CN202261132U

CN202261132U - 具有调速功能的两相无刷直流电机

Info

Publication number: CN202261132U
Application number: CN2011203596899U
Authority: CN
Inventors: 姜香菊; 刘二林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-09-23

Abstract

本实用新型公开了一种具有调速功能的两相无刷直流电机，包括依次相连接的整流桥、达林顿管、电机本体、霍尔传感器和电平转换单元，达林顿管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发生器与达林顿管相连接。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，解决了化工实验中使用的磁力搅拌器的驱动问题。

Description

具有调速功能的两相无刷直流电机

技术领域

本实用新型属于动力设备技术领域，涉及一种主要应用于磁力搅拌器系列实验产品，也可应用于汽车空调系统、排风机系统、自动擦鞋机系统等方面的小功率的直流电机，具体涉及一种具有调速功能的两相无刷直流电机。

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。

转子结构的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。该转子结构的两相无刷直流电机调速时需要增加调压电路和转速检测电路，成本较高，且功耗较大。

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具有调速功能的两相无刷直流电机，无需增加调压电路和转速检测电路即可调速，功耗较小。

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、达林顿管、电机本体、霍尔传感器和电平转换单元，达林顿管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发生器与达林顿管相连接。

电机本体包括同轴设置的转子和转子中轴，转子中轴的外圆周均布有第一极靴、第二极靴、第三极靴和第四极靴，第一极靴和第三极靴位于180°方向，第二极靴和第四极靴位于180°方向，第一极靴和第三极靴上绕制有第一线圈，第一线圈的一端从第一极靴远离转子中轴的一端沿第一极靴的轴向顺时针绕向转子中轴，绕过转子中轴，从第三极靴远离转子中轴的一端沿第三极靴的轴向逆时针绕向转子中轴，并从第三极靴上伸出转子；第二极靴和第四极靴上绕制有第二线圈，第二线圈的一端从第二极靴远离转子中轴的一端沿第二极靴的轴向逆时针绕向转子中轴，绕过转子中轴，从第四极靴远离转子中轴的一端沿第四极靴的轴向顺时针绕向转子中轴，并从第四极靴上伸出转子，第一线圈、第二线圈、达林顿管和PWM发生器构成驱动电路。

驱动电路包括达林顿管、PWM发生器、第一线圈和第二线圈；达林顿管为两个，即第一达林顿管和第二达林顿管；第一线圈从第三极靴上伸出转子的一端与第一达林顿的集电极相连，第一达林顿管的发射极接地，第一达林顿管的基极与PWM发生器相连；第二线圈从第二极靴上伸出转子的一端与第二达林顿管的集电极相连，第二达林顿管的发射极接地，第二达林顿管的基极与PWM发生器相连；第一线圈从第一极靴上伸出转子的一端子与第二线圈从第四极靴上伸出转子的一端相连接，并接VCC端。

控制单元采用至少具有两个PWM输出口和一个外中断的单片机。

霍尔传感器采用开关型霍尔元件。

达林顿管采用NPN型达林顿管。

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，通过达林顿管对电机进行磁场旋转控制及速度控制，调速范围较宽，达到了0～5000RPM；同时，由于在调速过程中节省了调压电路和速度检测电路，所以整个电路功耗较小，造价较低；第三由于采用了高频PWM，使得电机的静音效果非常理想；很好地解决了小功率无刷直流电机的调速问题。

附图说明

图1是本实用新型两相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是本实用新型两相无刷直流电机线圈换向控制方波波形图。

图4是本实用新型两相无刷直流电机PWM方波波形图。

图5是图3与图4叠加后的波形图。

图6是本实用新型两相无刷直流电机的驱动电路图。

图中，1.控制单元，2.整流桥，3.达林顿管，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，10.第一极靴，11.第一线圈，12.转子，13.第二极靴，14.转子中轴，15.第三极靴，16.第四极靴，17.第二线圈，18.第一达林顿管，19.第二达林顿管。

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，本实用新型两相无刷直流电机的结构，包括依次相连接的整流桥2、达林顿管3、电机本体4、霍尔传感器5和电平转换单元6，达林顿管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与达林顿管3相连接。

控制单元1采用单片机，该单片机至少具有两个PWM输出口和一个外中断。

霍尔传感器5采用开关型霍尔元件。

达林顿管3采用NPN型达林顿管，具体型号可根据电流要求选择。

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的径向依次设置有第一极靴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与第三极靴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15、第四极靴16位于转子12与转子中轴14之间；第一极靴10与第三极靴15分别朝向转子12上相对设置的两个同磁性的磁极（S极或N极），第二极靴13和第四极靴16分别朝向转子12上相对设置的另外两个同磁性磁极（N极或S极）；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的轴向逆时针绕向转子中轴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的另一端子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的轴向顺时针绕向转子中轴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的另一端子B。第一线圈11、第二线圈17、达林顿管3和PWM发生器9构成电机主电路及驱动电路。

