低速永磁無刷直流電機及其控制探析

張曉宇+陳志南

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展與進步，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與完善，低速永磁無刷直流電機發(fā)展實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。與傳統(tǒng)永磁有刷直流電機相比較，現(xiàn)代低速永磁無刷直流電機具有更加明顯的應(yīng)用控制優(yōu)勢，其具備了良好的控制性能、啟動與調(diào)速特性以及應(yīng)用范圍廣泛等，能夠有效確保各項設(shè)備安全穩(wěn)定持續(xù)的運行。此外，低速永磁無刷直流電機在運行過程中不會產(chǎn)生巨大的噪聲和高熱量、磨損程度小，有利于企業(yè)生產(chǎn)水平的提升。本文將進一步對低速永磁無刷直流電機及其控制展開分析與探討。

關(guān)鍵詞：低速；永磁；無刷直流電機；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.019

0 引言

當(dāng)前是一個科學(xué)技術(shù)化的時代，低速永磁無刷直流電機發(fā)展應(yīng)用要與時俱進，跟上時代前進的腳步。由于低速永磁無刷直流電機具有機械特性良好、過載能力強、高效節(jié)能以及控制操作簡單等優(yōu)勢，因此被普遍應(yīng)用在市場各個行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，促使各個企業(yè)在最低成本下創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟效益和社會效益。為了最大程度提升低速永磁無刷直流電機的使用性能，相關(guān)研究機構(gòu)必須有效采取抑制其齒槽脈動的解決措施，確保低速永磁無刷直流電機能夠安全可靠的運行，避免企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失。

1 低速永磁無刷直流電機的相關(guān)結(jié)構(gòu)和工作原理

低速永磁無刷直流電機的構(gòu)成主要包括了三個部分，它們分別是永磁電機主體、功率電子開關(guān)以及轉(zhuǎn)子傳感器。當(dāng)前，永磁無刷直流電機主要分為了兩種類型，一種是分裝式，另一種則是整體式。其中，分裝式結(jié)構(gòu)是一種無框架的電動機，而整體式電機則主要提供涵蓋了軸承、轉(zhuǎn)軸、殼體以及相關(guān)裝置等整套的直流電機裝置。相對于分裝式永磁無刷直流電機，整體式結(jié)構(gòu)電機的優(yōu)勢在于方便用戶管理和維護，能夠節(jié)省更多人力和財力。

永磁無刷直流電機還可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)、外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)以及雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。例如，內(nèi)轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)的無刷直流電子在其鐵心內(nèi)部存在多相對稱繞組，不同繞組之間構(gòu)成三角形或者星形，同時還分別與逆變器中的所有開關(guān)管進行連接工作。在永磁無刷直流電機中普遍使用的永磁材料特征為高剩磁密度、高矯頑力；外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電機的特征為將電樞放在設(shè)備內(nèi)部，而將具有永磁體的轉(zhuǎn)子置于外部。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式一般可概括為三種，它們分別是表面式磁極結(jié)構(gòu)、嵌入式磁極結(jié)構(gòu)以及環(huán)形磁極結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)直流電機之間差異性入下圖1所示。

在低速永磁無刷直流電機中電樞繞組連接方式主要包括了兩種，一種是星形連接繞組，另一種則是封閉式連接繞組。不同電樞繞組連接方式與電子換向電路結(jié)合可以形成多元化的組合方式。例如，星形繞組與橋式繞組、三相封閉式連接繞組與橋式線路組合等等。

當(dāng)?shù)退儆来艧o刷直流電機在運行過程中，轉(zhuǎn)子位置傳感器所獲取的信號在分析處理后會科學(xué)按照標準邏輯程序，促使一些與電樞繞組互相連接的功率開關(guān)晶體管在特定時刻完成停止或者導(dǎo)通操作。此時，直流電機電樞繞組中之前未能夠接通電流的繞組就會接入電流，相反之前接通電流的繞組就會關(guān)閉電流或者是促使電流流通方向發(fā)生變化，這樣以來就導(dǎo)致定子磁狀態(tài)出現(xiàn)改變現(xiàn)象。我們通常將這種采用電子電路去完成電樞繞組內(nèi)電流變化的過程叫做為電子換向。電流在繞組中每換流一次，就會直接導(dǎo)致定子磁場發(fā)生變化，在持續(xù)換流過程中，就會有效形成一個跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場。

轉(zhuǎn)子位置傳感器在低速永磁無刷直流機中主要發(fā)揮出了兩個重要作用，一個是明確了電子換向電路驅(qū)動線路中功率晶體管的導(dǎo)通角，這樣能夠讓工作人員科學(xué)判斷分析出電樞磁場的磁狀態(tài)；而另一個作用就是在轉(zhuǎn)子位置傳感器的輔助下，完成對轉(zhuǎn)子所處位置的檢測工作，這樣有利于技術(shù)人員去明確轉(zhuǎn)子換向和驅(qū)動線路的正確導(dǎo)通順序[3]。

