CN201887710U - 两相可调速无刷直流电机 - Google Patents
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Abstract
两相可调速无刷直流电机，包括依次相连接的整流桥、H桥、电机本体、霍尔传感器和电平转换单元，H桥和电平转换单元分别与控制单元相连接，控制单元包括信号捕获器、A/D转换器和PWM发生器，信号捕获器与电平转换单元相连接，PWM发生器与H桥相连接，控制单元采用Atmega48单片机。本实用新型无刷直流电机调速范围宽，静音效果好，线圈利用率高，输出扭矩大，制造成本低，并且免维护，不产生火花，电能利用率，解决了化工实验中磁力搅拌器的驱动问题。
Description
技术领域
本实用新型属于动力设备技术领域，涉及一种直流电机，具体涉及一种小功率的两相可调速无刷直流电机。该直流电机主要应用于磁力搅拌器系列实验产品中，也可应用于汽车空调系统、排风机系统、自动擦鞋机系统等。
背景技术
无刷直流电机是上世纪七十年代发展起来的一种新型机电一体化产品，以节能、免维护、调速方便等特点而备受关注，发展迅速。无刷直流电机用电子换向取代了机械换相。应用最多的是三相无刷直流电机与两相无刷直流电机。三相无刷直流电机的输出扭矩较大，主要应用于需要较大扭矩的场合，但价格较高。两相无刷直流电机结构简单，主要用作驱动风机类负载，价格较低，输出扭矩较小。
目前，对无刷直流电机的研发主要集中在无位置传感器无刷直流电机的控制、无刷直流电机的转矩波动抑制以及无刷直流电机的控制策略方面。在实际应用中，与无刷直流电机有关的许多专利都是从某一个方面解决了无刷直流电机在实际应用过程中存在的问题。
转子结构两相无刷直流电机采用转子机构，以德国PPAST品牌两相无刷直流电机为例，该电机内部有四个极靴及两个线圈。四个极靴对应于转子上的四个永磁磁铁，且极靴采用不对称设计以产生启动力矩；两个线圈根据霍尔元件检测的信号，分别导通断开，驱动电机转子同步运转。线圈的换向主要由电子元件搭建的电路控制，电机的调速主要通过控制电机两端输入电压的高低来实现。该转子结构两相无刷直流电机存在以下问题：1)电机线圈的利用率为50％ 左右，利用率较低；2)调速范围较窄，为150～3000RPM；3)利用脉冲宽度调制(PWM)方式调速时的效果较差，PWM频率较高时电机内部的驱动电路板发热严重，有较大热损耗，PWM频率较低时，电机的静音效果较差，有明显的啸叫声。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种调速范围较宽、静音效果好、线圈利用率较高、输出扭矩大的两相可调速无刷直流电机。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是，一种两相可调速无刷直流电机，包括依次相连接的整流桥2、H桥3、电机本体4、霍尔传感器5和电平转换单元6，H桥3和电平转换单元6分别与控制单元1相连接，控制单元1包括信号捕获器7、A/D转换器8和PWM发生器9，信号捕获器7与电平转换单元6相连接，PWM发生器9与H桥3相连接，控制单元1采用Atmega48单片机。
电机本体4包括同轴设置的转子12和转子中轴14，转子中轴14的外圆周均布有依次设置的第一极靴10、第二极靴13、第三极靴15和第四极靴16，第一极靴10和第三极靴15上绕制有第一线圈11，第一线圈11的一端从第一极靴10远离转子中轴14的一端沿第一极靴10的轴向顺时针绕向转子中轴14，绕过转子中轴14，从第三极靴15远离转子中轴14的一端沿第三极靴15的轴向顺时针绕向转子中轴14，并从第三极靴15伸出，形成第一线圈11的端子A’，第一线圈11的另一端为端子A，第二极靴13和第四极靴16上绕制有第二线圈17，第二线圈17的一端从第二极靴13远离转子中轴14的一端沿第二极靴13的轴向逆时针绕向转子中轴14，绕过转子中轴14，从第四极靴16远离转子中轴14的一端沿第四极靴16的轴向逆时针绕向转子中轴14，并从第四极靴16伸出，形成第二线圈17的端子B’，第二线圈17的另一端为端子B，第一线圈11、第二线圈17、H桥3和PWM发生器9构成驱动电路。
