序言

　　由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。

　　一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。

　　光电开关原理及应用直流无刷电动机工作原理与控制方法，针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了的基础。

　　三相直流无刷电动机的基本组成

　　直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、传感器和电子开关线三部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由*磁钢按一定极对数(2p=2，4，…)组成。图1所示为三相两极直流无刷电机结构，

　　当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子*磁钢的磁极所产生的相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由传感器将转子磁钢变换成电信号，去控制电子开关线，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

　　三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装各相差120度，均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线一次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的。

　　图2所示的转子和图3a)所示的相对应。由于此时广电器件VP1被光照射，从而使功率晶体V1呈导通状态，电流流入绕组A-A’，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图3中箭头方向转动。当转子磁极转到图3b)所示的时，直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截至，晶体管V2导通，电流从绕组A-A’断开而流入绕组B-B’，使得转子磁极继续朝箭头方向转动。当转子磁极转到图3c)所示的时，此时旋转遮光板已经遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截至、晶体管V3导通，因而电流流入绕组C-C’，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图3a)的。

　　这样，随着传感器转子扇形片的转动，定子绕组在传感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转是跳跃式的。这种旋转在360度电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续120度电角度。各相绕组电流与电动机转子的相互关系如图3所示。图3a)为*种状态，Fa为绕组A-A’通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子的相互作用，使转子沿顺时针方向旋转；转过120度电角度后，便进入第二状态，这时绕组A-A’断电，而B-B’随之通电，即定子绕组所产生的转过了120度，如图3b)所示，电动机定子继续沿顺时针方向旋转；再转120度电角度，便进入第三状态，这时绕组B-B’断电，C-C’通电，定子绕组所产生的又转过了120度电角度，如图3c)所示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过120度电角度后就恢复到初始状态。图4示出了各相绕组的导通顺序的示意图。

　　传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极的作用，为逻辑开关电提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的传感器有以下几种：电磁式传感器、光电式传感器、磁敏式接近传感器。

　　电磁式传感器在直流无刷电动机中，用得较多的是开口变压器。用于三相直流无刷电动机的开口变压器由定子和转子两部分组成。定子一般有六个极，它们之间的间隔分别为60度，其中三个极上绕一次绕组，并相互后通以高频电源，另外三个极分别绕上二次绕组WA、WB、WC。它们之间分别相隔120度。转子是一个用非导磁材料做成的圆柱体，并在它镶一块120度的扇形导磁材料。在安装时将它与电动机转轴相联，其对应于某一磁极。一次绕组所产生的高频磁通通过转子上的到此材料耦合到二次绕组上，故在二次绕组上产生电压，而另外两相二次绕组由于无耦合回同一次绕组相联，其电压基本为零。随着电动机转子的转动，扇形片也跟着旋转，使之离开当前耦合一次绕组而向下一个一次绕组靠近。就这样，随着电动机转子运动，在开口变压器二次绕组上分别出电压。扇形导磁片的角度一般略大于120度电角度，常采用130度电角度左右。在三相全控电中，为了换相译码器的需要，扇形导磁片的角度为180度电角度。同时，扇形导磁片的个数应同直流无刷电动机的极对数相等。

　　接近开关式传感器主要由谐振电及扇形金属转子两部分组成，当扇形金属转子接近震荡回电感L时，使该电的Q值下降，导致电正反馈不足而停振，故输出为零。扇形金属转子离开电感元件L时，电的Q值开始上升，电又重新起振，输出高频调制信号，经二极管检波后，取出有用控制信号，去控制逻辑开关电，以电动机正确换向。

　　它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三相半控电的工作情况下，每相绕组中通过1/3周期的矩形波电流。该电流和转子作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期的一段，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对有关。显然在图6a所示的瞬间导通晶体管，则可产生zui大的平均转矩。因为在这种情况下，绕组通电120度的时间里，载流导体正好处在比较强的气隙中。所以它所产生的转动脉动zui小，平均值较大。习惯上把这一点选作晶体管开始导通的基准点，定为。在=0度的情况下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩如图6b所示。

　　如若晶体管的导通时间提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值减小。当=30度时，电动机的瞬时转矩过零点，这就是说，当转子转到某几个时，电动机产生的转矩为零，电动机起动时会产点。当≥30度后，电动机转矩的瞬时值将出现负值，则总输出转矩的平均值更小。因此，在三相半控的情况下，特别是在起动时，不宜大于30度，而在直流无刷电动机正常运行时，总是尽力把角调整到0度，使电动机产生的平均转矩zui大。当=0度时，可以求得输出转矩的平均值：

　　光电开关原理及应用电动机在电动转矩的作用下转动后，旋转的转子就要切割定子绕组，在各相绕组上感生出电动势，当其转速n不变时，该电动势波形也是正弦波，相位同转矩相位一致。在本电中，每相绕组在一个周期中只通电，因此仅在这期间对外加电压起作用。所以对外加电压而言，感生电动势波形如图7所示。

