實(shí)現(xiàn)無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)

無刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)和伺服系統(tǒng)中，在許多場(chǎng)合，不但要求電機(jī)具有良好的起動(dòng)和調(diào)節(jié)特性，而且要求電機(jī)能夠正反轉(zhuǎn)，將著重分析無刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)原理和實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的方法。

有刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以通過改變電源電壓的極性來實(shí)現(xiàn)，而無刷直流電機(jī)則不能通過改變電源電壓的極性來實(shí)現(xiàn)，但無刷直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的原理和有刷直流電機(jī)是相同的。

通常采用改變逆變器開關(guān)管的邏輯關(guān)系，使電樞繞組各相導(dǎo)通順序變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，為了使電機(jī)正反轉(zhuǎn)均能產(chǎn)生最大平均電磁轉(zhuǎn)矩以保證對(duì)稱運(yùn)行，必須精確設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器與轉(zhuǎn)子主磁極和定子各相繞組的相互位置關(guān)系，以及正確的邏輯關(guān)系，下面以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)稀土永磁無刷直流電機(jī)為例，來分析其正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)方法，采用霍爾元件轉(zhuǎn)子位置傳感器來實(shí)現(xiàn)永磁無刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)調(diào)速，三個(gè)霍爾元件沿圓周均勻分布粘貼于電機(jī)端蓋上，故霍爾元件彼此相差120°電角度。

無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)方法

無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的方法有兩種：

● 裝置兩套轉(zhuǎn)子位置傳感器。

● 采用一套轉(zhuǎn)子位置傳感器，借助邏輯電路改變功率開關(guān)晶體管的導(dǎo)通順序，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

可以這么說，由轉(zhuǎn)子位置傳感器控制的功率開關(guān)晶體管導(dǎo)通順序，確定無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)電樞磁勢(shì)矢量究竟往哪個(gè)方向轉(zhuǎn)，也就決定了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，還真不是電源極性所能確定得了的，加載到無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)電樞繞組上的電源極性原本就是不斷交變的。

有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)原理

為便于分析無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)原理，這里先對(duì)有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)問題進(jìn)行討論。

圖1給出了有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)原理。圖1（a）中磁極下電樞電流分布情況下，利用左手定則或比奧·薩乏定律可知，電樞將按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果改變電樞電流方向，使其產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)與圖1（a）中的方向相反，即轉(zhuǎn)過去180電角度，如圖1（b）所示，則電樞將按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。若保持圖1（b）中的電樞電流的方向不變，而把定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)180電角度，如圖1（c）所示，則電樞又將按照順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1

基于以上分析，可以得出結(jié)論：對(duì)于有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)而言，定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中，只要有一個(gè)磁場(chǎng)且只能有一個(gè)磁場(chǎng)，若相對(duì)原磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)180電角度，則電動(dòng)機(jī)就改變其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。所以，在有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)中，改變電源電壓的極性，就可以改變電樞電流的方向，從而改變其轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，其實(shí)際接線如圖2所示。

圖 2

無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)如何正反轉(zhuǎn)？

無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)不能通過改變電源電壓的極性來實(shí)現(xiàn)，然而它正反轉(zhuǎn)的原理與有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)相同。圖3表示了在旋轉(zhuǎn)過程中，一臺(tái)四相星形無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的相互關(guān)系。每相繞組導(dǎo)通角為90電角度，其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖4所示。

圖 3

在圖3中，我們可以看到：

1） 當(dāng)t=t1時(shí)，U相繞組通電，電流方向和轉(zhuǎn)子永磁體的位置如圖3（a）中狀態(tài)所示，永磁體轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此時(shí)換成W相繞組通電，則定子磁場(chǎng)就相對(duì)圖3（a）狀態(tài)旋轉(zhuǎn)過180電角度，如圖3（a’）中狀態(tài)所示，永磁體轉(zhuǎn)子便逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2） 當(dāng)t=t2時(shí)，V相繞組通電，永磁體轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3（b）中狀態(tài)所示。如果此時(shí)換成圖3（a’）逆時(shí)針轉(zhuǎn)至圖3（b’）中狀態(tài)，則定子磁場(chǎng)就相對(duì)圖3（b）狀態(tài)同方向，此時(shí)永磁體轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相差180電角度，轉(zhuǎn)子繼續(xù)按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖 3

