摘要：介绍了一种新型结构的有限转角无刷直流力矩电动机，定、转子采用扇形结构，可有效降低电机的体积、重量。对扇形结构有限转角无刷直流电动机的工作原理、结构形式、控制技术进行了分析。样机测试结果表明，该扇形结构电机体积小、重量轻、定位精度高、啊应快，可满足新型扫描机构的要求，具有重要应用价值。
关键词：有限转角；无刷直流电动机；扇形结构
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2009)10-0040-03
0引 言
在扫描机构运动中，高速回扫和低速跟踪对于驱动组件的要求与一般伺服系统不同，在实际使用
中，驱动组件只工作在一定的摆角范围内。目前使用的扫描机构通常采用力矩电动机加齿轮减速，通过曲柄连杆机构带动负载的方案，这种方案需要占用较大空间。而新型机载扫描机构中体积和重量受到严格限制，传统驱动组件无法满足要求。因此，需要一种新型驱动组件保证扫描机构具有更小的体积、更轻的重量，同时满足扫描机构在高速回扫时响应速度快、低速跟踪时定位精度高、转速平稳的系统要求。
本文介绍了一种新型扫描机构驱动组件，以扇形结构的有限转角无刷直流电动机(以下简称扇形
电动机)作为动力源，并在定、转子外侧增加磁止挡，作为永磁储能装置补偿扫描机构在高速扫描时
的正向制动和反向加速性能，体积和重量比传统电机小一半。这种扇形电动机及位置反馈系统与运动部件连接形成同步运动，电动机转动部件与负载直接连接，增加了电机与负载的刚度，大大减少了传动功率损失，降低了对电机额定功率的要求，同时在机械上减少了传动间隙，提高了定位精度。图1为传统扫描机构与新型扫描机构运动力学对比示意图。
1扇形电动机结构
1．1传统有限转角电动机结构
传统摆动磁极型有限转角电动机结构为齿槽式或环形绕线式。齿槽式是指线圈均匀嵌在定子槽内，定子绕组一般采用同心式绕组，结构图如图2所示1】这种结构的不足之处是圆心处绕组端部整形困难。环形绕线式是指将线圈紧密地绕在环形导磁环上，绕制的层数可以根据结构尺寸和技术要求确定，结构图如图3所示2】
这种形式的缺点是：电机的磁场气隙大，气隙磁密不高，直接导致了电机的堵转力矩降低。传统摆动电机还存在一个局限性，即当磁极摆动超出一定范围时，线圈交链的永磁磁通下降，进入力矩下降区域，其力矩性能受转角范围制约明显，而且该结构电机在系统中体积、重量仍较大。
1 2扇形电动机结构
本文提出的扇形电动机又称带磁止挡结构的有限转角无刷直流电动机，其定、转子结构呈扇形。扇形电动机转子直接与负载旋转体连接，转子设计为半圆柱体，定子设计为扇形圆柱体。扇形电动机定子与负载固定结构件连接，转子扇形角度大于定子扇形角度，从而可保留电机转子的回旋角度。图4为扇形电动机横截面示意图，扇形电动机的构成和普通三相无刷直流电动机相似，由定子、永磁转子、位置传感器组成。
本文提出的扇形电动机除采用新颖的扇形结构外，和普通电机相比还具有以下不同的设计：
(1)磁止挡结构
在电机定子两侧和转子两侧回扫限位点都装有磁止挡，磁止挡的定、转子同侧磁极极性相同，磁止挡的反向推力可以对电磁力矩产生补偿作用，在电机摆角过程中增加反向推力，保证了负载在高速扫描时的正向制动和反向加速性能。定、转子磁止挡之间间隙6的设计应符合以下原则：电机转子在±α1内运动时不受磁止挡反向推力影响；在一α1~一α2、+α1～+α2之间运动时，受磁止挡反向推力作用产生制动效果；在一α2～一α3和+α2～+α3之间运动时受磁止挡反向推力的作用产生反向加速效果，反向力矩****。图5为磁止挡力学曲线，在磁止挡设计时应根据曲线的要求采用有限元法进行精确计算。图6为磁止挡结构图。