无刷直流电机工作时，首先要形成旋转磁场，以带动转子循环运转；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旋转磁场控制和电压的调节。

本实用新型两相无刷直流电机的创新点为：利用单片机结构的特殊性，利用单片机中的PWM发生器模块，将PWM调速方波与电机线圈通断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直接驱动达林顿管3完成线圈电源的通断和电压调节，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电源通断控制方波波形图，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，进而通过达林顿管3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，控制达林顿管3的开关时间调压调速。将换向方波与PWM方波进行叠加，即图3和图4所示波形叠加后的波形图，如图5所示，叠加后波形中的PWM部分的频率和占空比可以自由设定，线圈电源通断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，达林顿管3接收的导通信号是单片机输出PWM方波，该线圈需要断开时，达林顿管3接收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驱动工作。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。另外，单片机在利用霍尔元件传回的信号进行旋转磁场控制的同时，计算了电机的转速，对电机进行了实时控制，使电机的特性明显变硬，使电机的低速扭矩明显变大。

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中驱动电路的结构，如图6所示，包括达林顿管3、PWM发生器9、第一线圈11和第二线圈17；达林顿管3为两个，即第一达林顿管18和第二达林顿管19。第一线圈11的端子A^，与第一达林顿管18的集电极相连，第一达林顿管18的发射极与地相连，第一达林顿管18的基极与PWM发生器9相连。第二线圈17的另一端子B与第二达林顿管19的集电极相连，第二达林顿管19的发射极接地，第二达林顿管19的基极与PWM发生器9相连。第一线圈11的另一端子A与和第二线圈17的端子B^，相连接，并接到VCC端（直流电源的正端，电压根据电机容量调整）。

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，并通过第一达林顿管18和第二达林顿管19控制第一线圈11与第二线圈17的通断状态。当控制单元1根据霍尔传感器5提供的检测信号，使第一达林顿管18导通时，则第一线圈11通电，根据右手定则，第一极靴10产生的磁场S极方向朝外，由此可见，第一线圈11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，第三极靴15相对于转子力的作用状态相同，在第一线圈11通电初始时刻产生的全部为推力，而第二极靴13与第四极靴16因为没有电流通过，则不产生力。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，第二线圈17通电前，转子12上与第一极靴10相对应的磁极S逐渐转到了第四极靴16的位置；与此同时，与第二极靴13对应的磁极N则转到了第一极靴10的位置，由于第一极靴10产生的磁场S极方向朝外，所以，当转子12上与第一极靴10相对应的磁极N处于与第一极靴10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S变为N），控制单元1根据霍尔传感器5给出的信号，通过第二达林顿管19使得第二线圈17通电。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控制两个达林顿管交替导通，从而使第一线圈11与第二线圈17交替通断，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的转动不断交替通断，即转子12每转一圈，第一线圈11和第二线圈17中的电流方向分别开关两次，而且，第一线圈11和第二线圈17不同时工作。

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调速性能非常好，又由于利用霍尔传感器5进行了速度检测，所以可以采用闭环控制，电机的输出特性明显变硬，低速扭矩增大。

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，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

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）、达林顿管（3）、电机本体（4）、霍尔传感器（5）和电平转换单元（6），达林顿管（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）与达林顿管（3）相连接。

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）位于180°方向，第二极靴（13）和第四极靴（16）位于180°方向，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）的轴向逆时针绕向转子中轴（14），并从第三极靴（15）上伸出转子（12）；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）的轴向顺时针绕向转子中轴（14），并从第四极靴（16）上伸出转子（12），第一线圈（11）、第二线圈（17）、达林顿管（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达林顿管（3）、PWM发生器（9）、第一线圈（11）和第二线圈（17）；达林顿管（3）为两个，即第一达林顿管（18）和第二达林顿管（19）；第一线圈（11）从第三极靴（15）上伸出转子（12）的一端与第一达林顿（18）的集电极相连，第一达林顿管（18）的发射极接地，第一达林顿管（18）的基极与PWM发生器（9）相连；第二线圈（17）从第二极靴（13）上伸出转子（12）的一端与第二达林顿管（19）的集电极相连，第二达林顿管（19）的发射极接地，第二达林顿管（19）的基极与PWM发生器（9）相连；第一线圈（11）从第一极靴（10）上伸出转子（12）的一端子与第二线圈（17）从第四极靴（16）上伸出转子（12）的一端相连接，并接VCC端。

4.按照权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于，所述控制单元（1）采用至少具有两个PWM输出口和一个外中断的单片机。

5.按照权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于，所述的霍尔传感器（5）采用开关型霍尔元件。

6.按照权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于，所述的达林顿管（3）采用NPN型达林顿管。