　　同理可按下式求得感生电动势的平均值：

　　从的平均转矩和平均反电动势，便可求得直流无刷电动机稳定运行时的电压平衡方程式，为此首先定义反电动势系数和转矩系数：

　　对于某个具体的电动机，它们为。当然，其大小同主回的接法以及功率晶体管的换相方式有关。

　　直流无刷电动机三相半控桥的电压平衡方程组为：

　　其中，，，将其代入上式整理后，可得其机械特性方程为

　　式中n——电动机转速(r/min)；

　　常见的三相半控电如图8所示，图中LA、LB、LC为电动机定子A、B、C三相绕组，VF1、VF2、VF3为三只MOSFET功率管，主要起开关作用。H1、H2、H3为来自转子传感器的信号。如前所述，在三相半控电中，要求传感器的输出信号1/3周期为高电平，2/3周期为低电平，并要求各传感器信号之间的相位也是1/3周期。

　　和一般电动机一样，在电动机起动时，由于其转速很低，故转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小，因而可能产生过大电流I。为此，通常需要附加限流电，图9为常见的一种，图中的电压比较器，主要用来主回电流，当通过电动机绕组的电流I在电阻Rf上的压降IRf大于某给定电压U0时，比较器输出低电平，同时关断了VF1、VF2、VF3三只功率场效应晶体管，即切断了主电。当IRf《U0时，比较器不起任何作用。当IRf

　　三相半控电结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/3周期，没有得到充分的利用，而且在运行中转矩波动较大。在要求较高的场合，一般均采用如图10所示的三相全控电。三相全控电有两两换相和三三换相两种方式

　　在该电中，电动机的三相绕组为Y联结。如采用两两通电方式，当电流从功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1流入A相绕组，再从C相绕组经VF2流回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组所产生的转矩为负，他们合成的转矩大小为，方向在Ta和-Tc角平分线上。当电动机转过60度后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电。这时，电流从VF3流入B相绕组，再从C相绕组流出经VF2回到电源，此时合成的转矩大小同样为。但合成转矩T的方向转过了60度电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60度电角度。所以，采用三相Y联结全控电两两换相方式，合成转矩增加了倍。每隔60度电角度换相一次，每个功率管通电120度，每个绕组通电240度，其向通电和反向通电各120度。其输出转矩波形如图11所示。从图中可以看出，三相全控室的转矩波动比三相半控时小，从0.87Tm到Tm。

　　三三通电方式，这种通电的顺序为VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3。当VF6VF1VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，经B和C相绕组分别从VF6和VF2流出。经过60度电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，这时电流分别从VF1和VF3流入，经A和B相绕组再流入C相绕组，经VF2流出。在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。每隔60度换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管通电180度。合成转矩为1.5Ta.

　　两两通电方式的通电顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2，当VF1VF2导通时，电流从VF1流入，分别通过A相绕组和B、C两相绕组，再从VF2流出。这时绕组的联结是B、C两相绕组后再通A相绕组并联，如果假定流过A相绕组的电流为I，则流过B、C相绕组的电流分别为I/2。这里的合成转矩为A相转矩的1.5倍。

　　三三通电方式的顺序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3，当VF6VF1VF2通电时，电流从VF1管流入，同时经A和B相绕组，再分别从VF6和VF2管流出，C相绕组则没有电流通过，这时相当于A、B两相绕组并联。这时相当于A、B两绕组并联，合成转矩为A相转矩的倍。

　　直流无刷电动机的微机控制

　　图12示出采用8751单片机来控制直流无刷电动机的原理框图。8751的P1口同7406反相器联结控制直流无刷电动机的换相，P2口用于测量来自于传感器的信号H1、H2、H3，P0口外接一个数模转换器。

　　根据定子绕组的换相方式，首先找出三个转子磁钢传感器信号H1、H2、H3的状态，与6只功率管之间的关系，以表格形式放在单片机的EEPROM中。8751根据来自H1、H2、H3的状态，可以找到相对应的导通的功率管，并通过P1口送出，即可实现直流无刷电动机的换相。

　　在直流无刷电动机正常运行的过程中，只要通过控制数模转换器的输出电压U0，就可控制直流无刷电动机的电流，进而控制电动机的电流。即8751单片机通过传感器信号的周期，计算出电动机的转速，并把它同给定转速比较，如高于给定转速，则减小P2口的输出数值，降低电动机电流，达到降低其转速的目的。反之，则增大P2口的输出数值，进而增大电动机的转速。

　　当直流无刷电动机处于起动状态或在调整过程中，采用直流无刷电动机的运行模式，以实现动态相应的快速性，一旦电动机的转速到了给定值附近，马上把它转入同步电动机运行模式，以其稳速精度。这时计算机只需要按一定频率控制电动机的换相，与此同时，计算机在通过传感器的信号周期，来测量其转速大小，并判断它是否跌出同步。一旦失布，则马上转到直流无刷电动机运行，并重新将其拉入同步。