0 引言

    传统直流电动机虽然线性机械特性十分优良，启动时产生的外部的扭矩足够大，但电动机的电刷和换向器磨损严重，电动机内部微控制器结构也很复杂，这些因素的存在使传统电机的可维护性很差。

    21世纪以来，电子换向器技术日益成熟，促使电动机的内部开始使用电子换向器，机械电刷的使用率大幅下降，机械换向器也逐渐被淘汰。使用电子换向器让电动机克服了机械换向器易损耗的缺点，同时也使得电动机的机械结构更加简单^[1]。但大部分无刷直流电动机的控制电路仍然很复杂，产生问题时不容易维护。

    本文在无刷直流电动机的基础上，提出了一种用于无刷直流电动机控制器的结构简单、生产成本低廉的专用电路，此电路可以固定跟随定子的电流方向，控制电机进行正向旋转或反向旋转，并控制转子的旋转角度，从而实现对三相无刷直流电动机的控制。

1 无刷电机工作原理

    三相无刷直流电动机中，永久磁钢材料的定子可以产生充满整个电动机内部气体间隙的磁场，而电动机的电枢绕组通以电流后会产生一个随着电流变化而变化的电枢磁场。

    为了使电动机始终保持在最佳运转状态，就需要使电机产生的扭矩达到最大且方向随时间不断变化，这可以通过使电机内两个磁场的方向一直相互垂直的方式来实现。若仅仅使用普通直流电源，则电枢磁场的方向不会改变，而转子磁钢一直在做圆周运动，两个磁场的方向无法一直保持相互垂直的状态。所以，必须要使用换向装置。

    换向装置通过位置传感器检测转子位置，通过控制电路完成换向的逻辑操作，使直流电源可以在三相之间来回切换，让电枢绕组接收到不同的电信号，产生变化的电枢磁场，如图1所示^[2]。

2 无刷电机控制系统专用电路

2.1 定子绕组

    为了对电动机的转动进行实时控制和调整，控制系统的专用电路需要根据位置传感器的转子位置信号，转换成对应的电信号，来控制电子开关电路的功率管的导通和关断，最后通入到电枢绕组的某一相中。该相的电流产生的磁场与转子产生的磁场相互作用，使转子在转矩的驱动下旋转^[3]。电动机上的定子绕组的位置如图2所示。

2.2 电子开关电路

    本文采用三相星形联结全控电路，如图3所示。此电路每次导通其中两个功率管，这两个功率管在转子经过120°电角度所持续的时间内保持导通状态^[4]。每当转子经过60°电角度后，电动机就必须改变一次相位，改变相位后，两个正在导通的功率管其中一个被断开，电路中未导通的功率管按照电路接收到的电信号导通其中一个。

    认定转矩正方向为流入电枢绕组的电流所产生转矩方向。先导通功率管的是T1与T2，电流从T1管流入，从T2管回到电源，在这过程中，经过了A相和C相绕组。T_a和-T_c合成后得到T_ac，大小为T_a，方向为两向量的角平分线方向，如图4所示。

    当电动机的转子转过60°后，功率管T1关断，停止通电，而功率管T3开始通入电流。这时，电流从T3管流入，从T2回到电源。在这过程中，经过了B相和C相绕组。T_b和-T_c合成后得到T_bc，大小仍然为T_a，方向为两向量的角平分线方向。此时合成的转矩如图5所示^[5]。

    此后每次换相时，变化过程与前述过程基本相同，仅仅改变了打开和关断的功率管。图6表示出了整个换相变化过程中全部合成转矩的方向。

2.3 控制系统驱动电路

    为了观察到电动机转子的位置，来判断电机下一步该执行的操作，确定定子绕组应该获得的电流大小和电流方向，将三个位置传感器C1、C2、C3连接到电动机。在电动机转动时，传感器接收转子的位置信号，传递给控制器电路，以此来控制定子电流，传感器在电动机上的位置如图7所示^[6]。

    如表1所示，位置传感器C1、C2和C3产生的信号分别由Ha、Hb和Hc表示，另加一个CW/CCW的信号。如果在CW/CCW端口上给出高电平信号(1)，则转子将顺时针旋转。如果给出低电平信号(0)，则转子将逆时针旋转。Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl分别连接到电动机定子绕组。根据输入信号，控制器的驱动电路将给出输出信号以控制顺时针和逆时针旋转。

    当CW/CCW为高电平时，如果转子位于传感器C1的位置，Ha为高电平，C2和C3为低电平，则控制器电路必须给出60°的信号，将转子从0°移动到60°。转子角度的其他变换过程与此过程类似。对于逆时针旋转，将CW/CCW端口电压置为低电平即可。

    结合表1，利用Logisim软件，可以得到上述真值表对应的数字逻辑电路。Ha、Hb、Hc和CW/CCW端口作为数字逻辑电路的输入端口，Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl端口作为数字逻辑电路的输出端口。整个数字逻辑电路仅由非门、三输入与门和或门组成^[7]，如图8所示。

3 电路仿真和测试结果

3.1 电路仿真

    利用80C51芯片对本文设计的专用驱动电路进行最终的验证分析^[8]。输入信号是由外电路各开关的闭合来产生高低电平信号，以此来模仿Ha、Hb、Hc和CW/CCW的高低电平信号。开关闭合表示此端口输入为高电平^[9]。开关S1、S2、S3和S4分别对应Ha、Hb、Hc和CW/CCW的电平信号。R₁、R₂、R₃和R₄的值均为2 kΩ。

    输出信号是由外电路各LED灯的亮灭情况来显示对应支路的高低电平信号，以此来模仿Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl的高低电平信号。端口电路的LED灯亮时表示此端口输出为低电平。LED1、LED2、LED3、LED4、LED5和LED6分别对应Ah、Al、Bh、Bl、Ch和Cl的电平信号。R_L1、R_L2、R_L3、R_L4、R_L5和R_L6的电阻值均为4.7 kΩ，如图9所示。

3.2 仿真结果

    利用Cadence的仿真工具NC-Verilog simulator得到仿真波形，如图10所示。图10中的变量名与图6控制系统的逻辑电路图一一对应。

    当CW/CCW输入端的开关闭合时，电动机正向旋转。对应输出端口输出低电平时，对应的电路上LED灯亮；对应输出端口输出高电平时，对应的电路上LED灯灭。

    当CW/CCW输入端的开关断开时，电动机反向旋转，对应输出端口输出低电平时，对应的电路上LED灯亮；对应输出端口输出高电平时，对应的电路上LED灯灭。实验结果与实验预期符合得很好。实验所用80C51芯片和LED灯显示模块如图11所示。

4 结论

    本文仿真结果说明该专用于无刷直流电机控制系统的逻辑电路，可以替代以往复杂的控制电路，用来驱动无刷直流电机的微控制器运转^[10]。这种逻辑电路结构简单，生产成本低廉，易于维护，应用范围非常广泛。因此，该专用电路可用在使用低成本的三相无刷直流电机的相关产品上，以降低生产成本。

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[10] 马文斌，杨延竹，洪运.步进电机控制系统的设计及应用[J].电子技术应用，2015，41(11)：11-13.

作者信息:

王晓蕾，徐  彦，王振兴，涂金生，王传傲，朱  毅

(合肥工业大学 微电子学院，安徽 合肥230009)