CN101369766B - 直驱电机装置及其用途 - Google Patents

Abstract

直驱电机装置及其鉴别方法及力控的控制方法和用途，一种直驱电机装置，其特征是：有一个永磁同步无刷电机为信号电机，一个永磁同步无刷电机为电动机，两个电机安装在同轴上组合为同轴一体化的直驱电机装置，信号电机和电动机都为两相或两相以上的相同相数，两个电机的永磁极的磁极N和S间置且磁极对数相同；直驱电机装置是以力控方法控制的；所述用途包括：用于滚动摆体驱动装置、悬挂摆体驱动装置、自返回驱动装置、自往复驱动装置、助力驱动装置、人力导向驱动装置等力控用途。

Description

直驱电机装置及其用途

技术领域

本发明涉及一种有信号电机的都为永磁同步无刷的一体化电动机装置。是一种可以用控制器驱动的电动机装置。

背景技术

由于现有电动机都按预定方向驱动，使得无预定方向驱动装置只在休闲、娱乐的滚摆体中出现，典型的是中国专利申请号03143939.X，专利名称《一种驱动摆体的方法和电磁驱动机构》，其驱动装置的控制实质特点就是，信号绕组共用电动机磁路，因而产生同步信号可直接驱动电动机，进而随摆体摆动方向自然地改变驱动方向，其装置忽略了同一电动机信号绕组感应的自激信号难于消除，使其方案难于运用。另一方面，人们对一般滚摆体的驱动性要求仍停留在玩具类的次要技术标准上，因而通用的滚摆体驱动装置没有出现。

发明内容

本发明目的在于提供一种独立性直驱电机装置，是在动态时可鉴别信号电机能产生完整同步信号的直驱电机机体，其信号使直驱电机机体集基本完整的驱动逻辑信号部件于一体，并可用包括采用基本功率驱动器直接驱动的基础上，所述直驱还表明区别于开关或指令控制的电机驱动装置。

本发明的目的还在于提供一种直驱电机装置可力控的用途及力控的方法。

以下说明本发明的特点。

图1为单相直驱电机装置原理演示图，信号电机1和电动机2共用同轴3，两电机都为完全相同的单相永磁同步无刷电机，两电机内的电磁或磁电位置对应相同，因而等效于同一电机电磁或磁电及位置规律，信号电机1的引出线经功率驱动器4后与电动机2相连，当功率驱动器接通电源时，直驱电机处于待机不转状态，再以力控5或手力转动同轴3时，信号电机1发电，产生动态信号；信号电机1的动态信号输送到功率驱动器4，将动态信号放大；信号电机1产生的动态信号同时作为运动方向信号、磁极换相信号、调速或调功信号；功率驱动器4将动态信号送到电动机2；联动的信号电机1又产生新的动态信号，如此往复的机电正激循环不断，直驱电机将顺力控导向的方向启动并且迅速达较高速。当同轴3受阻力时减速，阻力一定时直驱电机驱于停转。手动转动同轴3引导电动机2反转时，原理与上述也相同。如图1中将输入端交换倒相，或将输出端交换倒相，其结果是直驱电机总为制动功能，但实际采用短接制动方式。

上述原理模型演示还反映单相的直驱电机装置驱动脉动大，由于是软驱动特性，因而单相直驱电机装置不适于实际力控性运用，还要求信号电机简单易安装，易于实施，本发明直驱电机装置的技术方案如下：

一种直驱电机装置，其特征是：有一个永磁同步无刷电机为信号电机，一个永磁同步无刷电机为电动机，两个电机安装在同轴上组合为同轴一体化的直驱电机装置，信号电机和电动机都为两相以上的相同相数，信号电机和电动机的永磁极的磁极N和S间置且磁极对数相同，信号电机和电动机的永磁极都在转子上，信号电机和电动机的绕组磁极都在定子上，信号电机占用体积为电动机体积的二分之一以下；信号电机各相分别经过功率驱动器的各驱动通道与电动机的相应对应相连接，功率驱动器包括采用模拟推挽功率驱动器。

信号电机与电动机的位置对应关系为：两电机不动时，信号电机对应电动机每一对应相的绕组磁极.分别与各自电机内距离最近的同名永磁极(N或S为参考)之间的电磁位置相同。

所述信号电机与电动机的永磁极与绕组磁极间的电及磁位置对应关系的鉴别是，以手动方式分别正、反向转动时，判定信号电机与电动机每一对应相绕组产生的发电势的相位为同步对应关系，即两电机各对应相发电势相位过零点相同，其两个电机各对应相的相位完全同相或完全反相。

