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張 麗(雞西大學(xué) 158100)
1 引 言
近年，在我國使用吸塵器的家庭日益增加，隨著人民生活水平的提高，吸塵器將得到普及。然而，我國吸塵器用無刷直流電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)與需求是不適應(yīng)的，市場上銷售的吸塵器多采用國外電動(dòng)機(jī)組裝，因國產(chǎn)的吸塵器用無刷直流電動(dòng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)存在振動(dòng)大、換向火花大、電刷使用壽命短、噪聲大等問題，用改變電動(dòng)機(jī)的槽口設(shè)計(jì)、提高軸承質(zhì)量、優(yōu)化電刷設(shè)計(jì)和提高裝配工藝等方法來解決上述所存在的問題收到的效果很小。電機(jī)在的這些弊端主要來源于有接觸的換向器——機(jī)械換向裝置，若采用電子換向裝置來代替機(jī)械換向裝置的無刷電動(dòng)機(jī)，就可有效地解決電機(jī)中由于接觸換向所帶來的一系列問題。同時(shí)，由于吸塵器對轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性沒有過高的要求，可以避開無刷電動(dòng)機(jī)的缺陷。本文介紹無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換向裝置。
2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理
無刷直流電動(dòng)機(jī)用****磁鋼作為轉(zhuǎn)子，電樞繞組裝在定子上，其內(nèi)部的電磁過程與有刷直流電機(jī)無大區(qū)別。有刷電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁路，是依靠電樞磁勢與主磁磁勢相互垂直以產(chǎn)生大的電磁轉(zhuǎn)矩。而電樞磁勢的建立是由一個(gè)滑動(dòng)的接觸裝置——電刷和換向器，牙能將電流饋給旋轉(zhuǎn)的電樞。在無刷電動(dòng)機(jī)中，用可以旋轉(zhuǎn)的****磁鋼作主磁極（轉(zhuǎn)子），將安裝在定子上的電樞繞組與電子開關(guān)元件相連接，為了獲得一定的電磁轉(zhuǎn)矩，主磁極磁勢與定子繞組所產(chǎn)生的磁勢應(yīng)保持一定的矢量差角，當(dāng)矢量角為90度時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩****，所以，應(yīng)使矢量根據(jù)矢量所轉(zhuǎn)動(dòng)的位置而變動(dòng)位置，在無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部應(yīng)有一個(gè)位置傳感器，它可以隨時(shí)測出轉(zhuǎn)子（主磁極）的位置，用測得的信號控制電子開關(guān)元件，使與開關(guān)元件相連接的定子繞組產(chǎn)生一個(gè)跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁勢，以控制磁勢與主磁極磁勢的相對位置在一定范圍內(nèi)變化，這樣，電動(dòng)機(jī)就可以獲得一定量的動(dòng)轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩），使永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，無刷電機(jī)的電子換向裝置是由位置傳感器和具有電子開關(guān)元件的電子線路構(gòu)成。
在無刷電動(dòng)機(jī)中（原理圖見圖1），定子繞組對稱分布在定子圓周表面，若定子繞組作星形連接，每相繞組出線端與開關(guān)元件相連后接直流電源。如果用三個(gè)霍爾元件作位置傳感器，分別放在定子槽口的適當(dāng)位置，它們所得到的信號經(jīng)放大電路放大后，分別輸送給與A、B、C三相連接的電子開關(guān)元件的控制端，以便控制元件的關(guān)斷。
當(dāng)****磁極處在A相傳感器能接到信號的位置時(shí)，A相傳感器就有信號輸出，使與A相繞組連接的開關(guān)元件導(dǎo)通，A相繞組通電后產(chǎn)生一磁勢，正好與磁極磁勢有一定的矢量角，產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩，使磁極向方向旋轉(zhuǎn)。見圖2a。當(dāng)磁極轉(zhuǎn)過120度電角度時(shí)，F(xiàn)與Fo重合，電磁轉(zhuǎn)矩不為零，此時(shí)，A相傳感器的信號消失，A相的元件關(guān)斷，B相傳感器得到信號輸出，使與B相繞組連接的開關(guān)元件導(dǎo)通，定子電樞磁勢的位置由A相繞組軸線跳到B相繞組的軸線，這時(shí)又建立一個(gè)新的位置關(guān)系，使磁極保持旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，見圖2b。待磁極再轉(zhuǎn)過120度電角度后，B相傳感器的信號消失，C相傳感器得到信號；F又跳到C相繞組軸線位置，再產(chǎn)生一個(gè)位置關(guān)系，保持了電磁轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)變化，使轉(zhuǎn)子能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，見圖2c。因此，只要根據(jù)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)的不同位置，以恰當(dāng)?shù)捻樞蛉ソ油ê完P(guān)斷各相出線端所聯(lián)接的開關(guān)元件，保持磁極磁勢滯后電樞磁勢一定電角度的位置關(guān)系，使無刷電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而穩(wěn)定運(yùn)行。
