無刷直流電動機的控制
(一)電子換向電路
一般來說，無刷直流電動機的電子換向電路可分為3個
功能部分，見圖2-5-7。
(1)位置傳感器電路。此電路向位置傳感器提供激勵，并將傳感器輸出信號檢出、放大、整形為方波信號。
(2)控制信號處理電路。此電路將位置傳感器信號由邏輯電路進行處理并接收外界的啟停、調(diào)速和正、反轉(zhuǎn)等指令信號，獲得對各相繞組正確導(dǎo)通順序和有合適導(dǎo)通角的邏輯信號。
(3)功率放大電路。功率放大電路將上述邏輯信號驅(qū)動功率級開關(guān)適時接通或斷開，它還包括續(xù)流回路和保護回路。晶體管典型的工作方式是開關(guān)工作狀態(tài)，某些小功率無刷直流電動機中的功率級晶體管處于線性放大工作狀態(tài)。
圖2—5—8是一個三相非橋式電子換向控制電路。
它采用電磁式位置傳感器，利用晶體管的LC三點式振蕩電路產(chǎn)生約300kHz的正弦波。其中利用r位置傳感器原方電感線圈。此振蕩正弦波電流從傳感器原方輸入，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)時，傳感器副方h、i、J繞組上產(chǎn)生被轉(zhuǎn)子位置調(diào)制過的高頻輸出信號。在傳感器信號處理電路中，它們被二極管檢波、解調(diào)并經(jīng)晶體管放大后，得到h、iJ方渡信號。這3個信號再經(jīng)后續(xù)處理得到驅(qū)動信號SA、SB sC。無刷直流電動機控制信號
由于無刷直流電動機必須帶有電子換向電路，從而對電動機的啟停控制，正、反轉(zhuǎn)控制，制動控制，功率控制，只需小功率邏輯電平控制即可實現(xiàn)。這樣，微型計算機、可編程序控制器或其他數(shù)控系統(tǒng)都很容易與無刷直流電動機接口。
(二)啟�？刂�
有刷直流電動機啟�？刂剖峭ㄟ^主電源接通或斷開來實現(xiàn)的，通常是用有觸點的開關(guān)來完成。無刷直流電動機也可采用這個方法。此外，還可以采用下列的方法：
(1)用位置傳感器原方信號的通斷來控制。例如：控制電磁式傳感器原方振蕩信號的有與無。
(2)在控制信號處理電路中用一邏輯信號控制位置傳感器的選通來實現(xiàn)。如圖2—5—8中，以信號R=1為啟動，R—O為停機。
(=)正反轉(zhuǎn)控制
永磁有刷直流電動機的反轉(zhuǎn)運行是由改變電樞兩端與電源的極性聯(lián)接(反接)來實現(xiàn)的。由于無刷直流電動機的換向電路不允許反接到電源上，故反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)要采用別的方法，例如：
(1)每相繞組兩端頭互換。這可采用雙擲開關(guān)或接觸器觸點來實現(xiàn)。
(2)用霍爾元件作位置傳感器的，可將每片霍爾元件一對電流端或電勢端兩端互換。
(3)采用正反轉(zhuǎn)兩套位置傳感器。
(4)邏輯門選通方法。即電動機傳感器設(shè)計上有專門的考慮，在控制電路中用一邏輯信號(代表正反轉(zhuǎn)狀態(tài))的指令來改變電動機各相繞組的導(dǎo)通順序。例如，如圖2-5-8中電磁式傳感器的轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁片設(shè)計為180°，使傳感器輸出信號h、i、j的占空比為1：1，正反轉(zhuǎn)控制信號為w，圖中信號處理
符合下列布爾代數(shù)式：
當(dāng)W=1時實現(xiàn)正轉(zhuǎn)，w一0時為反轉(zhuǎn)，如圖2 -5 -9所示。
(四)制動控制
若需要電機立即停轉(zhuǎn)，可采用制動控制。當(dāng)主功率開關(guān)晶體管在停機信號控制下進入截止工作狀態(tài)后，適時引入能耗回路。使電動機處于發(fā)電機狀態(tài)，各相繞組的再生電流產(chǎn)生制動力矩，加快了制動過程。