直驱电机装置力控启动控制方法是：当功率驱动器接通电源时，直驱电机处于待机不转状态，再以力控或手力转动同轴时，直驱电机将顺手控导向的正向或反向启动。

为便于进一步理解上述方案，附图2所示为本发明直驱电机装置的结构示意图，其组成由信号电机8与电动机10合并为同轴一体化的直驱电机装置9，其电动机10及信号电机8可以是外定子结构，也可以是外磁转子结构，其电机结构以电动机的结构为准，外观上，外定子式直驱电机与外磁转子式直驱电机的必然区别在于引出导线的位置不同，外磁转子直驱电机从同轴3的孔中引出导线。当信号电机与电动机为内、外磁转子式结构混用时，为便于引出导线，信号电机可选用一侧固定的侧盘形结构，由于半敞开方式而不阻碍导线通过。信号电机8与电动机10的位置对应关系可参考图4，随后作说明。

图3为外定子式直驱电机与驱动装置结构连接图，外定子式直驱电机35的信号电机可采用外定子结构，信号电机6各相分别经过功率驱动器19的各驱动通道与电动机36的相应对应相连接，功率驱动器19包括采用基本模拟挽功率驱动器的基础上，以实现线性驱动。功率驱动器19还可以采用基本交流脉宽调制的PWM功率驱动器。并以信号电机产生正弦波调制信号，进而实现模拟线性等效的脉宽调制的SPWM驱动方式。获得自控控调功调速功能，功率驱动器19通电以后，受力控5控制，其运转特点与图1所示单相直驱电机装置的特点相一致，由于采用2相或3相驱动，使驱动转矩脉动小，线性双向驱动性能可靠，并受力控控制直接驱动的特点。

图4为外定子式直驱电机装置位置对应关系示意图。信号电机6与电动机36由同轴3沿虚线连接，两电机的机壳沿虚线相互固定，为便于比较，图4中的信号电机6画得比实际的大，信号电机6与电动机36的位置对应关系为：直驱电机不转动时，信号电机6的A相绕组磁极13相对距离最近的永磁极15的N极的电磁位置，与电动机36的A相绕组磁极14相对距离最近的永磁极16的N极的电磁位置为相同关系；同样，两电机以永磁极S为参考电磁位置也为相同关系。进而比较B相或C相其结果一致。

上述外定子式直驱电机装置位置对应关系也适用于外磁转子直驱电机装置，也适用于内、外磁转子式电机混用时的位置对应关系，只是形式上绕组磁极与永磁极对换位置。

不难理解，直驱电机的位置对应关系实际处于在封闭状态难于实际操作，需要简单的鉴别方法。本发明专利中，由于信号电机与电动机的相同结构及相同电磁位置规律，因而力控5或手力转动同轴3时，信号电机及电动机能产生同步的发电信号，于是可以用发电的同步信号进行鉴别。

装配直驱电机装置及校正位置对应关系及鉴别位置对应关系，在直驱电机的基础上，都可采用两电机发电势电压相位为同步对应的方法，其方法具体在于：直驱电机装置以手动方式分别正、反向转动时，用示波器判定信号电机与电动机每一对应相绕组产生的发电势的相位为同步对应关系，即两电机各对应相发电势相位过零点相同，其两个电机各对应相的相位完全同相或完全反相。

总的说，在普通永磁同步无刷电机的基础上的直驱电机装置的机体结构有益效果是，其意义在于直驱电机在动态时，信号电机能同时产生独立的磁极换相信号、运转方向信号、运转速度信号，上述三种信号使直驱电机装置机体集基本完整的驱动逻辑信号部件于一体。

进而直驱电机装置可以用模拟推挽功率驱动电路直接驱动，或以交流脉宽调制的PWM基本功率驱动器直接驱动，并由于信号电机的动态信号为与速度正比变化的正弦波信号，因而自然构成交流脉宽调制的SPWM驱动方式。再进一步直驱电机装置适于力控控制。