所述的驱动电路包括H桥3，H桥3的OUT2引脚与第一线圈11从第三极靴15伸出的一端和第二线圈17从第四极靴16伸出的一端相连接，H桥3的OUT1引脚与第一线圈11的另一端和第二线圈17的另一端相连接，H桥3的信号输入端IN1和信号输入端IN2分别与PWM发生器9相连接。
霍尔传感器5采用开关型霍尔元件。
H桥3采用MC33886。
本实用新型无刷直流电机采用单片机为核心控制单元，开关型霍尔元件为检测装置，通过H桥对电机进行换向控制及速度控制，调速范围达到0～4900RPM；输出扭矩明显提高，其输出扭矩为同规格无刷直流电机输出扭矩的2倍，很好地解决了磁力搅拌器搅拌动力系统的动力源问题，采用高频PWM，使得电机的静音效果非常理想。
附图说明
图1是本实用新型无刷直流电机的结构示意图。
图2是本实用新型无刷直流电机中电机本体的结构示意图。
图3是本实用新型无刷直流电机线圈换向控制方波波形图。
图4是本实用新型无刷直流电机PWM方波波形图。
图5是图3与图4叠加后的波形图。
图6是本实用新型无刷直流电机驱动电路图。
图中，1.控制单元，2.整流桥，3.H桥，4.电机本体，5.霍尔传感器，6.电平转换单元，7.信号捕获器，8.A/D转换器，9.PWM发生器，1b.第一极靴，11.线圈，12.转子，13.第二极靴，14.转子中轴，15.第三极靴，16.第四极靴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
如图1所示，本实用新型无刷直流电机的结构，包括依次相连接的整流桥2、H桥3、电机本体4、霍尔传感器5和电平转换单元6，H桥3和电平转换单元6分别与控制单元1相连接，控制单元1包括信号捕获器7、A/D转换器8和PWM发生器9，信号捕获器7与电平转换单元6相连接，PWM发生器9与H桥3相连接。
控制单元1采用Atmega48单片机。
霍尔传感器5采用开关型霍尔元件。
H桥3采用MC33886。
本实用新型无刷直流电机中电机本体4的结构，如图2所示，包括同轴设置的转子12和转子中轴14；沿转子12的圆周设置有四个永磁磁铁，该四个永磁磁铁由两个相对设置的磁性为S的永磁磁铁和两个相对设置的磁性为N的永磁磁铁组成，磁性为S的永磁磁铁和磁性为N的永磁磁铁间隔对称分布；转子中轴14的外圆周上、沿转子中轴14的径向均布有第一极靴10、第二极靴13、第三极靴15和第四极靴16；第一极靴10和第三极靴15相对于转子中轴14对称分布(位于180°方向)，第二极靴13和第四极靴16相对于转子中轴对称分布(位于180°方向)；第一极靴10和第三极靴15的轴线与第二极靴13和第四极靴16的轴线相交，其交角为90°；第一极靴10、第二极靴13、第三极靴15H和第四极靴16位于转子12与转子中轴14之间；第一极靴10和第三极靴15上绕制有第一线圈11，第一线圈11的一端从第一极靴10远离转子中轴14的一端沿第一极靴10的轴向顺时针绕向转子中轴14，绕过转子中轴14，从第三极靴15 远离转子中轴14的一端沿第三极靴15的轴向顺时针绕向转子中轴14，并从第三极靴15上伸出转子12，形成第一线圈11的端子A’，第一线圈11的另一端从第一极靴10上伸出转子12，形成第一线圈11的端子A；第二极靴13和第四极靴16上绕制有第二线圈17，第二线圈17的一端从第二极靴13远离转子中轴14的一端沿第二极靴13的轴向逆时针绕向转子中轴14，绕过转子中轴14，从第四极靴16远离转子中轴14的一端沿第四极靴16的轴向逆时针绕向转子中轴14，并从第四极靴16上伸出转子12，形成第二线圈17的一个端子B’，第二线圈17的另一端从第二极靴13伸出转子12，形成第二线圈17的端子B。第一线圈11、第二线圈17、H桥3和PWM发生器9构成电机主电路及驱动电路。转子12内设置有霍尔传感器5。