圖2—5—10是非橋式三相換向電路，它引入3個二極管D1、D2、D3，電阻器R和開關(guān)S組成制動回路。在停機信號作用下，主開關(guān)晶體管截止，然后制動控制信號將開關(guān)S閉合，各相繞組產(chǎn)生
制動電流。當(dāng)電動機完全停轉(zhuǎn)后，制動控制信號結(jié)束，使開關(guān)S斷開，切斷制動回路。
同樣一對于橋式換l口J電路，也可以設(shè)計類似的制動控制回路。這里的開關(guān)s，可以用一功率晶體管來代替，而且也可以將晶體管接成恒流工作方式，實現(xiàn)恒流能耗制動。
(五)功率控制
無刷直流電動機在調(diào)速控制或穩(wěn)速控制時都需要對輸入功率，即輸入電壓和電流進行控制。一種方法是將換向回路看作一個直流電動機，串接一功率晶體管(調(diào)整管)到直流電源，以調(diào)整供給換向電路的電壓(電流)。這個串接的調(diào)整晶體管可以工作于線性放大區(qū)，也可以是脈寬調(diào)制(PWM)_[作方式的。
更常用的方法是直接利用換同功率晶體管。同樣，它們也可以工作于線性放大狀態(tài)或脈寬調(diào)制工作狀態(tài)(或脈沖頻率調(diào)制工作狀態(tài))。
線性工作狀態(tài)比較簡單和經(jīng)濟，常用于20W以下和有限調(diào)整范圍的情況。而脈寬調(diào)制，又稱斬波控制方式則適用于較大功率的無刷直流電動機的功率控制。而且有較高的效率。圖2—5 8的脈寬調(diào)制信號從D點引入，就是這樣一個例子。
(六)轉(zhuǎn)速的檢出和控制
與有刷直流電動機控制相似，除了開環(huán)速度調(diào)節(jié)外，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制可分為兩種典型方案：
(1)模擬量轉(zhuǎn)速控制方法。利用同軸安裝直流測速發(fā)電機(通常是用無刷直流測速發(fā)電機)作為轉(zhuǎn)速檢測反饋，與給定轉(zhuǎn)速指令電壓進行比較，其差值放大后控制無刷直流電動機。精密的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)速度精度可達0.1％。對于小功率、要求較低成本，調(diào)整范圍小于1：10的無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，則可免去外加測速發(fā)電機，直接利用各相繞組不工作期間(該相功率晶體管截止時)的反電勢經(jīng)二極管整流后獲得反映電動機轉(zhuǎn)速的電壓信號，作測速電壓信號，圖2 5 11就是一個例子。
圖2—5—11所示的是多極性工作的霍爾無刷直流電動機。兩個霍爾元件作位置傳感器，其輸出信號經(jīng)比較器電路得到方波位置信號，由邏輯電路處理得到驅(qū)動4個功率開關(guān)管的信號，使每個繞組各導(dǎo)通90°工作。速度檢測是由連接到電動機繞組的4個二極管的檢波作用來實現(xiàn)的。由于每相繞組只
有l(wèi)／4周期工作，其余時間換向晶體管截止。四繞組不工作期間的反電勢經(jīng)
二極管檢波后可以得到反映電動機轉(zhuǎn)速的電勢EC用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除交流分量．其直流分量(EC-VS)，正比于轉(zhuǎn)速n．一無刷直流電動機的這個測速信號是從相繞組不[作期間的反電勢得到的，所以不必像有刪直流Fb機的橋式測速回路那樣要對LR壓降進行補償。這個轉(zhuǎn)速反饋信號與預(yù)置速度信號
比較，送入PI塞度詞節(jié)器，在直流電源輸人線上串柏測定電流的電阻，電流反饋信號與速度調(diào)節(jié)器輸出進行比較后，在電流調(diào)節(jié)器形成變頻率、變占空比的斬波控制信號，對串接的Ts調(diào)整晶體管進行斬波控制。，