传统有限转角电动机只有一套绕组，因此只要控制流人绕组的电流方向即可实现摆角功能，不需
要换向信号。这种电动机控制简单，但是扫描角度范围不大。扇形电动机工作原理和普通三相无刷直流电动机相似，通过位置传感器检测转子位置，实现三相绕组换相，在回转角范围内，都可以产生连续转矩，从而提高电动机的扫描角度范围。和普通三相无刷直流电动机不同的是，为实现扇形电动机摆角特性，该扇形电动机除了在定子绕组上装有三个位置传感器外，同时在扫描回扫点位置增加一个位置传感器，提供反向运行信号。
2扇形电动机工作原理
扇形电动机的工作原理与普通三相无刷直流电动机类似，通过位置传感器检测转子位置，使定子绕组按照一定的顺序导通，定子磁场与转子磁极相互作用，产生连续的转矩来驱动转子转动3】普通三相无刷直流电动机的驱动方式是比较成熟的控制方案，扇形结构电机的驱动与普通三相无刷直流电动机驱动类似，其特殊性表现在定子绕组换相信号由传感器信号与频率信号共同作用，控制扇形电动机按一定的频率，在一定角度范围内进行正、反转扫描运动。
扇形电动机与传统有限转角电动机存在不同之处，表1对两者的优缺点进行了对比。
从表1对比可知，扇形电动机具有如下特点：绕组采用三相对称绕组，绕组端部分布均匀，便于整形；磁场气隙小，气隙磁密高，有利于提高力矩性能：新颖的磁止挡结构设计，减小了对电机本身负载能力的要求，同时该特性有效改善了扫描机构在极限回扫时的速度稳定性；该扇形电动机力矩性能不受转角范围制约，能达到与圆形电动机相近的性能，而重量只有传统电动机的t／2，转角范围可通过合理选择扇形角、槽数和极对数，满足设计要求。
3扇形电动机的驱动
扇形电动机的驱动类似于普通三相无刷直流电动机，但与一般连续旋转的无刷电动机又有所不同，要求以不同频率带动负载在一定角度内往复扫描，电机不停地在正、反转状态工作，电机中换向电流变化较大。因此，该驱动器的换向驱动控制和电流控制是关键技术。图7为扇形电动机驱动控制原理框图
3 1扫描功能实现
该扇形电动机三个霍尔位置传感器的相位差为120°电角度，根据在不同时刻三相绕组的通电情况，分为六个工作区间，每个工作区间为60°电角度，在每个工作区间内有特定的两相绕组通电4】三个霍尔位置信号(HaHb、Hc)与回扫点位置信号(JX，O代表正转，1代表反转)被连接到驱动器的中断输入cN引脚上，cN引脚上的电平变化会产生中断。主控芯片根据软件预制的导通时序表，实现绕组换相及正、反转功能，其换相时序如表2所示。
3 2电流闭环控制
扇形电动机频繁工作在正、反转工作状态，换相电流变化很大。因此，为保证负载平稳运行，扇形电动机驱动采用电流闭环控制，可有效抑制电机换相时电流波动。同时，扇形电动机在受磁止挡反向加速力矩作用时，转子转速升高，在增大的反电势作用下，驱动电流会迅速下降，通过电流环控制可使电机以恒定电流运转，使扇形电动机平稳运行。
4样机实验结果
所研制扇形电动机样机已成功应用于某扫描机构中。图8为样机实物照片。表3为样机主要测试
结果。 
样机的性能测试结果表明，本文提出的扇形结构有限转角电机的结构是可行的，具有转矩重量比
和转角范围大等特点。
5结语
本文给出了一种带磁止挡的新型有限转角无刷直流电动机结构，采用独特的扇形定转子，可直接驱动负载，与传统有限转角电动机相比，具有体积小、重量轻、响应速度快、转角范围大、定位精度高等优点，可满足新型扫描机构的要求，具有实用价值。
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