2 低速永磁無刷直流電動機的主要控制措施

2.1 有位置傳感器控制

低速永磁無刷直流電機的穩(wěn)定運行離不開三個核心部件，它們分別是永磁電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器以及功率電子開關(guān)電路。其中，轉(zhuǎn)子位置傳感器主要負責(zé)獲取產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置信號，在分析處理后將其有效送到轉(zhuǎn)子位置譯碼電路，接著在邏輯變換和放大程序下，成功將位置信號轉(zhuǎn)換成科學(xué)正確的換向順序信號，這樣一來就能夠完成起動導(dǎo)通所相對應(yīng)的各個功率開關(guān)部件，同時還可以確保其按照一定規(guī)范次序進行接通或者斷開繞組，在整個過程中直流電機電驅(qū)產(chǎn)生的步進磁場和轉(zhuǎn)子永磁磁場會一直維持均衡的垂直關(guān)系，從而保障永磁無刷直流電機產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。就比如，企業(yè)在使用8051單片機控制系統(tǒng)工作中，直流電機定子三相繞組Y連接，通常情況下橋式主電路所采取的通電手段為兩兩互通。通過將8051單片機P2口設(shè)置為輸入口，它的主要功能是負責(zé)送入位置檢測信號H1/H2/H3；接著將8051單片機P1口設(shè)置成輸出口，其中P1.0、P1.1、P1.2口經(jīng)方向驅(qū)動門74LS06控制P溝道MOSFETV1、V2、V3柵極；P1.3、P1.4、P1.5經(jīng)或非門 74LS33 與 P0.1相或后控制 N 溝道 MOSFET V4、V6、V20、P0.0線輸出發(fā)電制動高電平信號，導(dǎo)通 V0后可使轉(zhuǎn)子動能變換成的電能消耗在制動電阻Rt，電流檢測運用電流采樣電阻 Rf，其上電壓信號 Uf送電壓比較器 LM 與設(shè)定值 Uo相比較，完成對橋臂零部件的通斷操作，從而實現(xiàn)直流電機的恒流控制或者過流保護。在轉(zhuǎn)速操控過程中，通過合理應(yīng)用先進的脈沖調(diào)制方法可以有效控制電壓大小，從而完成速度調(diào)節(jié)工作[4]。工作人員要想順利完成正反轉(zhuǎn)控制操作，就必須通過優(yōu)化調(diào)整繞組的實際通電順序，合理采用一致的位置傳感器，正、反轉(zhuǎn)時光敏接收元件對通電相的控制，通過一個邏輯電路去實現(xiàn)，并且把傳感器的控制信號有效轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的控制關(guān)系。電流控制要經(jīng)過使用電阻 Rf對流經(jīng)不同上、下橋臂功率管和電機繞組的相電流進行采樣，當(dāng)設(shè)定值小于電機實際電流時，比較器輸出低電平，通過電阻 R4、R6、R2將功率開關(guān) V4、V6、V2關(guān)斷，從而促使直流電機的電流下降。

2.2 無位置傳感器控制

企業(yè)要想確保無位置傳感器低速永磁無刷直流電機進行安全可靠的運行工作，設(shè)計人員就必須科學(xué)設(shè)計出一個轉(zhuǎn)子位置信號專門用來檢查電路，轉(zhuǎn)子位置信號的獲取來源主要來自原低速永磁無刷直流電機的軟硬件。當(dāng)前，所采用的檢測方法主要包括了鎖相環(huán)技術(shù)法、反電動勢過零檢測法、電感法以及定子三次諧波法等。在這幾種檢測方法當(dāng)中，應(yīng)用最為普遍的是反電動勢過零檢測法。

反電動勢過零檢測法實際工作原理是：當(dāng)?shù)退儆来艧o刷直流電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場時，就可以直接在定子繞組中出現(xiàn)感應(yīng)電動勢。倘若定子繞組所采用的繞組方式為集中整柜繞組，那么方波磁場在定子繞組中所感應(yīng)的電動勢就會形成梯形波，經(jīng)過所獲取到的電動勢波形，工作人員就可以準確找出過零點，從而判斷確定出轉(zhuǎn)子的實際位置信息。要想實現(xiàn)這個實踐過程，技術(shù)人員可以采取端電壓法或者相電壓法，該兩種方法在本質(zhì)上是一樣的，能夠確保企業(yè)在最低成本投資下創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟效益，并且保障設(shè)備運行過程的安全可靠性[5]。

操控人員在起動無位置傳感器無刷直流電機時，通常所運用的起動手段為“三段式”起動法，該種起動方法的重要特點是通過把整個起動過程劃分為三個不同階段，它們分別是轉(zhuǎn)子定位、外同步加速以及自同步切換。如果低速永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)輕載起動，切換操作較為簡單容易時，那么操控人員只需要保證加速度達到切換速度要求，就可以輕松完成切換控制操作。