續(xù)流二極管D和串聯(lián)電感器L，的作用是在被斬波的開關(guān)功率G管開期間內(nèi)，保持電動機繞組電流的連續(xù)性。
(2)鎖頻鎖機轉(zhuǎn)速控制方法。鎖相轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是將鎖相環(huán)技術(shù)(PLL)引入速度控制，形成一種高精度數(shù)字速度控制系統(tǒng)。其基本框圖見圖2 5 12。
鎖相轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由速度給定、頻相比較器、校正環(huán)節(jié)、功率放大器、電動機、轉(zhuǎn)速編碼器等組成。其特征是速度反饋和給定都是脈沖量，即以其頻率數(shù)代表 定的轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)鎖定后，電動機的轉(zhuǎn)速(對應(yīng)于頻率，f1和給定轉(zhuǎn)速(對應(yīng)于頻率fr)保持相等，而lJ兩者之相位差只在小范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)就是依靠此相差的微小變化來達到劃外界干擾量的平衡，維持，嚴(yán)格的鎖頻鎖相狀態(tài)。如果參考速度給定頻率采用高精度石英品體振蕩器為頻率源時，系統(tǒng)可以得到高精度轉(zhuǎn)速而且其速度穩(wěn)定精度可達到0．002％
無刷直流電動機鎖相速度控制系統(tǒng)同樣可采用如圖2 5 12所示的系統(tǒng)。，由于換向電路本身就是功率放大器，因此較為方便。末級大多工作于開關(guān)狀態(tài)，宦采用PwM工作方式。這種系統(tǒng)通常是數(shù)字模擬混合式的。對于小功率或?qū)λ俣鹊乃矔r穩(wěn)定度要求較低的系統(tǒng)可以采用下面的簡化方案：
(1)直接利用頻相比較器輸出相位差調(diào)制末級換向晶體管。
(2)轉(zhuǎn)速信號直接從位置傳感器獲得，免去在電動機同軸上安裝昂貴的光電增量編碼器。以三相非橋式換向電路為例，轉(zhuǎn)速信號u可以從位置傳感器信號z、y、z經(jīng)下式邏輯處理得到：
U=x·y+y·z+z·z
隨著無刷直流電動機在錄像機、磁盤機、復(fù)印機等產(chǎn)品中的應(yīng)用，其專用集成電路已有許多廠商制作。采用專用集成電路控制是無刷直流電動機應(yīng)用的方向。
(七)無轉(zhuǎn)子位置傳感器無刷直流電動機的控制
在某些特殊應(yīng)用場合，如條件極其惡劣或要求高可靠性的場合不宜采用位置傳感器，可采用此種控制技術(shù)。這種方法的思路是，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，從各相繞組感應(yīng)電勢波形的特殊點檢測出作為反映轉(zhuǎn)子位置的信號，代替位置傳感器，實現(xiàn)無刷直流電動機的正常電子換向。顯然，在零速和低速區(qū)，
感應(yīng)電壓或者為零或者很小，不可能形成位置信號。因此，必須用其他方法使電動機啟動。******也是典型的方法是將它作步進電動機低速啟動，當(dāng)升速到一定速度后，自動切換到無刷直流電動機工作狀態(tài)。這種控制方法既可以用數(shù)字電路來完成，也可以用微處理器控制來實現(xiàn)，這對于同時控制多臺
元刷電動機更為合理。
這種控制方法，電動機的“簡化”(只有電動機本體)是以增加控制電路的復(fù)雜性來實現(xiàn)的。從經(jīng)濟上和技術(shù)性能上說不一定合算，故只適用于特殊需要的場合。
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