附图说明：

图1为单相直驱电机装置原理演示图。

图2为直驱电机装置的结构示意图。

图3为外定子式直驱电机与驱动装置连接图。

图4为外定子式直驱电机装置位置对应关系示意图。

图5为外定子式直驱电机装置轴向剖面图。

图6为信号电机轴向剖视图。

图7为信号电机的绕组定子与磁极转子的平面图。

图8为外磁转子式直驱电机装置轴向剖面图。

图9为信号电机轴向剖视图。

图10为有门槛电平的模拟功率驱动器电路原理图。

图11为无门槛电平的模拟功率驱动器电路原理图。

图12为交流脉宽调制PWM功率驱动电路电路原理方框图。

图13为直驱电机装置驱动滚摆体的结构图。

图14为直驱电机装置的PWM功率驱动器电路原理图。

图15为PWM功率驱动器单相的SPWM脉宽调制信号波形。

图16直驱电机装置的驱动系统力控关系方框图。

图17为直驱电机装置驱动的自往复装置结构图。

图18为直驱电机装置驱动的皮带助力机结构图。

图中各部分编号如下：

信号电机1、电动机2、同轴3、驱动器4、力控5、信号电机6、信号电机8、直控电机装置9、直驱电机12、绕组磁极13、永磁极15、16、功率驱动器19、外定子式电动机20、信号电机21、永磁极22、绕组磁极23、绕组定子24、永磁转子25、轴套26、绕组磁极27、霍尔元件28、永磁极29、外磁转子电动机30、信号电机31、永磁极32、绕组磁极33、定轴34、直驱电机装置35、外定子式电动机36、外磁转子式直驱电机装置37、功率驱动器40、滚轮41、摆杆42、活动轴43、螺帽44、弧形体45、扶盘47、基架48、弹簧49、小车50、缓冲垫51、传动丝杆52、小车位置53、模拟功率驱动器54、PWM功率驱动器55、固定支架56、调功器57、导轮组件58、皮带59。

具体实施方式

外定子式直驱电机装置，直驱电机装置要求信号电机体积适当小，易安装，同时要求驱动转速相对不大的情况下提高驱动转矩，以弥补直驱电机装置的软驱动特性。之后的文中为方便说明，信号电机与电动机都为永磁同步无刷电机。

图5为外定子式直驱电机装置轴向剖面图。直驱电机装置12由都为三相的外定子式电动机20及三相的外磁转子式信号电机21组成，电动机20的永磁极22固定在电动机的内转子盘上，电动机20的绕组磁极23固定在电动机的外定子内壁上；

图6为信号电机轴向剖视图，信号电机21为一侧机壳敞开的侧盘形结构，侧盘形结构的轴部为中空状，信号电机21的绕组定子24固定于电动机20外定子机壳的轴孔外围的内侧壁上，与信号电机21的绕组定子外围相应的是，信号电机21的永磁转子25以机壳单侧壁经轴套26固定于电动机20内转子一侧的轴上，其信号电机21的永磁转子25有机壳侧壁的一面为面对电动机20内转子一侧。

图7为信号电机的绕组定子与磁极转子平面视图。绕组定子24与磁极转子25的轴部为中空状，磁极转子25上的永磁极29的磁极N及S可为橡胶磁极，其绕组定子24上的绕组磁极27的数量间置地减少一半的情况下，信号电机21各相对电动机20原电及磁位置位置的对应关系不变，以利于信号电机缩小，并且绕组磁极27所占原角度的宽度L可以适当变窄；用于启动用的3只霍尔元件28以120°位置间隔置于绕组磁极27之间，霍尔元件28用以电机静止状态产生同步启动的信号，以备直驱电机定向启动用。

图5中外定子式直驱电机12采用稀土材料作永磁极，使驱动转矩较大，信号电机21为外磁转子式侧盘形结构，并缩减绕组磁极体积使信号电机小而易安装，信号电机21置于电动机内侧使直控电机结构合理，信号电机21的位置按前述位置对应关系对应正确后进行调试。位置对应关系按发电状态下，两电机相应相发电势的相位为同步对应关系进行校正及鉴别。

图8为外磁转子式直驱电机装置轴向剖面图。直驱电机装置37由都为三相的外磁转子式电动机30及三相的外磁转子式信号电机31组成，电动机30及信号电机31安装在为同轴的定轴34上；电动机30的永磁极32在外转子上，电动机30绕组磁极33在内定子上，定轴34为固定的，定轴34的轴内有导线孔；孔中引出信号线及电动机导线。这种外磁转子式直驱电机适于以外转子轮面驱动的场合。

图9为信号电机轴向剖视图。信号电机31为侧盘形结构，侧盘形结构的轴部为中空状，以利用电动机的定轴34进行固定，信号电机31的永磁转子25固定于电动机30的外转子侧壁上，其绕组定子24由轴套26固定于电动机30的定轴34上。其信号电机无轴套的平面剖视图参见图7，由永磁转子25和绕组定子24组成。

上述两个直驱电机实例表明其结构及安装并不复杂，结构紧凑，独立运用性好。

侧盘形信号电机为外磁转子结构时为通用结构，为优选方式。同样，外定子结构的侧盘形信号电机也可适用于直驱电机。试组装直驱电机时可以将侧盘形信号电机安装于电动机外侧，以便采用发电方式校正及鉴别两电机位置对应关系。

