无刷直流电动机的控制

 (一)电子换向电路
    一般来说，无刷直流电动机的电子换向电路可分为3个
功能部分，见图2-5-7。

    (1)位置传感器电路。此电路向位置传感器提供激励，并将传感器输出信号检出、放大、整形为方波信号。
    (2)控制信号处理电路。此电路将位置传感器信号由逻辑电路进行处理并接收外界的启停、调速和正、反转等指令信号，获得对各相绕组正确导通顺序和有合适导通角的逻辑信号。
    (3)功率放大电路。功率放大电路将上述逻辑信号驱动功率级开关适时接通或断开，它还包括续流回路和保护回路。晶体管典型的工作方式是开关工作状态，某些小功率无刷直流电动机中的功率级晶体管处于线性放大工作状态。
    图2—5—8是一个三相非桥式电子换向控制电路。

    它采用电磁式位置传感器，利用晶体管的LC三点式振荡电路产生约300kHz的正弦波。其中利用r位置传感器原方电感线圈。此振荡正弦波电流从传感器原方输入，当转子转1转时，传感器副方h、i、J绕组上产生被转子位置调制过的高频输出信号。在传感器信号处理电路中，它们被二极管检波、解调并经晶体管放大后，得到h、iJ方渡信号。这3个信号再经后续处理得到驱动信号SA、SB sC。无刷直流电动机控制信号

  由于无刷直流电动机必须带有电子换向电路，从而对电动机的启停控制，正、反转控制，制动控制，功率控制，只需小功率逻辑电平控制即可实现。这样，微型计算机、可编程序控制器或其他数控系统都很容易与无刷直流电动机接口。
(二)启停控制
    有刷直流电动机启停控制是通过主电源接通或断开来实现的，通常是用有触点的开关来完成。无刷直流电动机也可采用这个方法。此外，还可以采用下列的方法：
    (1)用位置传感器原方信号的通断来控制。例如：控制电磁式传感器原方振荡信号的有与无。
    (2)在控制信号处理电路中用一逻辑信号控制位置传感器的选通来实现。如图2—5—8中，以信号R=1为启动，R—O为停机。
(=)正反转控制
    永磁有刷直流电动机的反转运行是由改变电枢两端与电源的极性联接(反接)来实现的。由于无刷直流电动机的换向电路不允许反接到电源上，故反转的实现要采用别的方法，例如：
    (1)每相绕组两端头互换。这可采用双掷开关或接触器触点来实现。
    (2)用霍尔元件作位置传感器的，可将每片霍尔元件一对电流端或电势端两端互换。
    (3)采用正反转两套位置传感器。
    (4)逻辑门选通方法。即电动机传感器设计上有专门的考虑，在控制电路中用一逻辑信号(代表正反转状态)的指令来改变电动机各相绕组的导通顺序。例如，如图2-5-8中电磁式传感器的转子导磁片设计为180°，使传感器输出信号h、i、j的占空比为1：1，正反转控制信号为w，图中信号处理
符合下列布尔代数式：
   
    当W=1时实现正转，w一0时为反转，如图2 -5 -9所示。

    (四)制动控制
    若需要电机立即停转，可采用制动控制。当主功率开关晶体管在停机信号控制下进入截止工作状态后，适时引入能耗回路。使电动机处于发电机状态，各相绕组的再生电流产生制动力矩，加快了制动过程。
    图2—5—10是非桥式三相换向电路，它引入3个二极管D1、D2、D3，电阻器R和开关S组成制动回路。在停机信号作用下，主开关晶体管截止，然后制动控制信号将开关S闭合，各相绕组产生
制动电流。当电动机完全停转后，制动控制信号结束，使开关S断开，切断制动回路。
    同样一对于桥式换l口J电路，也可以设计类似的制动控制回路。这里的开关s，可以用一功率晶体管来代替，而且也可以将晶体管接成恒流工作方式，实现恒流能耗制动。

