徐敬成，凌 云，陳海東，黃文威，侯文浩

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

無刷直流電機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)速控制方法

徐敬成，凌 云，陳海東，黃文威，侯文浩

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

現(xiàn)階段無刷直流電機(jī)常用的遠(yuǎn)程控制方法為有線控制和無線控制2種，有線控制需額外鋪設(shè)控制信號(hào)線，無線控制則需增加遙控交互環(huán)節(jié)。針對(duì)上述弊端，設(shè)計(jì)了一種以可控整流信號(hào)波的形式發(fā)送速度控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)速控制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由整流控制單元和速度調(diào)節(jié)單元構(gòu)成，整流控制單元發(fā)送可控整流信號(hào)波，速度調(diào)節(jié)單元接收該信號(hào)波并實(shí)現(xiàn)調(diào)速。該方法無需增加控制信號(hào)線，直接利用動(dòng)力線即可實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)速度大小和方向的遠(yuǎn)程控制。

無刷直流電機(jī)；遠(yuǎn)程控制；可控整流信號(hào)波；調(diào)速

0 引言

無刷直流電機(jī)采用電子換向代替機(jī)械換向，避免了傳統(tǒng)直流電機(jī)由于機(jī)械換向所帶來的換向火花等問題。無刷直流電機(jī)還具有轉(zhuǎn)矩大、效率高、體積小、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、無轉(zhuǎn)子損耗等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在電動(dòng)汽車、精密醫(yī)療、機(jī)器人、工業(yè)過程控制及航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用到自動(dòng)控制領(lǐng)域，以及新型功率開關(guān)器件的更新?lián)Q代，采用PWM脈沖調(diào)制方法控制無刷直流電機(jī)已成為一種主流趨勢[4-6]。利用無刷直流調(diào)速系統(tǒng)來提高電機(jī)效率具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。

針對(duì)無刷直流電機(jī)應(yīng)用環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重、人員缺乏、場地空間受限等問題，遠(yuǎn)程調(diào)速控制顯得尤為必要。無刷直流電機(jī)常用的遠(yuǎn)程控制方法主要有有線控制和無線控制2種。有線控制使用總線通過微處理器如DSP來實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[7-9]，需要額外鋪設(shè)信號(hào)控制線以及功能模塊，電路過于復(fù)雜。無線控制主要利用GPRS[10-11]實(shí)現(xiàn)無線遙控調(diào)速，雖然在工業(yè)控制領(lǐng)域具有一些優(yōu)勢，但添加的無線通訊模塊增加了系統(tǒng)成本，同時(shí)也面臨著相關(guān)軟硬件更新?lián)Q代的挑戰(zhàn)。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了可控整流電路，發(fā)送不同的速度控制信號(hào)波來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的遠(yuǎn)程控制，該方法已申請(qǐng)了國家專利[12-14]。

1 可控整流信號(hào)波

可控整流信號(hào)波由引導(dǎo)波和數(shù)據(jù)波組成。引導(dǎo)波起觸發(fā)調(diào)速的作用。數(shù)據(jù)波起速度調(diào)節(jié)的作用，包含速度控制信號(hào)，該速度控制信號(hào)從速度1級(jí)至n級(jí)共n個(gè)速度等級(jí)。

引導(dǎo)波由y個(gè)工頻周期的整流波和交流波組成，y為大于等于1的整數(shù)。數(shù)據(jù)波由x個(gè)工頻周期的整流波和交流波組成，x為大于等于2的整數(shù)。速度控制信號(hào)的速度等級(jí)1級(jí)至n級(jí)與速度給定信號(hào)的速度等級(jí)1級(jí)至n級(jí)是對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，速度等級(jí)1對(duì)應(yīng)的無刷直流電機(jī)狀態(tài)為制動(dòng)狀態(tài)。

