0 引言

    傳統直流電動機雖然線性機械特性十分優良，啟動時產生的外部的扭矩足夠大，但電動機的電刷和換向器磨損嚴重，電動機內部微控制器結構也很復雜，這些因素的存在使傳統電機的可維護性很差。

    21世紀以來，電子換向器技術日益成熟，促使電動機的內部開始使用電子換向器，機械電刷的使用率大幅下降，機械換向器也逐漸被淘汰。使用電子換向器讓電動機克服了機械換向器易損耗的缺點，同時也使得電動機的機械結構更加簡單^[1]。但大部分無刷直流電動機的控制電路仍然很復雜，產生問題時不容易維護。

    本文在無刷直流電動機的基礎上，提出了一種用于無刷直流電動機控制器的結構簡單、生產成本低廉的專用電路，此電路可以固定跟隨定子的電流方向，控制電機進行正向旋轉或反向旋轉，并控制轉子的旋轉角度，從而實現對三相無刷直流電動機的控制。

1 無刷電機工作原理

    三相無刷直流電動機中，永久磁鋼材料的定子可以產生充滿整個電動機內部氣體間隙的磁場，而電動機的電樞繞組通以電流后會產生一個隨著電流變化而變化的電樞磁場。

    為了使電動機始終保持在最佳運轉狀態，就需要使電機產生的扭矩達到最大且方向隨時間不斷變化，這可以通過使電機內兩個磁場的方向一直相互垂直的方式來實現。若僅僅使用普通直流電源，則電樞磁場的方向不會改變，而轉子磁鋼一直在做圓周運動，兩個磁場的方向無法一直保持相互垂直的狀態。所以，必須要使用換向裝置。

    換向裝置通過位置傳感器檢測轉子位置，通過控制電路完成換向的邏輯操作，使直流電源可以在三相之間來回切換，讓電樞繞組接收到不同的電信號，產生變化的電樞磁場，如圖1所示^[2]。

2 無刷電機控制系統專用電路

2.1 定子繞組

    為了對電動機的轉動進行實時控制和調整，控制系統的專用電路需要根據位置傳感器的轉子位置信號，轉換成對應的電信號，來控制電子開關電路的功率管的導通和關斷，最后通入到電樞繞組的某一相中。該相的電流產生的磁場與轉子產生的磁場相互作用，使轉子在轉矩的驅動下旋轉^[3]。電動機上的定子繞組的位置如圖2所示。

2.2 電子開關電路

    本文采用三相星形聯結全控電路，如圖3所示。此電路每次導通其中兩個功率管，這兩個功率管在轉子經過120°電角度所持續的時間內保持導通狀態^[4]。每當轉子經過60°電角度后，電動機就必須改變一次相位，改變相位后，兩個正在導通的功率管其中一個被斷開，電路中未導通的功率管按照電路接收到的電信號導通其中一個。

    認定轉矩正方向為流入電樞繞組的電流所產生轉矩方向。先導通功率管的是T1與T2，電流從T1管流入，從T2管回到電源，在這過程中，經過了A相和C相繞組。T_a和-T_c合成后得到T_ac，大小為T_a，方向為兩向量的角平分線方向，如圖4所示。

    當電動機的轉子轉過60°后，功率管T1關斷，停止通電，而功率管T3開始通入電流。這時，電流從T3管流入，從T2回到電源。在這過程中，經過了B相和C相繞組。T_b和-T_c合成后得到T_bc，大小仍然為T_a，方向為兩向量的角平分線方向。此時合成的轉矩如圖5所示^[5]。

    此后每次換相時，變化過程與前述過程基本相同，僅僅改變了打開和關斷的功率管。圖6表示出了整個換相變化過程中全部合成轉矩的方向。

2.3 控制系統驅動電路

    為了觀察到電動機轉子的位置，來判斷電機下一步該執行的操作，確定定子繞組應該獲得的電流大小和電流方向，將三個位置傳感器C1、C2、C3連接到電動機。在電動機轉動時，傳感器接收轉子的位置信號，傳遞給控制器電路，以此來控制定子電流，傳感器在電動機上的位置如圖7所示^[6]。

    如表1所示，位置傳感器C1、C2和C3產生的信號分別由Ha、Hb和Hc表示，另加一個CW/CCW的信號。如果在CW/CCW端口上給出高電平信號(1)，則轉子將順時針旋轉。如果給出低電平信號(0)，則轉子將逆時針旋轉。Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl分別連接到電動機定子繞組。根據輸入信號，控制器的驅動電路將給出輸出信號以控制順時針和逆時針旋轉。