    (五)功率控制
    无刷直流电动机在调速控制或稳速控制时都需要对输入功率，即输入电压和电流进行控制。一种方法是将换向回路看作一个直流电动机，串接一功率晶体管(调整管)到直流电源，以调整供给换向电路的电压(电流)。这个串接的调整晶体管可以工作于线性放大区，也可以是脉宽调制(PWM)_[作方式的。
    更常用的方法是直接利用换同功率晶体管。同样，它们也可以工作于线性放大状态或脉宽调制工作状态(或脉冲频率调制工作状态)。
    线性工作状态比较简单和经济，常用于20W以下和有限调整范围的情况。而脉宽调制，又称斩波控制方式则适用于较大功率的无刷直流电动机的功率控制。而且有较高的效率。图2—5 8的脉宽调制信号从D点引入，就是这样一个例子。
(六)转速的检出和控制
    与有刷直流电动机控制相似，除了开环速度调节外，转速闭环控制可分为两种典型方案：
    (1)模拟量转速控制方法。利用同轴安装直流测速发电机(通常是用无刷直流测速发电机)作为转速检测反馈，与给定转速指令电压进行比较，其差值放大后控制无刷直流电动机。精密的转速闭环控制系统速度精度可达0.1％。对于小功率、要求较低成本，调整范围小于1：10的无刷直流电动机调速系统，则可免去外加测速发电机，直接利用各相绕组不工作期间(该相功率晶体管截止时)的反电势经二极管整流后获得反映电动机转速的电压信号，作测速电压信号，图2 5 11就是一个例子。

    图2—5—11所示的是多极性工作的霍尔无刷直流电动机。两个霍尔元件作位置传感器，其输出信号经比较器电路得到方波位置信号，由逻辑电路处理得到驱动4个功率开关管的信号，使每个绕组各导通90°工作。速度检测是由连接到电动机绕组的4个二极管的检波作用来实现的。由于每相绕组只
有l／4周期工作，其余时间换向晶体管截止。四绕组不工作期间的反电势经

   二极管检波后可以得到反映电动机转速的电势EC用适当的滤波器滤除交流分量．其直流分量(EC-VS)，正比于转速n．一无刷直流电动机的这个测速信号是从相绕组不[作期间的反电势得到的，所以不必像有删直流Fb机的桥式测速回路那样要对LR压降进行补偿。这个转速反馈信号与预置速度信号
比较，送入PI塞度词节器，在直流电源输人线上串柏测定电流的电阻，电流反馈信号与速度调节器输出进行比较后，在电流调节器形成变频率、变占空比的斩波控制信号，对串接的Ts调整晶体管进行斩波控制。，
    续流二极管D和串联电感器L，的作用是在被斩波的开关功率G管开期间内，保持电动机绕组电流的连续性。
    (2)锁频锁机转速控制方法。锁相转速控制系统是将锁相环技术(PLL)引入速度控制，形成一种高精度数字速度控制系统。其基本框图见图2 5 12。

    锁相转速控制系统由速度给定、频相比较器、校正环节、功率放大器、电动机、转速编码器等组成。其特征是速度反馈和给定都是脉冲量，即以其频率数代表  定的转速。当系统锁定后，电动机的转速(对应于频率，f1和给定转速(对应于频率fr)保持相等，而lJ两者之相位差只在小范围内变化，系统就是依靠此相差的微小变化来达到划外界干扰量的平衡，维持，严格的锁频锁相状态。如果参考速度给定频率采用高精度石英品体振荡器为频率源时，系统可以得到高精度转速而且其速度稳定精度可达到0．002％
    无刷直流电动机锁相速度控制系统同样可采用如图2 5 12所示的系统。，由于换向电路本身就是功率放大器，因此较为方便。末级大多工作于开关状态，宦采用PwM工作方式。这种系统通常是数字模拟混合式的。对于小功率或对速度的瞬时稳定度要求较低的系统可以采用下面的简化方案：
    (1)直接利用频相比较器输出相位差调制末级换向晶体管。
    (2)转速信号直接从位置传感器获得，免去在电动机同轴上安装昂贵的光电增量编码器。以三相非桥式换向电路为例，转速信号u可以从位置传感器信号z、y、z经下式逻辑处理得到：
    U=x·y+y·z+z·z
    随着无刷直流电动机在录像机、磁盘机、复印机等产品中的应用，其专用集成电路已有许多厂商制作。采用专用集成电路控制是无刷直流电动机应用的方向。
(七)无转子位置传感器无刷直流电动机的控制
    在某些特殊应用场合，如条件极其恶劣或要求高可靠性的场合不宜采用位置传感器，可采用此种控制技术。这种方法的思路是，当电动机转动时，从各相绕组感应电势波形的特殊点检测出作为反映转子位置的信号，代替位置传感器，实现无刷直流电动机的正常电子换向。显然，在零速和低速区，
感应电压或者为零或者很小，不可能形成位置信号。因此，必须用其他方法使电动机启动。******也是典型的方法是将它作步进电动机低速启动，当升速到一定速度后，自动切换到无刷直流电动机工作状态。这种控制方法既可以用数字电路来完成，也可以用微处理器控制来实现，这对于同时控制多台
元刷电动机更为合理。
    这种控制方法，电动机的“简化”(只有电动机本体)是以增加控制电路的复杂性来实现的。从经济上和技术性能上说不一定合算，故只适用于特殊需要的场合。