為方便述說，本文示例中設(shè)置n=16，即速度控制信號(hào)的速度等級(jí)共16級(jí)，即1～16級(jí)。整流控制單元發(fā)送7級(jí)速度控制信號(hào)。圖1～3中，T1區(qū)間為引導(dǎo)波，T2區(qū)間為數(shù)據(jù)波。在可控整流信號(hào)波中，數(shù)據(jù)碼、速度碼、開關(guān)碼和方向碼均為二進(jìn)制碼。1個(gè)工頻周期對(duì)應(yīng)1位數(shù)據(jù)碼：交流波對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)碼是0；整流波對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)碼是1。速度碼的范圍是0000～1111，代表的速度等級(jí)范圍是1～16。

1.1 簡單可控整流信號(hào)波

簡單可控整流信號(hào)波的波形示例如圖1a所示，其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)編碼如圖1b所示。T1區(qū)間的引導(dǎo)波由1個(gè)工頻周期的整流波組成；T2區(qū)間的數(shù)據(jù)波由4個(gè)工頻周期組成，依次為交流波、整流波、整流波、交流波，對(duì)應(yīng)的4位數(shù)據(jù)碼是0110。因此，簡單可控整流信號(hào)波對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)碼為10110。

無刷直流電機(jī)無需控制方向時(shí)，數(shù)據(jù)碼中無方向碼，x位數(shù)據(jù)碼組成x位速度碼。

1.2 包含方向碼的可控整流信號(hào)波

包含方向碼的可控整流信號(hào)波的波形示例如圖2a所示，其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)編碼如圖2b所示。T1區(qū)間的引導(dǎo)波由1個(gè)工頻周期的整流波和1個(gè)工頻周期的交流波組成；T2區(qū)間的數(shù)據(jù)波由5個(gè)工頻周期組成，即交流波、整流波、整流波、交流波、交流波，相應(yīng)的5位數(shù)據(jù)碼是01100。5位數(shù)據(jù)碼的最后1位是方向碼，方向碼與T3區(qū)間對(duì)應(yīng)，即1個(gè)工頻周期的交流波，方向碼為0。因此，包含方向碼的可控整流信號(hào)波對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)碼為1001100。

x-1位速度碼和1位方向碼組成數(shù)據(jù)碼，還可以采用1位方向碼在前，x-1位速度碼在后的方式。此時(shí)，圖5所示的可控整流信號(hào)波形中，5位數(shù)據(jù)碼的第1位為方向碼，方向碼是0；后4位數(shù)據(jù)碼為1100，表示速度控制信號(hào)的速度等級(jí)為13。

1.3 包含開關(guān)碼和方向碼的可控整流信號(hào)波

包含開關(guān)碼和方向碼的可控整流信號(hào)波的波形示例如圖3a所示，其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)編碼如圖3b所示?？煽卣餍盘?hào)波還可以添加開關(guān)碼，方便電機(jī)定時(shí)制動(dòng)。T1區(qū)間的引導(dǎo)波由1個(gè)工頻周期的整流波和2個(gè)工頻周期的交流波組成，T2區(qū)間的數(shù)據(jù)波由6個(gè)工頻周期組成，即交流波、交流波、整流波、整流波、交流波、交流波，相應(yīng)的6位數(shù)據(jù)碼是001100。6位數(shù)據(jù)碼的第1位是開關(guān)碼，開關(guān)碼與T3區(qū)間對(duì)應(yīng)，開關(guān)碼為1，最后1位是方向碼，方向碼與T4區(qū)間對(duì)應(yīng)，方向碼為0。因此，包含開關(guān)碼和方向碼的可控整流信號(hào)波對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)碼為100001100。

本文僅列舉了3種可控整流信號(hào)波的代表形式。顯然，可控整流信號(hào)波還可以有更多的組合形式和次序，構(gòu)建更為復(fù)雜的信號(hào)波，對(duì)此本文不再詳述。

2 可控整流電路

采用整流波傳送速度控制信號(hào)，其有效值與交流波相同，不會(huì)造成無刷直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)時(shí)供電電源的不穩(wěn)定。

