摘要：介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的有限轉(zhuǎn)角無刷直流力矩電動機，定、轉(zhuǎn)子采用扇形結(jié)構(gòu)，可有效降低電機的體積、重量。對扇形結(jié)構(gòu)有限轉(zhuǎn)角無刷直流電動機的工作原理、結(jié)構(gòu)形式、控制技術(shù)進行了分析。樣機測試結(jié)果表明，該扇形結(jié)構(gòu)電機體積小、重量輕、定位精度高、啊應快，可滿足新型掃描機構(gòu)的要求，具有重要應用價值。
關(guān)鍵詞：有限轉(zhuǎn)角；無刷直流電動機；扇形結(jié)構(gòu)
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2009)10-0040-03
0引 言
在掃描機構(gòu)運動中，高速回掃和低速跟蹤對于驅(qū)動組件的要求與一般伺服系統(tǒng)不同，在實際使用
中，驅(qū)動組件只工作在一定的擺角范圍內(nèi)。目前使用的掃描機構(gòu)通常采用力矩電動機加齒輪減速，通過曲柄連桿機構(gòu)帶動負載的方案，這種方案需要占用較大空間。而新型機載掃描機構(gòu)中體積和重量受到嚴格限制，傳統(tǒng)驅(qū)動組件無法滿足要求。因此，需要一種新型驅(qū)動組件保證掃描機構(gòu)具有更小的體積、更輕的重量，同時滿足掃描機構(gòu)在高速回掃時響應速度快、低速跟蹤時定位精度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的系統(tǒng)要求。
本文介紹了一種新型掃描機構(gòu)驅(qū)動組件，以扇形結(jié)構(gòu)的有限轉(zhuǎn)角無刷直流電動機(以下簡稱扇形
電動機)作為動力源，并在定、轉(zhuǎn)子外側(cè)增加磁止擋，作為永磁儲能裝置補償掃描機構(gòu)在高速掃描時
的正向制動和反向加速性能，體積和重量比傳統(tǒng)電機小一半。這種扇形電動機及位置反饋系統(tǒng)與運動部件連接形成同步運動，電動機轉(zhuǎn)動部件與負載直接連接，增加了電機與負載的剛度，大大減少了傳動功率損失，降低了對電機額定功率的要求，同時在機械上減少了傳動間隙，提高了定位精度。圖1為傳統(tǒng)掃描機構(gòu)與新型掃描機構(gòu)運動力學對比示意圖。
1扇形電動機結(jié)構(gòu)
1．1傳統(tǒng)有限轉(zhuǎn)角電動機結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)擺動磁極型有限轉(zhuǎn)角電動機結(jié)構(gòu)為齒槽式或環(huán)形繞線式。齒槽式是指線圈均勻嵌在定子槽內(nèi)，定子繞組一般采用同心式繞組，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示1】這種結(jié)構(gòu)的不足之處是圓心處繞組端部整形困難。環(huán)形繞線式是指將線圈緊密地繞在環(huán)形導磁環(huán)上，繞制的層數(shù)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和技術(shù)要求確定，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示2】
這種形式的缺點是：電機的磁場氣隙大，氣隙磁密不高，直接導致了電機的堵轉(zhuǎn)力矩降低。傳統(tǒng)擺動電機還存在一個局限性，即當磁極擺動超出一定范圍時，線圈交鏈的永磁磁通下降，進入力矩下降區(qū)域，其力矩性能受轉(zhuǎn)角范圍制約明顯，而且該結(jié)構(gòu)電機在系統(tǒng)中體積、重量仍較大。
1 2扇形電動機結(jié)構(gòu)
本文提出的扇形電動機又稱帶磁止擋結(jié)構(gòu)的有限轉(zhuǎn)角無刷直流電動機，其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)呈扇形。扇形電動機轉(zhuǎn)子直接與負載旋轉(zhuǎn)體連接，轉(zhuǎn)子設計為半圓柱體，定子設計為扇形圓柱體。扇形電動機定子與負載固定結(jié)構(gòu)件連接，轉(zhuǎn)子扇形角度大于定子扇形角度，從而可保留電機轉(zhuǎn)子的回旋角度。圖4為扇形電動機橫截面示意圖，扇形電動機的構(gòu)成和普通三相無刷直流電動機相似，由定子、永磁轉(zhuǎn)子、位置傳感器組成。
本文提出的扇形電動機除采用新穎的扇形結(jié)構(gòu)外，和普通電機相比還具有以下不同的設計：
(1)磁止擋結(jié)構(gòu)
在電機定子兩側(cè)和轉(zhuǎn)子兩側(cè)回掃限位點都裝有磁止擋，磁止擋的定、轉(zhuǎn)子同側(cè)磁極極性相同，磁止擋的反向推力可以對電磁力矩產(chǎn)生補償作用，在電機擺角過程中增加反向推力，保證了負載在高速掃描時的正向制動和反向加速性能。定、轉(zhuǎn)子磁止擋之間間隙6的設計應符合以下原則：電機轉(zhuǎn)子在±α1內(nèi)運動時不受磁止擋反向推力影響；在一α1~一α2、+α1～+α2之間運動時，受磁止擋反向推力作用產(chǎn)生制動效果；在一α2～一α3和+α2～+α3之間運動時受磁止擋反向推力的作用產(chǎn)生反向加速效果，反向力矩****。圖5為磁止擋力學曲線，在磁止擋設計時應根據(jù)曲線的要求采用有限元法進行精確計算。圖6為磁止擋結(jié)構(gòu)圖。
