一种全新直流无刷 电机驱动方案

文:上海市优未科技有限公司 黄中汶2020年第二期

1 技术方案背景

这个方案的设想来源于我司产品开发工作中遇到的实际问题。

本人是一名产品经理兼研发工程师,在公司的一个项目开发过程中,负责开发了一款小家电产品,在该产品的早期规划阶段,为了节省成本,计划使用有刷电机作为动力源。随着项目的推进,在和电机厂家的不断接触中了解到,有刷电机最大的短板是寿命问题,尤其在频繁启停,正反转,大功率运行的条件下,寿命更是会出现断崖式下跌,一个500小时寿命的有刷电机,在这样的极端条件下寿命可能只有几十个小时,完全满足不了我们的需求。于是,我们只好选用无刷电机,但无刷电机成本实在太高,电机和驱动器两者的成本费用,大大超出了预算,我们再三向电机厂家确认,有没有不需要驱动器的无刷电机(只是电机的话成本还可以接受)?答案是没有!有没有更便宜的驱动方案?答案是可以再降低一些,但仍然很贵。

2 有刷电机工作原理的启示

于是我试着了解无刷电机的运行方式,看看能不能找到降低成本的突破口。由于之前对有刷电机比较了解,在了解了无刷电机运行原理之后,有一天突然产生一个想法:能不能让无刷电机也像有刷电机一样自我驱动呢?我认为有刷电机是自驱动电机,因为电机旋转时转子位置状态改变,从而自动切换不同绕组通电实现自我驱动。而无刷电机是外部驱动电机,必须先通过霍尔元件感知电机转子状态,然后再处理位置信息,最后才控制相关绕组通断电。所以我想,能不能让无刷电机也做出类似有刷电机的自驱动的形式,让转子本身的位置状态作为触发条件来驱动自身运转。从这个角度出发,我想到了光电编码器原理,在电机转子上增加遮光盘,通过遮光盘来实时体现转子位置状态,将光电开关产生的电压的信号直接输入的三相逆变器的控制端,以实现不同绕组的通断电,从而就可能可以实现无刷电机的自我驱动了。

认准这个方向,我们先后做了多次尝试,从定子绕组并联连接到星型连接,光电开关从3个感应点到6个感应点,从单相绕组通电到多相绕组同时通电,终于在第六次,实现了和现有无刷电机相同的驱动流程和驱动时序,理论上可以和现有无刷电机驱动器达到相同的驱动效果。

3 技术方案具体内容

接下来,我把最终技术方案具体介绍一下,以最常见的三相二对极内转子电机为例,电机的组成部分和结构如下图所示:

图一.jpg

● 遮光盘和永磁体转子固定连接,可随转子一起旋转

● 遮光盘上开有内外两组通关槽,通光槽中心线与转子磁极分界线偏离15度;

● 通关槽宽度30-60度之间,小于30度可能存在启动死区,大于60度会产生反向推力阻碍电机旋转;

● 光电开关固定在定子上,其中心线与对应绕组中心线重合;

● 每个光电开关设有内外两个感应点。每个感应点经过通光槽时导通;

●导通的光电开关产生电压信号,用以驱动mos管。

光电开关和逆变器原理电路如下图所示:

一种全新直流无刷电机驱动方案2.jpg

光电开关和三相逆变桥

● 光电开关中间为遮光盘,遮光盘旋转到通光槽位置时,光敏三极管导通,从而输出电压信号a1;

● 每个光电开关有两个感应点,三个光电开关共产生6个感应信号(a1,a2,b1,b2,c1,c2,);

● 光电开关与三相逆变桥共地连接。

电机的自驱动时序分析如下:

一种全新直流无刷电机驱动方案3.jpg

图1                                           图2                                             图3

以通光槽宽度30度为例:(光电开关外感应点为a1,b1,c1,内感应点为a2,b2,c2)

● 假设初始状态时,转子处于图1位置。此时光电开关a1导通;

● 将a1的信号线连接到sw1,sw6,使AB绕组通电,产生磁场如图2所示;

● AB绕组推动转子顺时针转动一定角度,到光电开关c2导通,同时光电开关a1断开,如图3;

● 将c2的信号线连接到sw1,sw2,使AC绕组通电,产生磁场如图4所示;