无刷直流电机工作时，首先要完成线圈换向，以驱动电机转子运转；同时要完成电压的调节，保证调速的进行。现有无刷直流电机采用两套系统分别完成线圈的换向和电压的调节。本实用新型无刷直流电机利用Atmega48单片机结构的特殊性，利用Atmega48单片机中的PWM发生器模块，将PWM调速方波与电机换相控制方波进行有效叠加，产生波形叠加工作模式，并通过控制单元1直接驱动H桥3完成线圈的换向和电压调节，维持电机运转及速度调节。该波形叠加工作模式中电机线圈换向控制方波波形图，如图3所示，该图所示的波形由霍尔传感器5检测转子12的位置获得，当霍尔传感器5面对转子12上的不同磁极时，产生高低不同的电平信号，进而通过功率开关管控制线圈电流的通断状态(高电平导通，低电平断开)。PWM方波波形图，如图4所示，主要通过改变波形的占空比，控制功率开关管器件的开关时间调节调速。图3和图4所示波形叠加后的波形图，如图5所示，将换向方波与PWM方波进行叠加，叠加后波形中的PWM部分的频率和占空比可以自由设定，换向方波的频率也可以 根据霍尔元件检测信号自由改变。利用叠加后的信号，在线圈需要导通时，功率开关管的导通信号是单片机输出PWM方波，该线圈需要断开时，功率开关管的关断信号为单片机输出的低电平信号，所以该叠加后的信号可以完成无刷直流电机的换向工作。该叠加后的信号的PWM部分可以自由调节，通过改变的PWM占空比，调节电机线圈电压改变电机转速。显然，该叠加工作模式将无刷直流电机线圈换向和转速调节这两项工作合二为一，节省了功率开关管和单片机端口，简化了控制系统，提高了系统的稳定性。
无刷直流电机的电机本体4必须配合驱动电路才能工作，本实用新型无刷直流电机驱动电路图，如图6所示，H桥3的OUT1引脚与第一线圈11的端子A和第二线圈17的端子B相连接，H桥3的OUT2引脚与第一线圈11的端子A’和第二线圈17的端子B’相连接，H桥3的两个信号输入端IN1和IN2分别与PWM发生器9相连接。
本实用新型无刷直流电机中绕组的端子A与端子B连接H桥3的引脚OUT1，端子A’与端子B’连接H桥3的引脚OUT2。根据霍尔传感器5的检测信号，控制单元1判断出转子12相对于定子的位置，并通过H桥3的信号输入端IN1与IN2控制引脚OUT1与引脚OUT2输出的正负极关系。当控制单元1根据霍尔传感器5提供的检测信号，使H桥3的引脚OUT1输出为负，引脚OUT2输出为正时，根据右手定则，第一极靴10产生的磁场N极方向朝外，由此可见，线圈通电初始，定子和转子12之间产生的是推力，同时，经分析可以看出，四个极靴相对于转子力的作用状态相同，在线圈通电初始时刻产生的全部为推力。也即由于磁场轴线与定子电枢绕组励磁磁场形成夹角的存在，定子推动转子12顺时针旋转。当排斥力逐渐减小时，由于转子12的旋转，线圈通电前，转子12上与第一极靴10相对应的磁极N逐渐转到了第四极靴16的位置，对于第四极 靴16而言，由于励磁绕组的绕向不同，其产生的磁场方向与第一极靴10相反，磁场为S极方向朝外，所以，当转子10上与第一极靴10相对应的磁极N处于与第四极靴16相对应的位置时，转子12所受的力又变为异性相吸，使得转子12加速旋转，当转子12与内定子磁场同方向重合时，由于电机的转速不等于零以及惯性的存在，转子12继续旋转。与此同时，霍尔传感器5检测到转子12上磁场的变化(霍尔传感器5面对的磁场由N变为S)，控制单元1根据霍尔传感器5给出的信号，通过H桥3的两个信号输入端IN1与IN2，使H桥3的引脚OUT1为正，引脚OUT2为负。因此，定子将继续给转子12施加顺时针旋转的推力，持续推动转子12旋转。根据霍尔传感器5检测到的信号，控制单元1控制H桥3的引脚OUT1和引脚OUT2的输出电流不断换向，维持转子12持续顺时针转动。由此可见，第一线圈11(AA’线圈)与第二线圈17(BB’线圈)中的电流方向随转子12的转动不断发生变化，即转子12每转一圈，第一线圈11和第二线圈17中的电流方向分别变换四次，而且，第一线圈11和第二线圈17同时工作。
