無刷電機試驗驅動設備的優化設計

謝智強

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無刷電機試驗驅動設備的優化設計

謝智強

（貴陽萬江航空機電有限公司，貴州 貴陽 550018）

無刷電機以其壽命長、可靠性高，已廣泛應用于機電行業。無刷電機進行試驗時，在驅動方面不同于有刷電機，需要專門定制驅動設備，傳統的無刷電機驅動設備體積大、質量大、操作和維修復雜、不便于攜帶。為了改變此現狀，需要設計一款體積小、質量輕、操作簡單、維修方便、便于攜帶的無刷電機試驗驅動設備。通過對無刷電機工作原理的識別，重新設計工作供電、極限信號處理、工作時間處理、技術參數輸出等模塊，實現了對無刷電機驅動設備的優化設計，為其他驅動設備設計提供了參考。

無刷電機；驅動設備；電路板；人機面板

隨著無刷電機在機電產品應用范圍逐漸擴大，無刷電機驅動設備的應用也越來越廣，傳統的無刷電機驅動設備在使用時經常發生如下問題：①價格高，采購數量少，無法滿足批量生產要求；②人機面板復雜，如圖1所示，不容易掌握操作要領，需多次反復培訓；③內部由集成電路板組成，使用方無法修復，每次設備損壞，都需返承制方，平均維修周期兩三個月，維修周期長，影響生產；④維修費用高，每次維修需耗費大量資金。

為了解決上述問題，急需設計一款體積小、質量輕、操作簡單、維修方便的無刷電機驅動設備。

圖1 傳統的無刷電機驅動設備

1 概述

無刷電機產品工作時，需要通過驅動設備對產品控制器相應線路供電，通過控制器驅動電機旋轉，當到達產品極限位置時，安裝于產品上的磁極就能感受到相應極限位置的霍爾元件，兩者反應后即會反饋給控制器一個極限信號，產品就會在相應的極限位置上停止運行。

傳統的無刷電機驅動設備的功能就是通過控制器給產品供電，同時輸出產品極限信號、工作電壓、工作電流、工作時間供監測，用于判斷產品工作是否正常。以下以一款無刷電機產品為例，介紹無刷電機驅動設備優化設計。

2 無刷電機驅動設備需求識別

現以某無刷電機驅動的機電產品為例，識別驅動設備的需求。產品接線原理如表1所示。

表1 產品接線定義

產品插頭處各引腳接線原理 引腳號引腳定義接線運行方式 A+28 V長供28 V直流電源 B+28 V當接通28 V直流正電時，順時針旋轉（電機輸出軸看） C+28 V當接通28 V直流正電時，逆時針旋轉（電機輸出軸看） DGND接電源負線 E順轉極限信號順時針（輸出軸看）極限位置 F逆轉極限信號逆時針（輸出軸看）極限位置 G故障信號當產品出現異常現象，該針腳輸出高電平 H空腳無插針

通過分析產品的接線原理和技術要求（如表2所示），無刷電機產品驅動設備必須具備以下功能，才能夠實現對產品的正常操控：①試驗驅動設備與產品之間的連接電纜針腳定義符合表1；②驅動設備必須設有28 VDC輸入電壓接線柱，電壓工作范圍應覆蓋產品電壓范圍，按表1供電邏輯對產品，接插件中A，B，C插針提供產品工作所需電壓；③可根據極限反饋輸出信號顯示極限位置，應具有極限信號反饋信號燈；④驅動設備給定電壓精度在0.05 V范圍內，顯示精度應達到小數點后2位；⑤可控制產品進行停止/運行操作；⑥可直接對產品工作電壓進行調節操作；⑦能實時反饋出產品故障信息，當產品正常時，故障信號反饋燈不亮，當產品異常時故障反饋信號燈發亮警告。

綜合以上要求，無刷電機驅動設備至少需包含以下模塊，如圖2所示：①產品基本供電模塊。根據表1給產品相應針腳提供穩定的直流電壓，使產品實現基本的運行工作。②極限信號處理模塊。針對產品極限信號的輸出針腳E/F針腳，當產品在非極限位置時，兩個針腳相對于產品內部是高阻狀態，相當于斷路。到達開/關極限位置時，產品內部相應E/F針腳剩下1 kΩ電阻。③工作時間處理模塊。在處理完極限信號的基礎上，用極限反饋信號來控制產品工作時間的暫停，以方便操作者觀看、記錄工作時間。④技術參數輸出模塊。輸出顯示產品各個技術參數。