功率驱动器的特点

直驱电机装置包括采用两相及两相以上基本的模拟功率驱动器，以实现线性驱动。但存在启动状态的细节问题。

图10为有门槛电平的模拟功率驱动器电路原理图。由于各相的驱动通道相同，因而以单相说明，其电路为全波驱动的推挽驱动方式，信号电机F以虚线与电动机D连接，表示两电机同轴共体并且为对应相连接。电路由电源±VDD供电，三极管BG1、BG2所在电路为信号电压放大级，其后为电流放大级，由于信号电压放大级无偏置电路，使得来自信号电机F的动态信号大于三极管BG1、BG2的结电压时，模拟功率驱动器才有驱动电流输出，使直驱电机装置有低速停机的门槛范围，这是直驱电机装置利用功率驱动器的基本条件得到的特有有门槛速度启、停机功能，也是一种常用功能。其装置可为力控导向控制的启、停方式工作，或暂时的低速停机功能。

直驱电机装置采用基本模拟功率驱动器实现的另一种功能为微动可双向启动功能。

图11为无门槛电平的模拟功率驱动器电路原理图。与图10所示的有门槛电平的模拟功率驱动器相比，电压放大级增加了偏置电路，使得微动时信号电机F产生的微小动态都将产生驱动电势，使电动机D产生动态，进而使同步转动的信号电机的动态信号更强，形成机电正激的驱动过程，反映为直驱电机装置常用的微动可双向启动功能。这种模拟功率驱动器功能也可用通用运算功率驱动器实现，其微动可双向启动功能常用于摆体自启动。

上述基本的模拟功率驱动器只能单独实现微动可双向启动或有门槛速度启、停机功能，其功能可用力控方式控制。采用模拟功率驱动器简单可靠。当希望两种功能都能兼容于同一电路中时，则需要以切换电路来实现，在这种情况下使用交流脉宽调制功率驱动器、即是PWM功率驱动器更方便，并以直控电机装置整体实现模拟线性等效的脉宽调制的SPWM功率驱动方式，尤其对于要求较大功率的线性驱动。

图12为交流脉宽调制PWM功率驱动器电路电路原理方框图。交流脉宽调制PWM功率驱动器即基本的PWM功率驱动器。所述的直驱电机装置，其特征是：交流脉宽调制PWM功率驱动器由直流电源、±U_Δ三角波发生器、末级功率驱动器、比较器组成；所述±U_Δ三角波发生器是能产生两个三角波分别为正、负值的信号发生器；±U_Δ三角波发生器连接比较器，比较器连接的输入端连接信号电机3F，比较器的输出端连接末级功率驱动器的输入端，末级功率驱动器的输出端连接电动机3D，直流电源分别与±U_Δ三角波发生器、比较器、末级功率驱动器连接。图12中信号电机3F与电动机3D以虚线连接，表示两电机同轴共体并且各相为对应相连接，按习惯选择三相，两电机的星形或三角形接法一致。直驱电机为三相，则功率驱动器也为3个驱动通道，其PWM功率驱动器电路由直流电源VDD供电，信号电机3F产生的动态信号与三角波发生器的信号在比较器中比较，比较后的激励信号使末级功率驱动器产生驱动电势驱动电动机3D转动，并为反复机电正激的驱动过程。PWM调制方式可为两种，即双极性调制和单极性调制，且两种都可采用。从图12中可以看出信号电机的信号为强信号，在不经过放大的情况下，就可直接参与比较放大，使得其信号失真较小。还在于，由于信号电机正弦波信号的参与构成正弦脉宽调制的SPWM功率驱动方式，并可在普通SPWM功率驱动方式的基础上，方便地实现微动可双向启动功能与有门槛速度停机功能的切换，是由于采用单极性调制时，通过改变两个对称极性±U_Δ三角波信号的参考电平实现的。并具有力控性及自调功、自调速性。具体在直驱电机装置的运用中说明。

直驱电机装置的用途。

在明确了直驱电机装置的力控基本特性及使用方式之后，便于在特定力控场合综合运用，有助于以简单的力控方式解决以其它控制方式较烦琐的驱动问题，对滚摆体的直驱电机驱动方式就优于其它方式。

图13为直驱电机装置驱动滚摆体的结构图。滚摆体的基本形状为正圆弧形体45，其上部为一平面，下部为弧形面，外定子式直驱电机装置35安装在弧形体45的顶部，直驱电机装置35的轴上固定摆杆42，摆杆42穿过滚轮41的活动轴43的孔后，以螺帽44限定滚轮41的上下位置，直驱电机装置的轴心正好与半径为r的弧形体45的圆心O重合，直驱电机装置的功率驱动器40驱动直驱电机装置转动，功率驱动器40采用模拟功率驱动器或者采用交流脉宽调制的PWM功率驱动器，例如，可采用图10所示的有门槛速度停机功能电路，也可以采用图11所示的无门槛电平的模拟功率驱动器，可实现双向力控驱动功能。除小功率以外，采用PWM功率驱动器更适用。直驱电机装置35如图5所示一致。