3 無刷電動(dòng)機(jī)電子換向裝置的線路
采用的位置傳感器為霍爾集成電路UGN3020，它是霍爾元件和放大用集成電路的組合，如圖3所示。
當(dāng)所加磁場方向如圖3b所示時(shí)，從N垂直進(jìn)入S，霍爾元件兩端產(chǎn)生一個(gè)霍爾電勢，經(jīng)放大整形后變?yōu)榉颠_(dá)數(shù)伏的數(shù)字信號輸出。若所加的磁場為梯形波時(shí)，輸出的波形如圖4所示。
采用功率MOS管(VMOS)作開關(guān)元件，VMOS管輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電流極小，此外，它是多數(shù)載流子器件，沒有雙極型功率管所固有的“存貯效應(yīng)”，因而消除了開關(guān)管的共態(tài)導(dǎo)通，降低了損耗，使無刷電動(dòng)機(jī)工作可靠，VMOS管開關(guān)速度快，動(dòng)態(tài)功耗小，又是負(fù)溫度系數(shù)器件，所以熱穩(wěn)定性好，沒有雙極性管固有的“二次擊穿”現(xiàn)象，減少了故障率。將霍爾集成電路放在電機(jī)定子槽口的適當(dāng)?shù)胤�，并用邏輯電路建�?7r/3高電平信號的波形控制VMOS管開關(guān)，使相應(yīng)繞組導(dǎo)通。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制。
控制線路是用來控制定子上采用集中繞組的無刷直流電動(dòng)機(jī)，控制線路如圖5所示，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在“一相導(dǎo)通三狀態(tài)”下運(yùn)行。
3.1直流電源
電路的作用有二，一是為直流電動(dòng)機(jī)提供直流電源，所以線路中必須有整流濾波。二是為功率VMOS管和其它電子元件提供12V的直流電源。如圖5中電源電路部分。在電路中采用6A的橋式整流，經(jīng)過330/450V的電解電容濾波，得到242V電壓供給電機(jī)。采用220/15V的變壓器，1A的橋式整流、濾波和穩(wěn)壓電路就可獲得一個(gè)很穩(wěn)定的12V直流電壓。其作用為利用LM311中的RC延時(shí)電路，使起動(dòng)時(shí)加到繞組上的電壓有一上升過程。由于加在電樞繞組上的電壓有一個(gè)過渡過程，起動(dòng)電流按指數(shù)上升，這樣，能提高起動(dòng)的穩(wěn)定性，起動(dòng)時(shí)發(fā)熱量小，沒有沖擊；利用斬波恒流原理，當(dāng)出現(xiàn)意外情況使電路電流過大時(shí)，LM311將輸出低電平封鎖全部功率開關(guān)元件，保護(hù)VMOS管，如圖5的保護(hù)電路部分。
3.2保護(hù)電路
這部分電路包括霍爾位置傳感器和邏輯采用運(yùn)放LM311組成斬波恒流保護(hù)電組合電路，如圖5的電子開關(guān)控制電路部分。
3.3電子開關(guān)的控制電路
將霍爾位置傳感器H1、H2、H3相互間隔120。電角度，放在定子槽口處，邏輯電路中的三個(gè)與門由一個(gè)4073提供，反相器由4049提供，這些邏輯電路均為CD4000系列芯片，用+12V電源供電。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，霍爾集成電路H1、H2、H3分別感應(yīng)出電壓經(jīng)過邏輯電路的組合，使“控制A相開關(guān)，V-b c控制B相開關(guān)，W=ac控制合相開關(guān)，每相繞組在一個(gè)周期內(nèi)，有1/3時(shí)間導(dǎo)通，且每次只能一相導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)三相三狀態(tài)運(yùn)行。
3.4功率開關(guān)的保護(hù)電路
當(dāng)“端電壓為11. 7V左右、A相繞組的選通信號為高電平時(shí)，開始導(dǎo)通，A相繞組得到饋電，當(dāng)V端電壓低于VMOS管導(dǎo)通電壓時(shí)，VMOS管關(guān)斷，由于電樞繞組的電感性質(zhì)，電流不會(huì)立刻消失，在二極管D和R。組成的續(xù)流回路中繼續(xù)流過，并逐漸衰減。此時(shí)VMOS管漏極電壓將比電源電壓高一個(gè)二級管D和電阻R。的壓降。圖7所示的穩(wěn)壓二極管D是在VMOS管內(nèi)部，當(dāng)電源電壓由意外升高或其它原因使漏極間的電壓升高到超過VMOS管的擊穿電壓時(shí)，D。導(dǎo)通，使DS間電壓不超過VMOS管的擊穿電壓，起到保護(hù)作用。
線路原理如圖6所示，這部分電路是整個(gè)控制電路的核心。
4 結(jié) 語
無刷直流電動(dòng)機(jī)既有一般直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又能有效地解決有刷直流電動(dòng)機(jī)所存在的問題。無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子控制線路是采用霍爾集成電路作為位置傳感器，用VMOS管作為控制繞組的開關(guān)元件，使控制線路簡單，運(yùn)行可靠。
（收稿日期：1997-12-08）
張麗：女，1961年4月出生，講師。
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