傳統(tǒng)有限轉(zhuǎn)角電動機只有一套繞組，因此只要控制流人繞組的電流方向即可實現(xiàn)擺角功能，不需
要換向信號。這種電動機控制簡單，但是掃描角度范圍不大。扇形電動機工作原理和普通三相無刷直流電動機相似，通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)三相繞組換相，在回轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，都可以產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，從而提高電動機的掃描角度范圍。和普通三相無刷直流電動機不同的是，為實現(xiàn)扇形電動機擺角特性，該扇形電動機除了在定子繞組上裝有三個位置傳感器外，同時在掃描回掃點位置增加一個位置傳感器，提供反向運行信號。
2扇形電動機工作原理
扇形電動機的工作原理與普通三相無刷直流電動機類似，通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，使定子繞組按照一定的順序?qū)�，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁極相互作用，產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動3】普通三相無刷直流電動機的驅(qū)動方式是比較成熟的控制方案，扇形結(jié)構(gòu)電機的驅(qū)動與普通三相無刷直流電動機驅(qū)動類似，其特殊性表現(xiàn)在定子繞組換相信號由傳感器信號與頻率信號共同作用，控制扇形電動機按一定的頻率，在一定角度范圍內(nèi)進行正、反轉(zhuǎn)掃描運動。
扇形電動機與傳統(tǒng)有限轉(zhuǎn)角電動機存在不同之處，表1對兩者的優(yōu)缺點進行了對比。
從表1對比可知，扇形電動機具有如下特點：繞組采用三相對稱繞組，繞組端部分布均勻，便于整形；磁場氣隙小，氣隙磁密高，有利于提高力矩性能：新穎的磁止擋結(jié)構(gòu)設計，減小了對電機本身負載能力的要求，同時該特性有效改善了掃描機構(gòu)在極限回掃時的速度穩(wěn)定性；該扇形電動機力矩性能不受轉(zhuǎn)角范圍制約，能達到與圓形電動機相近的性能，而重量只有傳統(tǒng)電動機的t／2，轉(zhuǎn)角范圍可通過合理選擇扇形角、槽數(shù)和極對數(shù)，滿足設計要求。
3扇形電動機的驅(qū)動
扇形電動機的驅(qū)動類似于普通三相無刷直流電動機，但與一般連續(xù)旋轉(zhuǎn)的無刷電動機又有所不同，要求以不同頻率帶動負載在一定角度內(nèi)往復掃描，電機不停地在正、反轉(zhuǎn)狀態(tài)工作，電機中換向電流變化較大。因此，該驅(qū)動器的換向驅(qū)動控制和電流控制是關(guān)鍵技術(shù)。圖7為扇形電動機驅(qū)動控制原理框圖
3 1掃描功能實現(xiàn)
該扇形電動機三個霍爾位置傳感器的相位差為120°電角度，根據(jù)在不同時刻三相繞組的通電情況，分為六個工作區(qū)間，每個工作區(qū)間為60°電角度，在每個工作區(qū)間內(nèi)有特定的兩相繞組通電4】三個霍爾位置信號(HaHb、Hc)與回掃點位置信號(JX，O代表正轉(zhuǎn)，1代表反轉(zhuǎn))被連接到驅(qū)動器的中斷輸入cN引腳上，cN引腳上的電平變化會產(chǎn)生中斷。主控芯片根據(jù)軟件預制的導通時序表，實現(xiàn)繞組換相及正、反轉(zhuǎn)功能，其換相時序如表2所示。
3 2電流閉環(huán)控制
扇形電動機頻繁工作在正、反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，換相電流變化很大。因此，為保證負載平穩(wěn)運行，扇形電動機驅(qū)動采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制電機換相時電流波動。同時，扇形電動機在受磁止擋反向加速力矩作用時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，在增大的反電勢作用下，驅(qū)動電流會迅速下降，通過電流環(huán)控制可使電機以恒定電流運轉(zhuǎn)，使扇形電動機平穩(wěn)運行。
4樣機實驗結(jié)果
所研制扇形電動機樣機已成功應用于某掃描機構(gòu)中。圖8為樣機實物照片。表3為樣機主要測試
結(jié)果。 
樣機的性能測試結(jié)果表明，本文提出的扇形結(jié)構(gòu)有限轉(zhuǎn)角電機的結(jié)構(gòu)是可行的，具有轉(zhuǎn)矩重量比
和轉(zhuǎn)角范圍大等特點。
5結(jié)語
本文給出了一種帶磁止擋的新型有限轉(zhuǎn)角無刷直流電動機結(jié)構(gòu)，采用獨特的扇形定轉(zhuǎn)子，可直接驅(qū)動負載，與傳統(tǒng)有限轉(zhuǎn)角電動機相比，具有體積小、重量輕、響應速度快、轉(zhuǎn)角范圍大、定位精度高等優(yōu)點，可滿足新型掃描機構(gòu)的要求，具有實用價值。
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