图13所示滚摆体装置是将滚动体和摆体融合在一起的特殊驱动装置，其装置可以说明直驱电机装置既适用于滚动摆体驱动，也适用于悬挂摆体驱动，启动后的直驱电机装置的状态是受滚摆体的回复力控制，设弧形体45上安装的功率驱动器40为双向微动启动功能的状态，调节螺丝44使滚轮41刚好接触弧形体45的弧形面，此时滚轮41既由弧形面支撑，也由摆杆42上拉，为滚摆体驱动装置。功率驱动器40通电后，以人力微动摆杆42，使滚摆体微动的情况下，由于功率驱动器40有双向微动启动功能，滚摆体起摆，在直驱电机装置随滚摆体摆动方向而自然地改变驱动方向，由于积能效应，滚摆体逐渐达到一定摆幅。当滚摆体经过下止点附近时，由于摆速较大，信号动态大，直驱电机装置双向驱动效果显著。当摆体达高点驱于回摆位置时，由于速度小而动态信号小，进而驱动功率驱于最小，使摆体在回摆位置受回复力而顺利回摆。其驱动效果近似共振驱动。须制动时可增加短接制动功能切换开关。

图13中功率驱动器40设置为有门槛速度驱动状态时，在滚摆体处于正常运动状态并运动到回摆点附近时，由于直驱电机转速低于门槛速度，使功率驱动器暂时无驱动功率输出，滚摆体回复更自然，从而可显著降低对功率驱动器的线性驱动精细度的要求。

图13所示滚摆体装置作为滚摆体的实例。当调节螺丝44上下移动时，可分别得到单独的滚动体和摆动体驱动装置，且驱动实质效果一致。从力控控制角度讲都受回复力作用，经力的分解，是重力分别与支撑力或与拉力的合力。

图13中功率驱动器40采用PWM功率驱动器时，由于信号电机动态正弦信号参与调制，构成模拟线性等效的SPWM功率驱动方式，以此等效线性驱动方式减少噪声，提高驱动效率，并有较宽的受力控双向自变速驱动范围，以及驱动相对功率可方便调节，再以切换方式或调节方式选择有门槛速度启、停机功能或双向微动、启动功能，前述包括基本功率驱动器的直驱电机装置，有益于同步驱动响应快，使驱动滞后小。总之直驱电机从力控性细节技术层面解决了滚摆体的驱动问题，因而直驱电机能满足低噪声、轻型、自然式休闲娱乐类滚摆体的驱动技术要求，使之成为通用性滚摆体的电机驱动装置。

图14为优选方式的直驱电机装置的PWM功率驱动器电路原理图。用于滚摆体驱动，其电路由±U_Δ三角波信号发生器、信号调节电路包括A、B、C三相、比较器、IPM智能功率驱动模块ICI0以及直流电源组成，需要定向启动时，可增加霍尔元件启动电路。三角波信号发生器可产生两个极性相反而对称的±U_Δ三角波信号，用于PWM脉宽调制的单极性调制，PWM功率驱动器是否处于有门槛速度启动或停机功能或微动启动功能，取决于其±U_Δ三角波信号的门槛参考电平值的高低。电路以直驱电机的信号电机3F的动态信号为输入，输出至电动机3D，信号电机3F与电动机3D以虚线相连表示为必备的同轴一体及两电机各相位置对应关系一致，两电机都为3相星形接法。功率电源为3相交流或2相交流～V输入并整流。交流以安全低电压为好，小信号电源±VCC及驱动电源V_D为15V，其运算放大器IC5至IC9都可用NE5532的型号。智能功率模块IC10采用的型号为PS1203X。

由信号电机3F产生的动态多相信号分别经信号调节电路，以A相为例，其动态信号经三联电位器RW2、电阻R11、二极管ZD7、ZD8构成的分压电路，调节电位器RW2可改变信号幅值，二极管ZD7、ZD8在此起限幅保护作用，其A、B、C三相的信号输入端的信号调节电路完全相同。

±U_Δ三角波信号发生器，由参考电平电路包括电阻R8、R9、R10，电位器RW1、开关K2、时滞比较器IC5、积分器IC6、反向器IC7及外围电路组成。参考电源-VCC取-5V，其参考电平电路经电阻R8、电位器RW1，经电阻R9与地连接，电位器RW1可调端经电阻RI0与时滞比较器IC5的反向输入端连接，其开关K2一端接于电阻R9与电位器RW1之间，另一端接于电位器RW1可调端。其中参考电平电路经时滞比较器IC5经积分器IC6构成-U_Δ信号发生器，经反向器IC7连接成+U_Δ信号发生器。当开关K2闭合时，此时为功率驱动器的双向微启动功能状态。当开关K2断开时，由电位器RW1设定的直流参考电平为门槛速度启动、停机电平值。三角波发生器的参考电压不可调时，其正弦波脉宽调制的PWM功率驱动器为普通方式。