3 冷卻風(fēng)扇低速永磁無刷直流電機及其控制

定子與轉(zhuǎn)子。

冷卻風(fēng)扇無刷直流電機的本體構(gòu)成主要包括了兩個部分，一部分是定子，另一部分是轉(zhuǎn)子。其中定子是靜止不動的本體部件，主要起到支撐固定電樞繞組的作用。定子的組成涵蓋了定子鐵芯、固定鐵芯、電樞繞組以及繞組所要使用到的各種材料、零部件。而轉(zhuǎn)子作為無刷直流電機本體的轉(zhuǎn)動部分，主要起到產(chǎn)生激磁磁場的作用。轉(zhuǎn)子的組成涵蓋了導(dǎo)磁體、永磁體以及支撐零部件。

為了確保永磁無刷直流電機穩(wěn)定持續(xù)的工作，技術(shù)檢測人員必須使轉(zhuǎn)子和定子能夠達到電磁方面的基礎(chǔ)要求，保證它們在工作過程中可以產(chǎn)生充足的磁通。其中，電樞繞組是能夠流入一定的電流的，這樣有利于產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。此外，工作人員還必須保證轉(zhuǎn)子和定子要滿足機械方面的相關(guān)要求，全面保障機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，可以有效發(fā)揮出其傳送轉(zhuǎn)矩的作用，不受到外界環(huán)境因素的影響。冷卻風(fēng)扇無刷電機方框原理圖如下圖2所示。

在當(dāng)前市場上，冷卻風(fēng)扇低速永磁無刷直流電機中存在著多種多樣的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。例如，工作人員按照磁體在轉(zhuǎn)子上的不同安裝手段，可以合理將其分為內(nèi)置式永磁體和表面貼裝式永磁體。其中，表面貼裝式永磁體的優(yōu)勢在于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單，有利于大批量生產(chǎn)，并且自身成本低廉。缺點在于該永磁體會直接面對電樞反應(yīng)的退磁，同時還要充分考慮到在高轉(zhuǎn)速時的離心力保護。而內(nèi)置式永磁體的優(yōu)勢在于其有效提高了氣隙磁通密度，具備了聚磁的作用，從而保證磁體取得良好的電機性能。內(nèi)置式切向式條形磁鐵結(jié)構(gòu)制作較為簡單，無需復(fù)雜的操作加工，其包括在磁鋼外部的鐵心能夠起到全面的保護緩沖作用，有效避免磁鋼發(fā)生退磁的現(xiàn)象。此外，因為磁鋼是依賴于鐵芯穩(wěn)固在鐵心內(nèi)部的，這樣一來就有效優(yōu)化了生產(chǎn)程序，加工人員無需進行粘膠、固定磁鋼夾等操作，從而降低了他們的工作任務(wù)量，節(jié)省了更多的時間，為企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益。下圖3為不同的磁鋼固定方式圖。

在風(fēng)扇永磁無刷直流電機運行過程中，鐵心要承受來自于機械運動與電磁熱的綜合作用。直流電機鐵心是由眾多沖片疊壓構(gòu)成的，其形狀較為復(fù)雜，需要加工生產(chǎn)人員確保沖片疊壓后的鐵心能夠符合相關(guān)技術(shù)標準和形狀規(guī)則，省去后期的鐵心補充加工作業(yè)。鐵心具備了優(yōu)越的電磁性能，降低了鐵資源的損耗。企業(yè)在定子鐵心生產(chǎn)加工過程中，要確保其具備良好的牢固性和緊密性[6]。

當(dāng)前，永磁鐵氧體被廣泛的應(yīng)用在冷卻風(fēng)扇永磁無刷直流電機中，其成本低廉，市場價格僅為稀土磁鐵的三分之一左右。永磁鐵氧體具備了良好的矯頑力，能夠在-40℃-200℃環(huán)境下安全穩(wěn)定的作業(yè)，并且不會發(fā)生嚴重退磁的問題。與此同時，永磁鐵氧體具有較高的電阻率，不會發(fā)生任何因為渦流而造成的損耗問題，被普遍應(yīng)用在敞開式結(jié)構(gòu)的冷卻風(fēng)扇永磁無刷直流點集中。冷卻風(fēng)扇永磁無刷直流電機具有廣闊的市場應(yīng)用前景，企業(yè)要研究設(shè)計該類電機時，必須根據(jù)用戶需求有針對性的選用定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選擇高質(zhì)量的磁體和鐵心材料，從而充分保障直流電機的高效穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

綜上所述，低速永磁無刷直流電機在控制上具備了較大的優(yōu)勢，被廣泛的應(yīng)用在各個行業(yè)領(lǐng)域上。低速永磁無刷直流電機相較于傳統(tǒng)有刷直流電機，其能夠不收外界環(huán)境因素的影響，方便工作人員的管理維護，降低企業(yè)各項設(shè)備的控制管理成本，從而有效促進企業(yè)和諧穩(wěn)定的持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：張曉宇（1973-），男，河南南陽人，碩士，副教授，高級工程師，研究方向：電機設(shè)計專業(yè)教學(xué)、研發(fā)工作。