● AC绕组推动转子顺时针转动30度角,到光电开关b1导通,同时光电开关c2断开,如图5;

● 将b1的信号线连接到sw3,sw2,使BC绕组通电,产生磁场如图6所示;

  一种全新直流无刷电机驱动方案4.jpg

图4                                               图5                                            图6

● BC绕组推动转子顺时针转动30度角,到光电开关a2导通,同时光电b1断开,如图7;

● 将a2的信号线连接到sw3,sw4,使BA绕组通电,产生磁场如图8所示;

● BA绕组推动转子顺时针转动30度角,到光电开关c1导通,同时光电开关a2断开,如图9;

一种全新直流无刷电机驱动方案5.jpg

图7                                                 图8                                              图9

● 将c1的信号线连接到sw4,sw5,使CA绕组通电,产生磁场如图10所示;

● CA绕组推动转子顺时针转动30度角,到光电开关b2导通,同时光电开关c1断开,如图11;

● 将b2的信号线连接到sw5,sw6,使CB绕组通电,产生磁场如图12所示;

一种全新直流无刷电机驱动方案6.jpg

图10                                             图11                                           图12

● CB绕组推动转子顺时针转动30度角,到光电开关a1导通,同时光电开关b2断开,如图13;

● 导通的a1使AB绕组通电,继续推动转子顺时针旋转30度,如图14;

一种全新直流无刷电机驱动方案7.jpg

图13                                           图14

● 到此为止,定子回到图2状态,完成了一个循环,推动转子旋转180度,并会持续运行下去;

● 如此即可完成无刷电机自驱动运转。

转子整体运行时序如下所示:

一种全新直流无刷电机驱动方案8.jpg

4 自驱无刷电机优势

该驱动方案通过简单的遮光盘和光电开关组件,在一定的角度设置条件下,巧妙地实现了无刷电机的自驱动,且其驱动流程和驱动时序与现有无刷电机的驱动流程和驱动时序相同,因此理论上该方案可以实现和现有无刷电机相同的启动特性,力矩特性和效率特性,达到和现有无刷电机相同的性能,相比于现有外部驱动器的实现方式,自驱驱动方式更简单,更可靠,成本更低。

我们依照该方案做出了样机,并实际运行验证了该方案的可行性。成品状态的电机其构造分为电机本体和感应开关组件两个部分,电机本体使用现有的三相无感电机,感应组件位于电机尾部,相比于霍尔内置的无刷电机,感应控制组件远离电机内部高温严苛的工作环境,可靠性更高。另外从电机生产工艺角度出发,由于电机结构完全没有改变,只需在现有电机尾部直接加装感应驱动组件即可,无需改造原有电机生产工艺及生产线,因此该类电机的生产制造更加方便。

5 技术主要应用领域

整体来看,自驱无刷电机更像是介于有刷电机和无刷电机中间的一个新品类,兼具有刷电机功能简单,成本低和无刷电机长寿命,低噪声的优点,个人认为该项技术的应用主要有两个方面:

一方面是降低成本,替代部分简单功能的无刷电机,因为现有无刷电机控制较为复杂,功能也齐全,但很多产品用不到那么复杂的功能,就像一个人只需要一匹马,但不得不把整个马车也买下来一样,因此可以应用于这类简单功能产品之中,替换原有无刷电机,降低成本;另一方面是提升性能,主要应用对象是那些原本就使用有刷电机的产品,使这些产品可以用较低成本将有刷电机替换为无刷电机,从而可以大幅提升产品性能,扩大产品应用范围,如增加产品寿命,降低噪声和干扰等等。

此外,用户还可以根据不同产品的应用需要,在电机基础功能上再增加正反转,调速,反馈,刹车或制动等其他功能,应用更灵活。

6 结束语

直流电机凭借其良好的功率因素,启动特性和调速性能等方面的优势,广泛应用于工业,农业,交通,能源,家电,玩具以及电动工具等领域,而随着社会的不断发展,人们对产品的各项性能指标的要求也越来越高。面对市场日益激烈的竞争,在各行各业都极力追求成本控制,追求更高产品性能的趋势背景之下,兼具有刷电机和无刷电机优点的自驱无刷电机,将有着较大的市场应用前景。

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