無刷直流電機廣泛應用于驅(qū)動和伺服系統(tǒng)中，在許多場合，不但要求電機具有良好的起動和調(diào)節(jié)特性，而且要求電機能夠正反轉(zhuǎn)，將著重分析無刷直流電機的正反轉(zhuǎn)原理和實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的方法。

有刷直流電機的正反轉(zhuǎn)可以通過改變電源電壓的極性來實現(xiàn)，而無刷直流電機則不能通過改變電源電壓的極性來實現(xiàn)，但無刷直流電機正反轉(zhuǎn)的原理和有刷直流電機是相同的。

通常采用改變逆變器開關管的邏輯關系，使電樞繞組各相導通順序變化來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，為了使電機正反轉(zhuǎn)均能產(chǎn)生最大平均電磁轉(zhuǎn)矩以保證對稱運行，必須精確設計轉(zhuǎn)子位置傳感器與轉(zhuǎn)子主磁極和定子各相繞組的相互位置關系，以及正確的邏輯關系，下面以兩相導通星形三相六狀態(tài)稀土永磁無刷直流電機為例，來分析其正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法，采用霍爾元件轉(zhuǎn)子位置傳感器來實現(xiàn)永磁無刷直流電機的正反轉(zhuǎn)調(diào)速，三個霍爾元件沿圓周均勻分布粘貼于電機端蓋上，故霍爾元件彼此相差120°電角度。

無刷直流永磁電動機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)方法

無刷直流永磁電動機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的方法有兩種：

● 裝置兩套轉(zhuǎn)子位置傳感器。

● 采用一套轉(zhuǎn)子位置傳感器，借助邏輯電路改變功率開關晶體管的導通順序，從而實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)。

可以這么說，由轉(zhuǎn)子位置傳感器控制的功率開關晶體管導通順序，確定無刷直流永磁電動機電樞磁勢矢量究竟往哪個方向轉(zhuǎn)，也就決定了電動機的轉(zhuǎn)向，還真不是電源極性所能確定得了的，加載到無刷直流永磁電動機電樞繞組上的電源極性原本就是不斷交變的。

有刷直流永磁電動機正反轉(zhuǎn)原理

為便于分析無刷直流永磁電動機正反轉(zhuǎn)原理，這里先對有刷永磁直流電動機正反轉(zhuǎn)問題進行討論。

圖1給出了有刷永磁直流電動機正反轉(zhuǎn)原理。圖1（a）中磁極下電樞電流分布情況下，利用左手定則或比奧·薩乏定律可知，電樞將按順時針方向轉(zhuǎn)動。如果改變電樞電流方向，使其產(chǎn)生的電樞磁場與圖1（a）中的方向相反，即轉(zhuǎn)過去180電角度，如圖1（b）所示，則電樞將按逆時針方向轉(zhuǎn)動。若保持圖1（b）中的電樞電流的方向不變，而把定子磁場旋轉(zhuǎn)180電角度，如圖1（c）所示，則電樞又將按照順時針方向轉(zhuǎn)動。

圖1

基于以上分析，可以得出結論：對于有刷永磁直流電動機而言，定轉(zhuǎn)子磁場中，只要有一個磁場且只能有一個磁場，若相對原磁場的方向旋轉(zhuǎn)180電角度，則電動機就改變其轉(zhuǎn)動方向。所以，在有刷永磁直流電動機中，改變電源電壓的極性，就可以改變電樞電流的方向，從而改變其轉(zhuǎn)動方向，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，其實際接線如圖2所示。

圖 2

無刷直流永磁電動機如何正反轉(zhuǎn)？

無刷直流永磁電動機的正反轉(zhuǎn)不能通過改變電源電壓的極性來實現(xiàn)，然而它正反轉(zhuǎn)的原理與有刷永磁直流電動機相同。圖3表示了在旋轉(zhuǎn)過程中，一臺四相星形無刷直流永磁電動機定轉(zhuǎn)子磁場之間的相互關系。每相繞組導通角為90電角度，其相應的驅(qū)動信號如圖4所示。

圖 3

在圖3中，我們可以看到：

1） 當t=t1時，U相繞組通電，電流方向和轉(zhuǎn)子永磁體的位置如圖3（a）中狀態(tài)所示，永磁體轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)動。如果此時換成W相繞組通電，則定子磁場就相對圖3（a）狀態(tài)旋轉(zhuǎn)過180電角度，如圖3（a’）中狀態(tài)所示，永磁體轉(zhuǎn)子便逆時針方向轉(zhuǎn)動。

2） 當t=t2時，V相繞組通電，永磁體轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)動，如圖3（b）中狀態(tài)所示。如果此時換成圖3（a’）逆時針轉(zhuǎn)至圖3（b’）中狀態(tài)，則定子磁場就相對圖3（b）狀態(tài)同方向，此時永磁體轉(zhuǎn)子磁場相差180電角度，轉(zhuǎn)子繼續(xù)按逆時針方向轉(zhuǎn)動。