3）當(dāng)t=t3時(shí)，W相繞組通電，永磁體轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3（c）中狀態(tài)所示。如果此時(shí)換成圖3（b’）逆時(shí)針轉(zhuǎn)至圖3（c’）中狀態(tài)，U相繞組通電，則定子磁場(chǎng)就相對(duì)如圖3（c）狀態(tài)旋轉(zhuǎn)過180電角度，如圖3（c’）中狀態(tài)所示，轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

4）當(dāng)t=t4時(shí)，X相繞組通電，永磁體轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3（d）中狀態(tài)所示。如果此時(shí)換成圖3（c’）逆時(shí)針轉(zhuǎn)至圖3（d’）中狀態(tài)，則定子磁場(chǎng)就相對(duì)圖3（d）狀態(tài)同方向，此時(shí)永磁體轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相差180電角度，轉(zhuǎn)子繼續(xù)按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖 3

由上面的分析可以看到：當(dāng)無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)電樞繞組的通電狀態(tài)按（a）-（b）-（c）-（d） -（a）順序連續(xù)變化時(shí)，永磁體轉(zhuǎn)子便按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；如果電樞繞組的通電狀態(tài)按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）順序連續(xù)變化時(shí)，則永磁體轉(zhuǎn)子就按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。比較狀態(tài)（a）和（a’），（b）和（b’），（c）和（c’），（d）和（d’），可以發(fā)現(xiàn)它們之間的差別僅在于：要么反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)與正轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)之間相差180電角度，要么反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與正轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間相差180電角度。這與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的原理是一致的。

圖 4

無刷直流永磁電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理圖

如何實(shí)現(xiàn)圖3所示狀態(tài)無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)電樞繞組的通電狀態(tài)按（a）-（b）-（c）-（d） -（a）順序連續(xù)變化到按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）順序連續(xù)變化轉(zhuǎn)換呢？電動(dòng)機(jī)電樞繞組的通電是借助驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其相繞組U、V、W、X分別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)UU、UV、UW、UX—一對(duì)應(yīng)，我們需要按下列步驟變更驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)控制無刷永磁同步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

● 初始狀態(tài)

在本應(yīng)是U相繞組通電的轉(zhuǎn)子位置上，不讓U相繞組通電，而讓W(xué)相繞組通電，也就是在此刻把驅(qū)動(dòng)信號(hào)Uu去驅(qū)動(dòng)W相繞組，使W相繞組通電，便實(shí)現(xiàn)了由狀態(tài)（a）到（a’）的切換。

● 轉(zhuǎn)過90電角度

此時(shí)順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)向相反方向，即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)互差180電角度，定子電樞磁場(chǎng)同方向才能使逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)的磁極繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。故同為UV去驅(qū)動(dòng)V相繞組，使V相繞組通電，實(shí)現(xiàn)了由狀態(tài)（b）到（b’）的切換。

圖 5

● 轉(zhuǎn)過180電角度

此時(shí)順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)向同方向，即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同與初始狀態(tài)互差180電角度，在本應(yīng)是W相繞組通電的轉(zhuǎn)子位置上，不讓W(xué)相繞組通電，而讓U相繞組通電，也就是在此刻把驅(qū)動(dòng)信號(hào)UW去驅(qū)動(dòng)U相繞組，使U相繞組通電，便實(shí)現(xiàn)了由狀態(tài)（c）到（c’）的切換。

● 轉(zhuǎn)過270電角度

此時(shí)順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極又轉(zhuǎn)向相反方向，即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)互差180電角度，定子電樞磁場(chǎng)同方向才能使逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)的磁極繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。故同為UX去驅(qū)動(dòng)X相繞組，使X相繞組通電，實(shí)現(xiàn)了由狀態(tài)（d）到（d’）的切換。

圖 5

● 轉(zhuǎn)過360電角度

回到初始狀態(tài)，重復(fù)上述過程。

采用接觸式或無接觸式聯(lián)動(dòng)開關(guān)就可以完成（a）-（b）-（c）-（d） -（a）順序連續(xù)變化到按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）順序連續(xù)變化切換，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)由順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)到逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的變換。圖5是它的原理圖，圖中方塊1為聯(lián)動(dòng)開關(guān)。