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張 麗(雞西大學 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機的生產與需求是不適應的，市場上銷售的吸塵器多采用國外電動機組裝，因國產的吸塵器用無刷直流電動機在高速旋轉時存在振動大、換向火花大、電刷使用壽命短、噪聲大等問題，用改變電動機的槽口設計、提高軸承質量、優化電刷設計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。電機在的這些弊端主要來源于有接觸的換向器——機械換向裝置，若采用電子換向裝置來代替機械換向裝置的無刷電動機，就可有效地解決電機中由于接觸換向所帶來的一系列問題。同時，由于吸塵器對轉速的穩定性沒有過高的要求，可以避開無刷電動機的缺陷。本文介紹無刷直流電動機的電子換向裝置。
2 無刷直流電動機的基本工作原理
無刷直流電動機用****磁鋼作為轉子，電樞繞組裝在定子上，其內部的電磁過程與有刷直流電機無大區別。有刷電機具有旋轉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生大的電磁轉矩。而電樞磁勢的建立是由一個滑動的接觸裝置——電刷和換向器，牙能將電流饋給旋轉的電樞。在無刷電動機中，用可以旋轉的****磁鋼作主磁極（轉子），將安裝在定子上的電樞繞組與電子開關元件相連接，為了獲得一定的電磁轉矩，主磁極磁勢與定子繞組所產生的磁勢應保持一定的矢量差角，當矢量角為90度時，電磁轉矩****，所以，應使矢量根據矢量所轉動的位置而變動位置，在無刷電動機內部應有一個位置傳感器，它可以隨時測出轉子（主磁極）的位置，用測得的信號控制電子開關元件，使與開關元件相連接的定子繞組產生一個跳躍式的旋轉磁勢，以控制磁勢與主磁極磁勢的相對位置在一定范圍內變化，這樣，電動機就可以獲得一定量的動轉矩（電磁轉矩），使永磁轉子連續的轉動。所以，無刷電機的電子換向裝置是由位置傳感器和具有電子開關元件的電子線路構成。
在無刷電動機中（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元件相連后接直流電源。如果用三個霍爾元件作位置傳感器，分別放在定子槽口的適當位置，它們所得到的信號經放大電路放大后，分別輸送給與A、B、C三相連接的電子開關元件的控制端，以便控制元件的關斷。
當****磁極處在A相傳感器能接到信號的位置時，A相傳感器就有信號輸出，使與A相繞組連接的開關元件導通，A相繞組通電后產生一磁勢，正好與磁極磁勢有一定的矢量角，產生一定的電磁轉矩，使磁極向方向旋轉。見圖2a。當磁極轉過120度電角度時，F與Fo重合，電磁轉矩不為零，此時，A相傳感器的信號消失，A相的元件關斷，B相傳感器得到信號輸出，使與B相繞組連接的開關元件導通，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，這時又建立一個新的位置關系，使磁極保持旋轉的狀態，見圖2b。待磁極再轉過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，再產生一個位置關系，保持了電磁轉矩在一定范圍內變化，使轉子能夠連續旋轉，見圖2c。因此，只要根據磁場轉動的不同位置，以恰當的順序去接通和關斷各相出線端所聯接的開關元件，保持磁極磁勢滯后電樞磁勢一定電角度的位置關系，使無刷電動機產生電磁轉矩而穩定運行。
3 無刷電動機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。
當所加磁場方向如圖3b所示時，從N垂直進入S，霍爾元件兩端產生一個霍爾電勢，經放大整形后變為幅值達數伏的數字信號輸出。若所加的磁場為梯形波時，輸出的波形如圖4所示。
采用功率MOS管(VMOS)作開關元件，VMOS管輸入阻抗高，驅動電流極小，此外，它是多數載流子器件，沒有雙極型功率管所固有的“存貯效應”，因而消除了開關管的共態導通，降低了損耗，使無刷電動機工作可靠，VMOS管開關速度快，動態功耗小，又是負溫度系數器件，所以熱穩定性好，沒有雙極性管固有的“二次擊穿”現象，減少了故障率。將霍爾集成電路放在電機定子槽口的適當地方，并用邏輯電路建立27r/3高電平信號的波形控制VMOS管開關，使相應繞組導通。這樣，就可以實現對無刷直流電動機的控制。
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機，控制線路如圖5所示，以實現電動機在“一相導通三狀態”下運行。
3.1直流電源
電路的作用有二，一是為直流電動機提供直流電源，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，經過330/450V的電解電容濾波，得到242V電壓供給電機。采用220/15V的變壓器，1A的橋式整流、濾波和穩壓電路就可獲得一個很穩定的12V直流電壓。其作用為利用LM311中的RC延時電路，使起動時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過渡過程，起動電流按指數上升，這樣，能提高起動的穩定性，起動時發熱量小，沒有沖擊；利用斬波恒流原理，當出現意外情況使電路電流過大時，LM311將輸出低電平封鎖全部功率開關元件，保護VMOS管，如圖5的保護電路部分。
3.2保護電路
這部分電路包括霍爾位置傳感器和邏輯采用運放LM311組成斬波恒流保護電組合電路，如圖5的電子開關控制電路部分。
3.3電子開關的控制電路
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，邏輯電路中的三個與門由一個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。
當電動機起動后，霍爾集成電路H1、H2、H3分別感應出電壓經過邏輯電路的組合，使“控制A相開關，V-b c控制B相開關，W=ac控制合相開關，每相繞組在一個周期內，有1/3時間導通，且每次只能一相導通，從而實現三相三狀態運行。
3.4功率開關的保護電路
當“端電壓為11. 7V左右、A相繞組的選通信號為高電平時，開始導通，A相繞組得到饋電，當V端電壓低于VMOS管導通電壓時，VMOS管關斷，由于電樞繞組的電感性質，電流不會立刻消失，在二極管D和R。組成的續流回路中繼續流過，并逐漸衰減。此時VMOS管漏極電壓將比電源電壓高一個二級管D和電阻R。的壓降。圖7所示的穩壓二極管D是在VMOS管內部，當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，D。導通，使DS間電壓不超過VMOS管的擊穿電壓，起到保護作用。
線路原理如圖6所示，這部分電路是整個控制電路的核心。
4 結 語
無刷直流電動機既有一般直流電動機的優點，又能有效地解決有刷直流電動機所存在的問題。無刷直流電動機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元件，使控制線路簡單，運行可靠。
（收稿日期：1997-12-08）
張麗：女，1961年4月出生，講師。
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