经过与现有无刷直流电机的对比，本实用新型无刷直流电机的输出扭矩为现有同规格无刷直流电机输出扭矩的2倍，本无刷直流电机中线圈的利用率有了明显地提高。
本实用新型无刷直流电机具有调速范围宽(调速范围为0～4900RPM)，静音效果好，输出扭矩大(输出扭矩为同规格电机的2倍)，制造成本低等优点，并且免维护，不产生火花，电能利用率高，解决了化工实验中使用的磁力搅拌器的驱动问题。
Claims (5)
1.一种两相可调速无刷直流电机，其特征在于，该无刷直流电机包括依次相连接的整流桥(2)、H桥(3)、电机本体(4)、霍尔传感器(5)和电平转换单元(6)，H桥(3)和电平转换单元(6)分别与控制单元(1)相连接，控制单元(1)包括信号捕获器(7)、A/D转换器(8)和PWM发生器(9)，信号捕获器(7)与电平转换单元(6)相连接，PWM发生器(9)与H桥(3)相连接，所述的控制单元(1)采用Atmega48单片机。
2.按照权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于，所述电机本体(4)包括同轴设置的转子(12)和转子中轴(14)，转子中轴(14)的外圆周均布有依次设置的第一极靴(10)、第二极靴(13)、第三极靴(15)和第四极靴(16)，第一极靴(10)和第三极靴(15)上绕制有第一线圈(11)，第一线圈(11)的一端从第一极靴(10)远离转子中轴(14)的一端沿第一极靴(10)的轴向顺时针绕向转子中轴(14)，绕过转子中轴(14)，从第三极靴(15)远离转子中轴(14)的一端沿第三极靴(15)的轴向顺时针绕向转子中轴(14)，并从第三极靴(15)伸出，形成第一线圈(11)的端子(A’)，第一线圈(11)的另一端为端子(A)，第二极靴(13)和第四极靴(16)上绕制有第二线圈(17)，第二线圈(17)的一端从第二极靴(13)远离转子中轴(14)的一端沿第二极靴(13)的轴向逆时针绕向转子中轴(14)，绕过转子中轴(14)，从第四极靴(16)远离转子中轴(14)的一端沿第四极靴(16)的轴向逆时针绕向转子中轴(14)，并从第四极靴(16)伸出，形成第二线圈(17)的端子(B’)，第二线圈(17)的另一端为端子(B)，第一线圈(11)、第二线圈(17)、H桥(3)和PWM发生器(9)构成驱动电路。
3.按照权利要求2所述的无刷直流电机，其特征在于，所述的驱动电路包括H桥(3)，H桥(3)的OUT2引脚与第一线圈(11)从第三极靴(15)伸出的一端和第二线圈(17)从第四极靴(16)伸出的一端相连接，H桥(3)的OUT1引脚与第一线圈(11)的另一端和第二线圈(17)的另一端相连接，H桥(3)的信号输入端IN1和信号输入端IN2分别与PWM发生器(9)相连接。
4.按照权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于，所述的霍尔传感器(5)采用开关型霍尔元件。
5.按照权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于，所述的H桥(3)采用MC33886。
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| CN102543500A (zh) * | 2011-12-31 | 2012-07-04 | 江苏省电力公司苏州供电公司 | 基于无刷直流电机的刀闸控制装置 |
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