A、B、C三相的比较器电路完全相同，以A相为例，包括运算放大器IC8、IC9作正负半周比较器的电路，外围元件包括电阻R13至R24以及钳位二极管ZD9、ZD10以及信号电源±VCC。三角波发生器的±U_Δ信号分别与来自信号电机的动态的正弦波信号的正负半周在比较器中比较，并产生两个不同的正极性PWM调制信号，由UP、UN输入经末级功率驱动器放大功率后，输出至电动机3D中还原为SPWM方式的正弦波驱动功率。其霍尔元件H1至H3产生的单相半周启动信号要求与信号电机的动态信号为同步一致关系，其电阻R12为分压电阻，备用的霍尔启动电路中，开关K3用以选择定向启动控制。

图14中，IPM智能功率模块IC10可为PS1203X的型号，即作为末级功率驱动器，其模块内集成功能包括：三相整流/逆变、IGBT驱动保护、电流检测、自举电路。外围电路中C5为平波电容，L为限流器，C1为滤波电容，在智能功率模块IC10中的Fo、Vamp、TH为辅助保护功能，而省略其外接电路。

其各引脚功能如下：

U_P、V_P、W_P为上桥臂PWM输入端；  U_N、V_N、W_N为下桥臂PWM输入端；

V_D为驱动电源输入端+15V；    GND为控制电源地端；

N1、N2为信号接地端；        R、S、T为三相交流电源整流输入端；

P1为整流输出端；            P2直流电源输入端；

U、V、W为输出至电动机3D的端口；  F₀为故障信号输出端；

TH为连接热敏电阻的输出端；        Vamp为电流检测输出端；

CBU、CBV、CBW为自举电容C2、C3、C4外接端；C2、C3、C4为外接自举电容。

在图14中，信号电机为有中性线以保证信号以地为基准，末级功率驱动电路为有自举的三相绝缘栅极自举驱动方式，信号电机3F的信号波形变化与电动机3D的驱动电势波形是同步变化的，反映了直驱电机结构上的对应一致性以及在发电状态下，两电机的发电势相位为同步关系。同时整个电路反映了从信号到驱动的流程要尽量短，以确保输入与输出的瞬时同步性，也就是直驱电机的功率驱动器要包括基本功率驱动器形式之上的原因。

当图14中限幅保护二极管ZD7、ZD8允许取消时，其直驱电机以近似衡转矩方式驱动，用于直驱电机助力驱动的用途。是由于直驱电机转速变化时，信号电机的信号与驱动电势及反电势同步以正比线性变化，使驱动电流相对不变，因而三相时驱动转矩相对不变。

图15为PWM功率驱动器单相的SPWM脉宽调制信号波形图。与其它三相电动机正弦波的时序性一致，因而以单相说明即可，其波形的正、负半周由两个比较器电路分别产生，可以用完整的全波反映。其中波形Q反映直驱电机启动时，信号电机动态信号Q高于门槛电平±m时，才产生驱动电势，其可调的直流门槛电平范围为停机区域。当没有门槛电平±m时，处于微动启动状态。其中波形J反映在普通驱动模式下，直驱电机转动较快时，信号电机信号电势明显超过±U_Δ三角波调制信号，为失调状态，并以限幅二极管在±G线钳位，产生的驱动效果近似梯形波，使驱动功率密度大，即直流驱动特性，其中波形K为助力驱动模式或动态信号波形的代表波形，即表示交流的恒转矩驱动方式，反映信号电机动态信号波形均处于受调制区域，使产生的驱动电势与反电势相应为正比变化的线性，得到恒流或恒转矩电机驱动特性。用于助力驱动用途。由波形图还可知，由于信号电机提供了正弦波信号参与PWM脉宽调制，最终反映到功率驱动为SPWM的功率驱动方式。

图16直驱电机装置的驱动系统关系方框图。有功率驱动器的直驱电机装置是独立的动力驱动装置，直驱电机装置部分由功率驱动器及直驱电机机体组成，直驱电机机体中信号电机与电动机同轴共体，且位置关系对应，信号电机与功率驱动器的输入端连接，功率驱动器的输出端与电动机连接，功率驱动器由直流电源及功率驱动电路组成，需要定向启动时以开关K选择霍尔元件启动电路。独立的直驱电机装置的自身驱动关系及过程见图16。图16的驱动过程为：由于信号电机与电动机联动产生的动态信号经功率驱动器放大功率以后直接驱动电动机，如此反复的正激过程总结为直驱电机是机电正反馈且直接驱动的动力装置。当直驱电机装置的电机静止时保持静止，直驱电机装置的电机动态时，启动与停止、正转与反转、快速与慢速的速度变化都同步直接反应于信号电机的信号中，因而直驱电机装置是自带驱动逻辑的特殊动力装置。