    當CW/CCW為高電平時，如果轉子位于傳感器C1的位置，Ha為高電平，C2和C3為低電平，則控制器電路必須給出60°的信號，將轉子從0°移動到60°。轉子角度的其他變換過程與此過程類似。對于逆時針旋轉，將CW/CCW端口電壓置為低電平即可。

    結合表1，利用Logisim軟件，可以得到上述真值表對應的數字邏輯電路。Ha、Hb、Hc和CW/CCW端口作為數字邏輯電路的輸入端口，Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl端口作為數字邏輯電路的輸出端口。整個數字邏輯電路僅由非門、三輸入與門和或門組成^[7]，如圖8所示。

3 電路仿真和測試結果

3.1 電路仿真

    利用80C51芯片對本文設計的專用驅動電路進行最終的驗證分析^[8]。輸入信號是由外電路各開關的閉合來產生高低電平信號，以此來模仿Ha、Hb、Hc和CW/CCW的高低電平信號。開關閉合表示此端口輸入為高電平^[9]。開關S1、S2、S3和S4分別對應Ha、Hb、Hc和CW/CCW的電平信號。R₁、R₂、R₃和R₄的值均為2 kΩ。

    輸出信號是由外電路各LED燈的亮滅情況來顯示對應支路的高低電平信號，以此來模仿Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl的高低電平信號。端口電路的LED燈亮時表示此端口輸出為低電平。LED1、LED2、LED3、LED4、LED5和LED6分別對應Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl的電平信號。R_L1、R_L2、R_L3、R_L4、R_L5和R_L6的電阻值均為4.7 kΩ，如圖9所示。

3.2 仿真結果

    利用Cadence的仿真工具NC-Verilog simulator得到仿真波形，如圖10所示。圖10中的變量名與圖6控制系統的邏輯電路圖一一對應。

    當CW/CCW輸入端的開關閉合時，電動機正向旋轉。對應輸出端口輸出低電平時，對應的電路上LED燈亮；對應輸出端口輸出高電平時，對應的電路上LED燈滅。

    當CW/CCW輸入端的開關斷開時，電動機反向旋轉，對應輸出端口輸出低電平時，對應的電路上LED燈亮；對應輸出端口輸出高電平時，對應的電路上LED燈滅。實驗結果與實驗預期符合得很好。實驗所用80C51芯片和LED燈顯示模塊如圖11所示。

4 結論

    本文仿真結果說明該專用于無刷直流電機控制系統的邏輯電路，可以替代以往復雜的控制電路，用來驅動無刷直流電機的微控制器運轉^[10]。這種邏輯電路結構簡單，生產成本低廉，易于維護，應用范圍非常廣泛。因此，該專用電路可用在使用低成本的三相無刷直流電機的相關產品上，以降低生產成本。

參考文獻

[1] 江振鋒，李鑫，戴梅，等.三相無刷直流電機調速系統的驅動設計[J].常熟理工學院學報，2013，27(4)：86-90.

[2] 吳紅星，葉宇驕，倪天，等.無刷直流電機轉子位置檢測技術綜述[J].微電機，2011，44(8)：75-81.

[3] 夏常亮，方紅偉.永磁無刷直流電機及其控制[J].電工技術學報，2012，27(3)：25-34.

[4] 史永勝，李利，余彬.高性能移相全橋變換器的設計與實現[J].電子技術應用，2016，42(4)：127-131，134.

[5] HASEN R，SALIM K M.Design implementation and testing of a three phase BLDC motor controller[C].International Conference on Advances in Electrical Engineering.Dkaka，bangladesh，2013：192-196.

[6] HAZARI M R，JAHAN E，SIRAJ M E，et al.Design of a brushless DC(BLDC) motor controller[C].International Conference on Electrical Engineering and Information & Communication Technology.Dhaka，Bangladesh，2014：1-6.

[7] YOUSUF N B，SALIM K M，HAIDER R，et al.Development of a three phase induction motor controller for solar powered water pump[C].2nd International Conference on the Developments in Renewable Energy Technology.Dhaka，Bangladesh，2012：1-5.

[8] 李健飛，郝桂青.基于MC9S12D64單片機的直流無刷電機控制系統設計[J].電子設計工程，2010，18(12)：102-104.

[9] 伍錫如，王方.被動同心轉向式多履帶全向移動機器人設計[J].電子技術應用，2018，44(2)：115-119，123.

[10] 馬文斌，楊延竹，洪運.步進電機控制系統的設計及應用[J].電子技術應用，2015，41(11)：11-13.

作者信息:

王曉蕾，徐  彥，王振興，涂金生，王傳傲，朱  毅

(合肥工業大學 微電子學院，安徽 合肥230009)