圖 3

3）當t=t3時，W相繞組通電，永磁體轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)動，如圖3（c）中狀態(tài)所示。如果此時換成圖3（b’）逆時針轉(zhuǎn)至圖3（c’）中狀態(tài)，U相繞組通電，則定子磁場就相對如圖3（c）狀態(tài)旋轉(zhuǎn)過180電角度，如圖3（c’）中狀態(tài)所示，轉(zhuǎn)子便按逆時針方向轉(zhuǎn)動。

4）當t=t4時，X相繞組通電，永磁體轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)動，如圖3（d）中狀態(tài)所示。如果此時換成圖3（c’）逆時針轉(zhuǎn)至圖3（d’）中狀態(tài)，則定子磁場就相對圖3（d）狀態(tài)同方向，此時永磁體轉(zhuǎn)子磁場相差180電角度，轉(zhuǎn)子繼續(xù)按逆時針方向轉(zhuǎn)動。

圖 3

由上面的分析可以看到：當無刷直流永磁電動機電樞繞組的通電狀態(tài)按（a）-（b）-（c）-（d） -（a）順序連續(xù)變化時，永磁體轉(zhuǎn)子便按順時針方向轉(zhuǎn)動；如果電樞繞組的通電狀態(tài)按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）順序連續(xù)變化時，則永磁體轉(zhuǎn)子就按逆時針方向轉(zhuǎn)動。比較狀態(tài)（a）和（a’），（b）和（b’），（c）和（c’），（d）和（d’），可以發(fā)現(xiàn)它們之間的差別僅在于：要么反轉(zhuǎn)電動機的定子磁場與正轉(zhuǎn)電動機的定子磁場之間相差180電角度，要么反轉(zhuǎn)電動機的永磁體轉(zhuǎn)子磁場與正轉(zhuǎn)電動機的永磁體轉(zhuǎn)子磁場之間相差180電角度。這與有刷直流永磁電動機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的原理是一致的。

圖 4

無刷直流永磁電機正反轉(zhuǎn)控制原理圖

如何實現(xiàn)圖3所示狀態(tài)無刷直流永磁電動機電樞繞組的通電狀態(tài)按（a）-（b）-（c）-（d） -（a）順序連續(xù)變化到按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）順序連續(xù)變化轉(zhuǎn)換呢？電動機電樞繞組的通電是借助驅(qū)動信號來控制的，當電動機按順時針方向轉(zhuǎn)動時，其相繞組U、V、W、X分別與驅(qū)動信號UU、UV、UW、UX—一對應，我們需要按下列步驟變更驅(qū)動信號的驅(qū)動對象，以實現(xiàn)控制無刷永磁同步電動機反轉(zhuǎn)或逆時針旋轉(zhuǎn)。

● 初始狀態(tài)

在本應是U相繞組通電的轉(zhuǎn)子位置上，不讓U相繞組通電，而讓W相繞組通電，也就是在此刻把驅(qū)動信號Uu去驅(qū)動W相繞組，使W相繞組通電，便實現(xiàn)了由狀態(tài)（a）到（a’）的切換。

● 轉(zhuǎn)過90電角度

此時順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)向相反方向，即轉(zhuǎn)子磁場互差180電角度，定子電樞磁場同方向才能使逆時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)的磁極繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。故同為UV去驅(qū)動V相繞組，使V相繞組通電，實現(xiàn)了由狀態(tài)（b）到（b’）的切換。

圖 5

● 轉(zhuǎn)過180電角度

此時順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)向同方向，即轉(zhuǎn)子磁場同與初始狀態(tài)互差180電角度，在本應是W相繞組通電的轉(zhuǎn)子位置上，不讓W相繞組通電，而讓U相繞組通電，也就是在此刻把驅(qū)動信號UW去驅(qū)動U相繞組，使U相繞組通電，便實現(xiàn)了由狀態(tài)（c）到（c’）的切換。

● 轉(zhuǎn)過270電角度

此時順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極又轉(zhuǎn)向相反方向，即轉(zhuǎn)子磁場互差180電角度，定子電樞磁場同方向才能使逆時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)的磁極繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。故同為UX去驅(qū)動X相繞組，使X相繞組通電，實現(xiàn)了由狀態(tài)（d）到（d’）的切換。

圖 5

● 轉(zhuǎn)過360電角度

回到初始狀態(tài)，重復上述過程。

采用接觸式或無接觸式聯(lián)動開關就可以完成（a）-（b）-（c）-（d） -（a）順序連續(xù)變化到按（a’）-（b’）-（c’）-（d’） -（a’）順序連續(xù)變化切換，從而實現(xiàn)了電動機由順時針方向轉(zhuǎn)動到逆時針方向轉(zhuǎn)動的變換。圖5是它的原理圖，圖中方塊1為聯(lián)動開關。