直驱电机装置以普通电控方式控制并不方便，而适于力控方式控制。直驱电机装置的力控方法在于：不同来源的作用力直接或间接作用于直驱电机装置的转动轴上或外转子上，使机电正反馈，且直接驱动的直驱电机装置的状态由一种驱动状态转变为另一种驱动状态的控制方法。

所述机电正反馈，且直接驱动的直驱电机装置的状态是，直驱电机机体中信号电机与电动机同轴共体，且位置关系对应，由于信号电机与电动机联动产生的动态信号经功率驱动器放大功率以后直接驱动电动机，如此反复的正激过程。

直驱电机装置的力控过程中，所述一种驱动状态转变为另一种驱动状态，可以是启动与停止之间、正转与反转之间、快速与慢速的变速状态之间；所述力控的作用力包括人力、自然力、机械力，自然力如风力、水力、重力等。

直驱电机的力控方法以人力控制为代表容易理解，以人力可引导静止的直驱电机装置分别正向或反向启动，也可以用人力施加阻力使直驱电机装置减速以至停止转动，并可保持静止状态，也可以用人力施加助力使直驱电机装置在衡转矩驱动状态中变速驱动，也可以用人力施加足够的反向作用力使直驱电机装置直接改变正转或反转状态。前面列举的直驱电机装置驱动的滚摆体装置中，滚摆体动态时的回复力控制直驱电机装置的驱动状态，而直驱电机装置又促进滚摆体的动态，具有互控性。而一般情况下只要求力控改变直驱电机的驱动状态为有效的所需驱动状态，必要时结合电控参与控制。

图17为直驱电机装置驱动的自往复装置结构图。在基架48上安装外定子式直驱电机装置35，直驱电机35与传动丝杆52共轴，传动丝杆52与基架48为活动连接，其传动丝杆52传动带动有丝套的小车50来回行走，小车上有缓冲垫51。模拟功率驱动器54可与图11所示的无门槛电平的模拟功率驱动器电路原理相同。其直驱电机装置以受阻反作用力为力控设置的力控方式控制反转，或以弹性回复力控制反转，也称为自返回装置。

模拟功率驱动器54通电时小车不动，以手力轻动扶盘47，则直驱电机35顺手动方向启动，并以丝杆52推动小车50前进，当小车行至小车位置53，由于小车50受阻拦时直驱电机35产生的较小反向动态使直驱电机35可靠反转，并同样以丝杆52推动小车50回走，当小车50遇到弹簧49而受阻减速，当弹簧力回复较大时，直驱电机35受阻停转并受反向作用力产生的较小反向动态信号而可靠正向启动并回转，使得小车50可以来回行走。由于直驱电机35受力自反转的本性，使得这种往复驱动性可扩展到用于碰碰车、清渣机、安全力控小机械、力控的玩具、舀制机械等等。好处在于功率驱动器受力控变速及变向的电气自行控制，不需要确定的位置开关，不会堵转。

图18为直驱电机装置驱动的皮带助力机示意图。一个固定支架56固定外磁转子式直驱电机装置37，一个固定支架56固定普通的外磁转子式电动机30，PWM功率驱动器55与直驱电机装置37以导线连接，其PWM功率驱动器预定为助力驱动方式，直驱电机装置为远动被控方式。普通调功调速的调功器57连接普通外磁转子电动机30，为近控方式。两电机都套有皮带59，皮带中部固定有导轮组件58支撑。PWM功率驱动器55与图14所示PWM功率驱动器电气原理相同，只是取消二极管ZD7及ZD8，及相应B、C相二极管。

上述皮带机装置针对皮带机的皮带较长，需增大转动摩擦力并要求变速驱动，而采用两个电动机驱动。因而存在以简单方式的远动协作调功调速问题。

图18中皮带机远控的直驱电机装置先通电不转动，设定其单独工作时驱动功率处于仅能维持牵引皮带机运转；当近控的普通电动机30及调功器57通电启动皮带机时，直驱电机37跟随启动，相当于两电机同时启动，因而启动容易。正常驱动状态下，调节调功器57使普通电动机30转矩及转速改变时，电动机30只承担调速增加的部分驱动转矩及相应驱动功率，当驱动速度变化时，远动的直驱电机37的驱动转速跟随同步变化，而驱动转矩基本不变，但驱动功率同步增加；也就是皮带机运行中，近控的普通电动机30的功率调节预定有效范围为0～50％，因而普通调速电机30的性能要求可以很低，而获较高的调速响应及无线远控能力。停机时能堵转停机，还能双向变速驱动。

