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、調速和正、反轉等指令信號，獲得對各相繞組正確導通順序和有合適導通角的邏輯信號。
(3)功率放大電路。功率放大電路將上述邏輯信號驅動功率級開關適時接通或斷開，它還包括續流回路和保護回路。晶體管典型的工作方式是開關工作狀態，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。
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，當轉子轉1轉時，傳感器副方h、i、J繞組上產生被轉子位置調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、解調并經晶體管放大后，得到h、iJ方渡信號。這3個信號再經后續處理得到驅動信號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�？刂�，正、反轉控制，制動控制，功率控制，只需小功率邏輯電平控制即可實現。這樣，微型計算機、可編程序控制器或其他數控系統都很容易與無刷直流電動機接口。
(二)啟停控制
有刷直流電動機啟停控制是通過主電源接通或斷開來實現的，通常是用有觸點的開關來完成。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。如圖2—5—8中，以信號R=1為啟動，R—O為停機。
(=)正反轉控制
永磁有刷直流電動機的反轉運行是由改變電樞兩端與電源的極性聯接(反接)來實現的。由于無刷直流電動機的換向電路不允許反接到電源上，故反轉的實現要采用別的方法，例如：
(1)每相繞組兩端頭互換。這可采用雙擲開關或接觸器觸點來實現。
(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)采用正反轉兩套位置傳感器。
(4)邏輯門選通方法。即電動機傳感器設計上有專門的考慮，在控制電路中用一邏輯信號(代表正反轉狀態)的指令來改變電動機各相繞組的導通順序。例如，如圖2-5-8中電磁式傳感器的轉子導磁片設計為180°，使傳感器輸出信號h、i、j的占空比為1：1，正反轉控制信號為w，圖中信號處理
符合下列布爾代數式：
當W=1時實現正轉，w一0時為反轉，如圖2 -5 -9所示。
(四)制動控制
若需要電機立即停轉，可采用制動控制。當主功率開關晶體管在停機信號控制下進入截止工作狀態后，適時引入能耗回路。使電動機處于發電機狀態，各相繞組的再生電流產生制動力矩，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S組成制動回路。在停機信號作用下，主開關晶體管截止，然后制動控制信號將開關S閉合，各相繞組產生
制動電流。當電動機完全停轉后，制動控制信號結束，使開關S斷開，切斷制動回路。
同樣一對于橋式換l口J電路，也可以設計類似的制動控制回路。這里的開關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，實現恒流能耗制動。
(五)功率控制
無刷直流電動機在調速控制或穩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(調整管)到直流電源，以調整供給換向電路的電壓(電流)。這個串接的調整晶體管可以工作于線性放大區，也可以是脈寬調制(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或脈寬調制工作狀態(或脈沖頻率調制工作狀態)。
線性工作狀態比較簡單和經濟，常用于20W以下和有限調整范圍的情況。而脈寬調制，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的脈寬調制信號從D點引入，就是這樣一個例子。
(六)轉速的檢出和控制
與有刷直流電動機控制相似，除了開環速度調節外，轉速閉環控制可分為兩種典型方案：
(1)模擬量轉速控制方法。利用同軸安裝直流測速發電機(通常是用無刷直流測速發電機)作為轉速檢測反饋，與給定轉速指令電壓進行比較，其差值放大后控制無刷直流電動機。精密的轉速閉環控制系統速度精度可達0.1％。對于小功率、要求較低成本，調整范圍小于1：10的無刷直流電動機調速系統，則可免去外加測速發電機，直接利用各相繞組不工作期間(該相功率晶體管截止時)的反電勢經二極管整流后獲得反映電動機轉速的電壓信號，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，其輸出信號經比較器電路得到方波位置信號，由邏輯電路處理得到驅動4個功率開關管的信號，使每個繞組各導通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的。由于每相繞組只
有l／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
二極管檢波后可以得到反映電動機轉速的電勢EC用適當的濾波器濾除交流分量．其直流分量(EC-VS)，正比于轉速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。這個轉速反饋信號與預置速度信號
比較，送入PI塞度詞節器，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節器輸出進行比較后，在電流調節器形成變頻率、變占空比的斬波控制信號，對串接的Ts調整晶體管進行斬波控制。，
續流二極管D和串聯電感器L，的作用是在被斬波的開關功率G管開期間內，保持電動機繞組電流的連續性。
(2)鎖頻鎖機轉速控制方法。鎖相轉速控制系統是將鎖相環技術(PLL)引入速度控制，形成一種高精度數字速度控制系統。其基本框圖見圖2 5 12。
鎖相轉速控制系統由速度給定、頻相比較器、校正環節、功率放大器、電動機、轉速編碼器等組成。其特征是速度反饋和給定都是脈沖量，即以其頻率數代表 定的轉速。當系統鎖定后，電動機的轉速(對應于頻率，f1和給定轉速(對應于頻率fr)保持相等，而lJ兩者之相位差只在小范圍內變化，系統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，嚴格的鎖頻鎖相狀態。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，系統可以得到高精度轉速而且其速度穩定精度可達到0．002％
無刷直流電動機鎖相速度控制系統同樣可采用如圖2 5 12所示的系統。，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狀態，宦采用PwM工作方式。這種系統通常是數字模擬混合式的。對于小功率或對速度的瞬時穩定度要求較低的系統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制末級換向晶體管。
(2)轉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，轉速信號u可以從位置傳感器信號z、y、z經下式邏輯處理得到：
U=x·y+y·z+z·z
隨著無刷直流電動機在錄像機、磁盤機、復印機等產品中的應用，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用的方向。
(七)無轉子位置傳感器無刷直流電動機的控制
在某些特殊應用場合，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。這種方法的思路是，當電動機轉動時，從各相繞組感應電勢波形的特殊點檢測出作為反映轉子位置的信號，代替位置傳感器，實現無刷直流電動機的正常電子換向。顯然，在零速和低速區，
感應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，當升速到一定速度后，自動切換到無刷直流電動機工作狀態。這種控制方法既可以用數字電路來完成，也可以用微處理器控制來實現，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雜性來實現的。從經濟上和技術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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