一种永磁无刷直流电动机的研制
戴白刃
(常州信息职业技术学院，江苏常州213164)
摘要：研制的永磁无刷直流电动机其结构及工作原理独特，控制电路与电机集于一体，控制方法灵活简单，实现了调速、过流、过压、过热保护等功能，具有高效、安全、可靠等特点。
关键词：无刷直流电动机；结构；单片机；控制电路；控制软件
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)05—0014—02
1无刷直流电动机结构
我们研制的永磁无刷直流电动机的结构如图l所示。它是一种外转子结构的电机，在其外转子内嵌入三对(六个)径向瓦形磁极。N极、s极间隔分布，对应的定子电枢铁心也设计为六齿，并且齿的外形被设计成不对称的特殊形状。
六个电枢绕组串联在一起(事实上由一根导线绕制而成)，但相邻两个绕组的线圈绕制方向是不同的。即一个绕组的线圈按顺时针方向绕制，接下来一个绕组的线圈就按逆时针方向绕制，再接下来一个绕组的线圈又按顺时针方向绕制，即三个间隔的绕组线圈绕制的方向一致。
在铁心某一齿的边缘的适当位置安装一个磁感应位置传感器，以确定该传感器位置对应的径向方向是N极还是s极磁场。
电机控制部分被设计安装在电机内部，与电机形成一体。只要外加直流电源，电机就可以运行。电机外观简洁，使用方便。
2工作原理
按照无刷直流电动机的结构，转子磁钢在气隙中形成磁场，并且由于定子铁心齿的外形为不对称的特殊形状，因此电机在不加电流时，外转子相对静止，外转子的磁极轴线与定子铁心齿的轴线不重合，形成一个固定的夹角α，霍尔传感器对应的径向方向不是N极就是s极磁场，也使得铁心齿上的绕组两边，一边完全处在外转子某一磁极下，另一边则处在相反磁极下。另外，相对于电机外转子和定子上的霍尔传感器的位置而言，只有六个静止点(三点对应N极磁场，三点对应s极磁场)，且每点相距60。。
根据霍尔传感器的位置，控制器给电枢绕组加某一方向的电流，将产生一个作用于该导体的电磁力(由于同一电枢绕组的两边是在不同的磁场中，且电流方向不同，因此受到电磁力的方向是一致的)，由于绕组线圈在定子上，故外转子受到了一个反作用力，即电磁力对外转子中心轴形成一个力矩，迫使外转子围绕中心轴线旋转。当外转子旋转了一定的角度，在齿轴线和下一个磁极轴线重合以前，切断电枢绕组中的电流，使外转子受惯性及转子本身磁场的作用继续朝同一方向(也就是下一静止点方向)转动，当转到静止点时，霍尔信号发生变化，控制器再立即给电枢绕组加另一方向的电流，此时对应的外转子磁极也发生了变化，使外转子继续围绕中心轴线旋转。
此外，为了控制电机的转速，只要控制流过电枢电流的大小和时间即可。
3特点
根据这种电机的结构及工作原理，我们可以得出:
(1)电机工作时，所有电枢绕组始终流过电流，而死区时问可调整到很短，当电流5A时效率达百分之83。
(2)控制电路简单，所用器件少。由于这种电机的特殊结构，只需一只位置传感器，而功率开关晶体管也只需两对(四只)。而且如果需要，电枢及外转子的磁极可成对增加，但所需位置传感器及功率开关晶体管无需增加。
(3)控制、驱动电路在电机内部，整个电机体积并不太大。当功率为240 w时，电机的尺寸为直径90 mm，高85 mm。
(4)根据需要可方便地调速。
4控制电路
永磁无刷直流电动机的控制电路由单片机、功率开关晶体管、驱动电路及传感器等组成，主要实现了换向与调速两个功能。图2是控制电路的主要逻辑图。P1、P2分别连接电枢。
4.1换向
为了使电枢绕组中的电流按一定的逻辑不断改变电流方向，单片机首先依据霍尔传感器的信号控制打开某对功率晶体管。假如，先打开功率晶体管Q1及功率晶体管Q2，使电流从P1流人P2流出，当外转子旋转了一定的角度时，单片机控制电路关断Ql及Q2，使电枢中瞬时无电流，这个瞬时断流时间是必须的。它有几个作用：(1)使外转子向静止点方向转动，(2)换向时保护晶体管，(3)调整电流流过电枢的时间。当霍尔传感器信号变化时，单片机控制电路再打开晶体管Q3和晶体管Q4，使电流从P2流入P1流出，改变电枢中电流的流动方向，起到换向作用。霍尔传感器信号不断变化，单片机不断控制电路关闭、打开相应晶体管，电枢电流不断换向。
4.2调速
控制电路采用PHILIPS P87LPC768单片机。该单片机功能强，价格低，应用灵活，具有lO位PwM输出及8位A／D输入的功能。因此，当外界通过IN3给出一个电压值时，单片机就得到了该电压对应的所需的电机转速。单片机根据所需的转速，改变PwM的脉宽，调整转速，当PwM的脉宽无法调整时，再改变换向时的死区时间。在一个周期内，死区时间短，电机转速加快；死区时间长，电机转速变慢。但需注意的是，必须有一定的“死区时间”，随着“死区时间”的变化，电枢换向频率也变化。采用这种调速方法,电机调速范围宽,可以从每分钟几十转到每分钟几千转之间调整。图3是电枢电压示意图及位置传感器的输出波形图。
此外，由于控制电路在电机本体内部，因此对控制电路器件小型化、可靠性、散热性都提出了较高的要求。
5控制软件
永磁无刷直流电动机的控制核心是单片机，采用单片机作为控制核心，具有灵活、方便并可实现许多额外的功能的特点。但关键是单片机控制软件，因此，其控制软件要详尽设计，反复测试。单片机控制软件主要实现了：
(1)电机的起动控制
在电机起动时，首先判别霍尔位置传感器所处的磁极，然后决定先打开哪对晶体管，即决定电流先从Pl流出还是先从P2流出，其次为了达到“软起动”的效果，对起动时的PwM波要根据电机的负载进行调整。
(2)电枢电流的换向
根据“死区时间算法”及霍尔传感器的信号不断关闭、打开相应的管子，使电枢电流换向。
(3)电机的速度控制
当电机起动后，控制软件随时处理设置的转速值，根据数字PID控制算法，不断调整PwM宽度及“死区时间”，以使电机转速达到设置转速的目的。
(4)其他功能
应用一些其它简单的电路，控制软件对电枢的电流、电压及电机内部的温度进行监测，一旦发现监制的对象出现异常，立即关断所有管子，停止电机的运行，保证电机自身的安全。
此外，还具有向上位机报告当前电机转速等功能。
6结语
所研制的电机虽然是直流供电，但其电枢工作波形却可看作是交流信号，其可控性、可调性比较好，效率也较高。
该电机的主要技术指标：工作电压范围30-56V(DC)，额定电流5A，****电流10A，额定功率240W，效率区间百分之70-百分之83，调速范围50-4500r/min,外形尺寸Φ90mmx85mm。
目前，该电机在风机领域得到了广泛的应用。
|