在图18中还可作为人力力控导向的驱动装置实例，在其装置中不给调功调速器57通电，只给PWM功率驱动器55通电，然后以人力导向控制皮带机的转向状态及启停状态，以便在特定环境中用于双向传送物品。

直驱电机装置的助力驱动方式还可用于双向助力变速加工机械。

直驱电机装置的用途是由直驱电机的特殊结构与基本功率驱动器结合产生的力控性用途。其力控包括不同来源，可以用人力或为人力启动为代表。直驱电机装置可力控方式或以力控启动方式参与控制的用途包括，：滚动摆体驱动装置、悬挂摆体驱动装置、自返回驱动装置、自往复驱动装置、助力驱动装置、人力导向驱动装置。

Claims (7)

1.一种直驱电机装置，其特征是：有一个水磁同步无刷电机为信号电机，一个水磁同步无刷电机为电动机，两个电机安装在同轴上组合为同轴一体化的直驱电机装置，信号电机和电动机都为两相以上的相同相数，信号电机和电动机的永磁极的磁极N和S间置且磁极对数相同，信号电机和电动机的永磁极都在转子上，信号电机和电动机的绕组磁极都在定子上，信号电机占用体积为电动机体积的二分之一以下；信号电机各相分别经过功率驱动器的各驱动通道与电动机的相应对应相连接，功率驱动器包括采用模拟推挽功率驱动器；使得信号电机在动态时能同时产生独立的磁极换相信号、运转方向信号、运转速度信号，上述三种信号使直驱电机装置集基本完整的驱动逻辑信号部件于一体；

    所述信号电机与电动机的永磁极与绕组磁极间的电及磁位置对应关系的鉴别是，以手动方式分别正、反向转动时，判定信号电机与电动机每一对应相绕组产生的发电势的相位为同步对应关系，即两电机各对应相发电势相位过零点相同，其两个电机各对应相的相位完全同相或完全反相。

2.根据权利要求1所述的直驱电机装置，其特征是：直驱电机装置(12)由都为三相的外定子式电动机(20)及外磁转子式信号电机(21)组成，电动机(20)的永磁极(22)固定在电动机的内转子上，电动机(20)的绕组磁极(23)固定在电动机的外定子上；

信号电机(21)为一侧机壳敞开的侧盘形结构，侧盘形结构的轴部为中空状，信号电机(21)的绕组定子(24)固定于电动机(20)外定子机壳的轴孔外围的内侧壁上，与信号电机(21)的绕组定子外围相应的是，信号电机(21)的永磁转子(25)以机壳单侧壁经轴套(26)固定于电动机(20)内转子一侧的轴上，其信号电机(21)的永磁转子(25)有机壳侧壁的一面为面对电动机(20)内转子一侧。

3.根据权利要求1所述的直驱电机装置，其特征是：直驱电机装置(37)由都为三相的外磁转子式电动机(30)及三相的外磁转子式信号电机(31)组成，电动机(30)及信号电机(31)安装在为同轴的定轴(34)上；电动机(30)的永磁极(32)在外转子上，电动机(30)绕组磁极(33)在内定子上，定轴(34)为固定的，定轴(34)的轴内有导线孔；信号电机(31)为侧盘形结构，侧盘形结构的轴部为中空状，以利用电动机的定轴(34)进行固定，信号电机(31的永磁转子(25)固定于电动机(30)的外转子侧壁上，信号电机(31)的绕组定子(24)由轴套(26)固定于电动机(30)的定轴(34)上。

4.根据权利要求1或2或3所述的直驱电机装置，其特征是：信号电机各相分别经过功率驱动器(19)的各驱动通道与电动机的相应对应相连接，功率驱动器(19)包括采用基本交流脉宽调制的PWM功率驱动器。

5.根据权利要求4所述的直驱电机装置，其特征是：交流脉宽调制PWM功率驱动器由直流电源、三角波发生器、末级功率驱动器、比较器组成；所述三角波发生器是能产生两个三角波分别为正负值的信号发生器；三角波发生器连接比较器，比较器连接的输入端连接信号电机，比较器的输出端连接末级功率驱动器的输入端，末级功率驱动器的输出端连接电动机，直流电源分别与三角波发生器、比较器、末级功率驱动器连接。

6.根据权利要求1至3任一项所述的直驱电机装置，直驱电机装置用途包括，用于滚动摆体驱动装置、悬挂摆体驱动装置、自返回驱动装置、自往复驱动装置、助力驱动装置、人力导向驱动装置。

7.根据权利要求4所述的直驱电机装置，直驱电机装置用途包括，用于滚动摆体驱动装置、悬挂摆体驱动装置、自返回驱动装置、自往复驱动装置、助力驱动装置、人力导向驱动装置。

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