上升，這樣，能提高起動的穩(wěn)定性，起動時發(fā)熱量小，沒有沖擊；利用斬波恒流原理，當(dāng)出現(xiàn)意外情況使電路電流過大時，LM311將輸出低電平封鎖全部功率開關(guān)元件，保護VMOS管，如圖5的保護電路部分。
3.2保護電路
這部分電路包括霍爾位置傳感器和邏輯采用運放LM311組成斬波恒流保護電組合電路，如圖5的電子開關(guān)控制電路部分。
3.3電子開關(guān)的控制電路
將霍爾位置傳感器H1、H2、H3相互間隔120。電角度，放在定子槽口處，邏輯電路中的三個與門由一個4073提供，反相器由4049提供，這些邏輯電路均為CD4000系列芯片，用+12V電源供電。
當(dāng)電動機起動后，霍爾集成電路H1、H2、H3分別感應(yīng)出電壓經(jīng)過邏輯電路的組合，使“控制A相開關(guān)，V-b c控制B相開關(guān)，W=ac控制合相開關(guān)，每相繞組在一個周期內(nèi)，有1/3時間導(dǎo)通，且每次只能一相導(dǎo)通，從而實現(xiàn)三相三狀態(tài)運行。
3.4功率開關(guān)的保護電路
當(dāng)“端電壓為11. 7V左右、A相繞組的選通信號為高電平時，開始導(dǎo)通，A相繞組得到饋電，當(dāng)V端電壓低于VMOS管導(dǎo)通電壓時，VMOS管關(guān)斷，由于電樞繞組的電感性質(zhì)，電流不會立刻消失，在二極管D和R。組成的續(xù)流回路中繼續(xù)流過，并逐漸衰減。此時VMOS管漏極電壓將比電源電壓高一個二級管D和電阻R。的壓降。圖7所示的穩(wěn)壓二極管D是在VMOS管內(nèi)部，當(dāng)電源電壓由意外升高或其它原因使漏極間的電壓升高到超過VMOS管的擊穿電壓時，D。導(dǎo)通，使DS間電壓不超過VMOS管的擊穿電壓，起到保護作用。
線路原理如圖6所示，這部分電路是整個控制電路的核心。
4 結(jié) 語
無刷直流電動機既有一般直流電動機的優(yōu)點，又能有效地解決有刷直流電動機所存在的問題。無刷直流電動機的電子控制線路是采用霍爾集成電路作為位置傳感器，用VMOS管作為控制繞組的開關(guān)元件，使控制線路簡單，運行可靠。
（收稿日期：1997-12-08）
張麗：女，1961年4月出生，講師。
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