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無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電流取樣在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中十分重要
 
 
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(wú)論對(duì)指示、控制,它都有著不可忽視的作用。電樞電流流過(guò)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(guò)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(jiàn),電樞電流取樣在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中是十分重要的。
無(wú)刷直流電機(jī)的工作簡(jiǎn)述
    無(wú)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(jiàn)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(jiàn)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(jiǎn)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(jiàn)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(chǎng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shuō)幾乎是無(wú)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(jiàn)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(guò)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(guò)電流保護(hù)。亦可在僅運(yùn)行于第一象限的系統(tǒng),即無(wú)勢(shì)能負(fù)載且無(wú)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(wú)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(jiǎn)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(wú)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(kāi)關(guān)。
    見(jiàn)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(kāi)始或換相將結(jié)束的瞬間,毛刺將更大。以上是按模擬開(kāi)關(guān)為理想情況考慮的,實(shí)際上模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(lái)(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(lái)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(wú)需判向的場(chǎng)合。
    電流****值判向的取樣方式在我所生產(chǎn)的160LW無(wú)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(zhǎng),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。
 
 
    鐘仁人:男,1940年lI月出生,****工程師,主要從事直流(有刷及無(wú)刷)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究。
 
 
 
 
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