無刷直流電機遠程調速控制方法

徐敬成，凌 云，陳海東，黃文威，侯文浩

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

無刷直流電機遠程調速控制方法

徐敬成，凌 云，陳海東，黃文威，侯文浩

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

現階段無刷直流電機常用的遠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控制信號線，無線控制則需增加遙控交互環節。針對上述弊端，設計了一種以可控整流信號波的形式發送速度控制信號，實現無刷直流電機遠程調速控制的系統。該系統由整流控制單元和速度調節單元構成，整流控制單元發送可控整流信號波，速度調節單元接收該信號波并實現調速。該方法無需增加控制信號線，直接利用動力線即可實現對無刷直流電機速度大小和方向的遠程控制。

無刷直流電機；遠程控制；可控整流信號波；調速

0 引言

無刷直流電機采用電子換向代替機械換向，避免了傳統直流電機由于機械換向所帶來的換向火花等問題。無刷直流電機還具有轉矩大、效率高、體積小、調速范圍寬、結構簡單、運行可靠、維護方便、無轉子損耗等優點[1-3]，在電動汽車、精密醫療、機器人、工業過程控制及航空航天等領域發揮著越來越重要的作用。隨著計算機應用到自動控制領域，以及新型功率開關器件的更新換代，采用PWM脈沖調制方法控制無刷直流電機已成為一種主流趨勢[4-6]。利用無刷直流調速系統來提高電機效率具有很好的工程實用價值。

針對無刷直流電機應用環境惡劣、干擾嚴重、人員缺乏、場地空間受限等問題，遠程調速控制顯得尤為必要。無刷直流電機常用的遠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來實現電腦對電機轉速的控制[7-9]，需要額外鋪設信號控制線以及功能模塊，電路過于復雜。無線控制主要利用GPRS[10-11]實現無線遙控調速，雖然在工業控制領域具有一些優勢，但添加的無線通訊模塊增加了系統成本，同時也面臨著相關軟硬件更新換代的挑戰。鑒于此，本文設計了可控整流電路，發送不同的速度控制信號波來實現無刷直流電機的遠程控制，該方法已申請了國家專利[12-14]。

1 可控整流信號波

可控整流信號波由引導波和數據波組成。引導波起觸發調速的作用。數據波起速度調節的作用，包含速度控制信號，該速度控制信號從速度1級至n級共n個速度等級。

引導波由y個工頻周期的整流波和交流波組成，y為大于等于1的整數。數據波由x個工頻周期的整流波和交流波組成，x為大于等于2的整數。速度控制信號的速度等級1級至n級與速度給定信號的速度等級1級至n級是對應關系。其中，速度等級1對應的無刷直流電機狀態為制動狀態。

為方便述說，本文示例中設置n=16，即速度控制信號的速度等級共16級，即1～16級。整流控制單元發送7級速度控制信號。圖1～3中，T1區間為引導波，T2區間為數據波。在可控整流信號波中，數據碼、速度碼、開關碼和方向碼均為二進制碼。1個工頻周期對應1位數據碼：交流波對應的數據碼是0；整流波對應的數據碼是1。速度碼的范圍是0000～1111，代表的速度等級范圍是1～16。

1.1 簡單可控整流信號波

簡單可控整流信號波的波形示例如圖1a所示，其對應數據編碼如圖1b所示。T1區間的引導波由1個工頻周期的整流波組成；T2區間的數據波由4個工頻周期組成，依次為交流波、整流波、整流波、交流波，對應的4位數據碼是0110。因此，簡單可控整流信號波對應的數據碼為10110。

無刷直流電機無需控制方向時，數據碼中無方向碼，x位數據碼組成x位速度碼。

1.2 包含方向碼的可控整流信號波

包含方向碼的可控整流信號波的波形示例如圖2a所示，其對應數據編碼如圖2b所示。T1區間的引導波由1個工頻周期的整流波和1個工頻周期的交流波組成；T2區間的數據波由5個工頻周期組成，即交流波、整流波、整流波、交流波、交流波，相應的5位數據碼是01100。5位數據碼的最后1位是方向碼，方向碼與T3區間對應，即1個工頻周期的交流波，方向碼為0。因此，包含方向碼的可控整流信號波對應的數據碼為1001100。

x-1位速度碼和1位方向碼組成數據碼，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，圖5所示的可控整流信號波形中，5位數據碼的第1位為方向碼，方向碼是0；后4位數據碼為1100，表示速度控制信號的速度等級為13。

1.3 包含開關碼和方向碼的可控整流信號波

包含開關碼和方向碼的可控整流信號波的波形示例如圖3a所示，其對應數據編碼如圖3b所示。可控整流信號波還可以添加開關碼，方便電機定時制動。T1區間的引導波由1個工頻周期的整流波和2個工頻周期的交流波組成，T2區間的數據波由6個工頻周期組成，即交流波、交流波、整流波、整流波、交流波、交流波，相應的6位數據碼是001100。6位數據碼的第1位是開關碼，開關碼與T3區間對應，開關碼為1，最后1位是方向碼，方向碼與T4區間對應，方向碼為0。因此，包含開關碼和方向碼的可控整流信號波對應的數據碼為100001100。

本文僅列舉了3種可控整流信號波的代表形式。顯然，可控整流信號波還可以有更多的組合形式和次序，構建更為復雜的信號波，對此本文不再詳述。

2 可控整流電路

采用整流波傳送速度控制信號，其有效值與交流波相同，不會造成無刷直流電機速度調節時供電電源的不穩定。

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個二極管組成單相整流橋。2個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的觸發脈沖從其控制極K41和第一陽極K42輸入。當控制V3和V4截止，V1和V2導通時，可控整流電路輸出交流波；當控制V1和V2截止，V3和V4導通時，可控整流電路輸出整流波。

3 調速系統組成

本文介紹的無刷直流電機遠程調速控制系統由整流控制單元和速度調節單元組成，其結構如圖5所示。外部相線L和零線N通過整流控制單元，可控整流電路經過第一輸出端子AC1、第二輸出端子AC2輸出可控整流信號波，速度調節單元接收整流控制單元發出的可控整流信號波并調節無刷直流電機進行調速。

4 結語

無刷直流電機應用領域近幾年發展迅速，有很多不可替代的優勢，可以遠程控制電機運行狀況以及設置電機的常用參數，更好地體現出直流電機的優越性能[15]。本文采用可控整流信號波發送速度控制信號，該可控整流信號波在輸送功率的同時根據速度控制信號控制無刷直流電機的速度。該方法的優點是不需要增加控制信號線，不需要使用遙控器，直接利用動力線就可以實現無刷直流電機的遠程調速。

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MAO Yong.Designation and Implementation of Remote Monitoring and Control of BLDCM Based on DSP[J].Mechanical and Electrical Information，2010(36)：123-124.

（責任編輯：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目（15C0404）

徐敬成（1991-），男，江蘇南京人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為電力電子與電力傳動，E-mail：957944214@qq.com

凌 云（1965-），男，湖南平江人，湖南工業大學教授，主要從事復雜工業過程建模與優化控制，單片機及嵌入式系統應用等方面的研究，E-mail：l_yun888@126.com