可控整流電路如圖4所示，它由整流橋UR1、雙向晶閘管V1、雙向晶閘管V2、雙向晶閘管V3和雙向晶閘管V4組成。整流橋UR1可以采用單相整流橋堆，或采用4個(gè)二極管組成單相整流橋。2個(gè)交流輸入端分別連接至相線L和零線N，整流輸出正端連接至雙向晶閘管V3的第二陽極，整流輸出負(fù)端連接至雙向晶閘管V4的第二陽極；雙向晶閘管V1的第一陽極與雙向晶閘管V3的第一陽極并聯(lián)后連接至第一輸出端子AC1；雙向晶閘管V1的第二陽極連接至相線L；雙向晶閘管V2的第一陽極與雙向晶閘管V4的第一陽極并聯(lián)后連接至第二輸出端子AC2；雙向晶閘管V2的第二陽極連接至零線N。

雙向晶閘管V1的觸發(fā)脈沖從其控制極K11和第一陽極K12輸入，雙向晶閘管V2的觸發(fā)脈沖從其控制極K21和第一陽極K22輸入，雙向晶閘管V3的觸發(fā)脈沖從其控制極K31和第一陽極K32輸入，雙向晶閘管V4的觸發(fā)脈沖從其控制極K41和第一陽極K42輸入。當(dāng)控制V3和V4截止，V1和V2導(dǎo)通時(shí)，可控整流電路輸出交流波；當(dāng)控制V1和V2截止，V3和V4導(dǎo)通時(shí)，可控整流電路輸出整流波。

3 調(diào)速系統(tǒng)組成

本文介紹的無刷直流電機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)速控制系統(tǒng)由整流控制單元和速度調(diào)節(jié)單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。外部相線L和零線N通過整流控制單元，可控整流電路經(jīng)過第一輸出端子AC1、第二輸出端子AC2輸出可控整流信號(hào)波，速度調(diào)節(jié)單元接收整流控制單元發(fā)出的可控整流信號(hào)波并調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

4 結(jié)語

無刷直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域近幾年發(fā)展迅速，有很多不可替代的優(yōu)勢，可以遠(yuǎn)程控制電機(jī)運(yùn)行狀況以及設(shè)置電機(jī)的常用參數(shù)，更好地體現(xiàn)出直流電機(jī)的優(yōu)越性能[15]。本文采用可控整流信號(hào)波發(fā)送速度控制信號(hào)，該可控整流信號(hào)波在輸送功率的同時(shí)根據(jù)速度控制信號(hào)控制無刷直流電機(jī)的速度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加控制信號(hào)線，不需要使用遙控器，直接利用動(dòng)力線就可以實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的遠(yuǎn)程調(diào)速。

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（責(zé)任編輯：鄧 彬）

A Remote Speed Control Method of Brushless DC Motors

XU Jingcheng，LING Yun，CHEN Haidong，HUANG Wenwei，HOU Wenhao
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Two kinds of remote control methods, wired control system and wireless control system, are being currently applied in brushless DC motors, with the former one requiring additional signal lines and the latter one requiring remote interaction modules.In view of the above-mentioned disadvantages, a method has been proposed to realize the transmission of speed control signals in the form of controlled rectifier signal waves, thus achieving the remote speed control of Brushless DC motors.The system consists of rectifier control unit and speed control unit, with the former one sending controlled rectifier waves and the latter one receiving the signal waves and realizing the speed regulation.The research results show that this method can realize the remote control of brushless DC motor speeds and directions by using the power lines without additional control signal lines.

brushless DC motor；remote control；controllable rectifier signal wave；speed control

TM461.4

A

1673-9833(2017)01-0052-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.01.009

2016-11-20

湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（15C0404）

徐敬成（1991-），男，江蘇南京人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，E-mail：957944214@qq.com

凌 云（1965-），男，湖南平江人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，主要從事復(fù)雜工業(yè)過程建模與優(yōu)化控制，單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究，E-mail：l_yun888@126.com