实现无刷直流永磁电动机正反转

无刷直流电机广泛应用于驱动和伺服系统中，在许多场合，不但要求电机具有良好的起动和调节特性，而且要求电机能够正反转，将着重分析无刷直流电机的正反转原理和实现正反转的方法。

有刷直流电机的正反转可以通过改变电源电压的极性来实现，而无刷直流电机则不能通过改变电源电压的极性来实现，但无刷直流电机正反转的原理和有刷直流电机是相同的。

通常采用改变逆变器开关管的逻辑关系，使电枢绕组各相导通顺序变化来实现电机的正反转，为了使电机正反转均能产生最大平均电磁转矩以保证对称运行，必须精确设计转子位置传感器与转子主磁极和定子各相绕组的相互位置关系，以及正确的逻辑关系，下面以两相导通星形三相六状态稀土永磁无刷直流电机为例，来分析其正反转的实现方法，采用霍尔元件转子位置传感器来实现永磁无刷直流电机的正反转调速，三个霍尔元件沿圆周均匀分布粘贴于电机端盖上，故霍尔元件彼此相差120°电角度。

无刷直流永磁电动机实现正反转方法

无刷直流永磁电动机实现正反转的方法有两种：

● 装置两套转子位置传感器。

● 采用一套转子位置传感器，借助逻辑电路改变功率开关晶体管的导通顺序，从而实现电动机的正反转。

可以这么说，由转子位置传感器控制的功率开关晶体管导通顺序，确定无刷直流永磁电动机电枢磁势矢量究竟往哪个方向转，也就决定了电动机的转向，还真不是电源极性所能确定得了的，加载到无刷直流永磁电动机电枢绕组上的电源极性原本就是不断交变的。

有刷直流永磁电动机正反转原理

为便于分析无刷直流永磁电动机正反转原理，这里先对有刷永磁直流电动机正反转问题进行讨论。

图1给出了有刷永磁直流电动机正反转原理。图1（a）中磁极下电枢电流分布情况下，利用左手定则或比奥·萨乏定律可知，电枢将按顺时针方向转动。如果改变电枢电流方向，使其产生的电枢磁场与图1（a）中的方向相反，即转过去180电角度，如图1（b）所示，则电枢将按逆时针方向转动。若保持图1（b）中的电枢电流的方向不变，而把定子磁场旋转180电角度，如图1（c）所示，则电枢又将按照顺时针方向转动。

图1

基于以上分析，可以得出结论：对于有刷永磁直流电动机而言，定转子磁场中，只要有一个磁场且只能有一个磁场，若相对原磁场的方向旋转180电角度，则电动机就改变其转动方向。所以，在有刷永磁直流电动机中，改变电源电压的极性，就可以改变电枢电流的方向，从而改变其转动方向，实现正反转，其实际接线如图2所示。

图 2

无刷直流永磁电动机如何正反转？

无刷直流永磁电动机的正反转不能通过改变电源电压的极性来实现，然而它正反转的原理与有刷永磁直流电动机相同。图3表示了在旋转过程中，一台四相星形无刷直流永磁电动机定转子磁场之间的相互关系。每相绕组导通角为90电角度，其相应的驱动信号如图4所示。

图 3

在图3中，我们可以看到：

1） 当t=t1时，U相绕组通电，电流方向和转子永磁体的位置如图3（a）中状态所示，永磁体转子按顺时针方向转动。如果此时换成W相绕组通电，则定子磁场就相对图3（a）状态旋转过180电角度，如图3（a’）中状态所示，永磁体转子便逆时针方向转动。

2） 当t=t2时，V相绕组通电，永磁体转子按顺时针方向转动，如图3（b）中状态所示。如果此时换成图3（a’）逆时针转至图3（b’）中状态，则定子磁场就相对图3（b）状态同方向，此时永磁体转子磁场相差180电角度，转子继续按逆时针方向转动。

图 3

3）当t=t3时，W相绕组通电，永磁体转子按顺时针方向转动，如图3（c）中状态所示。如果此时换成图3（b’）逆时针转至图3（c’）中状态，U相绕组通电，则定子磁场就相对如图3（c）状态旋转过180电角度，如图3（c’）中状态所示，转子便按逆时针方向转动。

4）当t=t4时，X相绕组通电，永磁体转子按顺时针方向转动，如图3（d）中状态所示。如果此时换成图3（c’）逆时针转至图3（d’）中状态，则定子磁场就相对图3（d）状态同方向，此时永磁体转子磁场相差180电角度，转子继续按逆时针方向转动。

图 3

由上面的分析可以看到：当无刷直流永磁电动机电枢绕组的通电状态按（a）-（b）-（c）-（d） -（a）顺序连续变化时，永磁体转子便按顺时针方向转动；如果电枢绕组的通电状态按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）顺序连续变化时，则永磁体转子就按逆时针方向转动。比较状态（a）和（a’），（b）和（b’），（c）和（c’），（d）和（d’），可以发现它们之间的差别仅在于：要么反转电动机的定子磁场与正转电动机的定子磁场之间相差180电角度，要么反转电动机的永磁体转子磁场与正转电动机的永磁体转子磁场之间相差180电角度。这与有刷直流永磁电动机实现正反转的原理是一致的。

图 4

无刷直流永磁电机正反转控制原理图

如何实现图3所示状态无刷直流永磁电动机电枢绕组的通电状态按（a）-（b）-（c）-（d） -（a）顺序连续变化到按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）顺序连续变化转换呢？电动机电枢绕组的通电是借助驱动信号来控制的，当电动机按顺时针方向转动时，其相绕组U、V、W、X分别与驱动信号UU、UV、UW、UX—一对应，我们需要按下列步骤变更驱动信号的驱动对象，以实现控制无刷永磁同步电动机反转或逆时针旋转。

● 初始状态

在本应是U相绕组通电的转子位置上，不让U相绕组通电，而让W相绕组通电，也就是在此刻把驱动信号Uu去驱动W相绕组，使W相绕组通电，便实现了由状态（a）到（a’）的切换。

● 转过90电角度

此时顺时针与逆时针旋转的转子磁极转向相反方向，即转子磁场互差180电角度，定子电枢磁场同方向才能使逆时针旋转的转子磁极旋转的磁极继续逆时针方向旋转。故同为UV去驱动V相绕组，使V相绕组通电，实现了由状态（b）到（b’）的切换。

图 5

● 转过180电角度

此时顺时针与逆时针旋转的转子磁极转向同方向，即转子磁场同与初始状态互差180电角度，在本应是W相绕组通电的转子位置上，不让W相绕组通电，而让U相绕组通电，也就是在此刻把驱动信号UW去驱动U相绕组，使U相绕组通电，便实现了由状态（c）到（c’）的切换。

● 转过270电角度

此时顺时针与逆时针旋转的转子磁极又转向相反方向，即转子磁场互差180电角度，定子电枢磁场同方向才能使逆时针旋转的转子磁极旋转的磁极继续逆时针方向旋转。故同为UX去驱动X相绕组，使X相绕组通电，实现了由状态（d）到（d’）的切换。

图 5

● 转过360电角度

回到初始状态，重复上述过程。

采用接触式或无接触式联动开关就可以完成（a）-（b）-（c）-（d） -（a）顺序连续变化到按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）顺序连续变化切换，从而实现了电动机由顺时针方向转动到逆时针方向转动的变换。图5是它的原理图，图中方块1为联动开关。