表2 產品各技術參數要求

序號技術內容技術要求 1工作電壓28 V直流電壓 2工作電流不大于1 A 3工作時間20 s±5 s 4極限信號應有極限反饋信號 5故障信號無故障反饋信號

圖2 驅動設備功能模塊

3 功能模塊設計

3.1 產品基本供電模塊

產品基本供電模塊電路圖如圖3所示。

圖3 產品基本供電模塊電路圖

產品常供電源為28 VDC，工作電壓范圍為20～32 VDC，可直接由直流電源箱提供。

根據表1中產品各針腳定義，初步制定的產品基本電路如圖3所示，其中，S1為電源箱兩檔總開關，SM為產品順轉/逆轉/空置三檔開關，L1/L2/L3分別為產品的逆轉極限信號燈、順轉極限信號燈、故障信號燈。按照該原理圖連接好驅動設備原始電路，使用電纜線將產品連接至該驅動設備，基本功能能夠實現，產品運轉正常，但產品的兩個極限信號燈不發亮，其原因為產品到達極限位置時，兩個極限信號插針E/F內部串聯了一個1 kΩ的電阻，該電阻分壓嚴重，導致信號燈不能發亮，因此使用該電路無法輸出極限信號。

3.2 極限信號處理模塊

產品的極限信號與一般產品的極限信號最大差別在于到極限位置時，該產品內部有一個1 kΩ的電阻值，該電阻值既限制了信號燈的電壓值，后續控制產品時間暫停時又限制了時間模塊上的控制單元，因此，本文提出另一種極限信號處理方式如圖4所示。

圖4 極限信號處理模塊電路圖

兩個極限信號處理模塊工作原理相同，本文只敘述E腳信號模塊，F腳相同。電源28 VDC的選擇是為了利用產品工作電源，不外加多余電源處理模塊。為串聯電阻，J3、J4為繼電器，T1、T2為N溝道MOS管，L1、L2為LED燈。各個電子元器件的選擇如下。

T1=T2，額定開啟電壓3 V即可完全觸發。

此處綜合取值額定開啟電壓和實際開啟電壓，取8 kΩ即可。J3、J4取工作電壓為24 V觸發繼電器，L1、L2取工作電壓為24 VDC的LED燈。

該信號處理模塊工作原理如下所述：以E腳引線為例，當產品達到極限位置時，由于串聯電阻R和產品內部電阻內的分壓作用，使MOS管分壓為3 V，該3 V電壓觸發MOS管g極，d和s極導通，d和s極的導通使繼電器J3觸發該繼電器常開觸角J3-1吸合，吸合后信號燈所在電路構成回路，信號燈亮。若不在極限位置，內高阻，E腳內部等于斷路，無法觸發MOS管導通，繼電器J3不通電，常開觸角J3-1無法吸合，L1燈不亮。綜上所述，該極限信號處理模塊電路能完全實現信號的反饋。

3.3 工作時間處理模塊

工作時間處理模塊的電路如圖5所示，其中J1、J2和J3、J4為同樣繼電器。T為時間繼電器，該時間繼電器上2和7引腳為電源功能，1和4引腳接通為暫停功能。其他元器件前面已作敘述。

圖5 工作時間處理模塊電路

該模塊工作原理為：利用開關SM控制J1、J2通斷，J1、J2通斷控制時間繼電器電路上的J1-1、J2-1的吸合，以此來控制時間繼電器的通電。以E腳引線為例，當產品達到極限位置時，由于串聯電阻和產品內部電阻內的分壓作用，使MOS管分壓為1.3 V，該1.3 V電壓觸發MOS管g極，d和s極導通，d和s極的導通使繼電器J3觸發該繼電器常開觸角J3-2吸合，吸合后信號燈所在電路構成回路，信號燈亮。若不在極限位置，內高阻，E腳內部等于斷路，無法觸發MOS管導通，繼電器J3不通電，常開觸角J3-2無法吸合，時間繼電器不暫停。綜上所述，該工作時間處理模塊電路能完全實現時間的輸出。

3.4 技術參數輸出模塊

試驗驅動設備具備工作電壓、工作電流、工作時間、極限信號燈、故障信號燈輸出顯示。按照以上模塊電路連接好后，以上技術參數應能輸出顯示。

3.5 其他模塊

用一個單刀雙擲開關S1實現電源的通斷；用一個單刀三至開關SM來實現控制產品左轉/右轉/空置三檔；用一個LED燈串聯至產品G端電纜引出線上，用以檢測產品的故障情況；驅動設備上需安裝一個電纜連接插座，方便與產品電纜相連接。

4 制作與調試

根據以上各功能模塊，形成試驗驅動設備的原理如圖6所示，設備實物如圖7所示。小型化后，驅動設備所需零/元器件采購渠道暢通，按照原理圖進行連接和裝配。最終調試時，撥下“給零”開關，但給定電壓不能顯示0 V，而是0.07～0.1 V。通過調節表頭后面的小螺釘，此問題得到解決。

圖6 驅動設備原理圖

圖7 小型化驅動設備成品

5 成果及結論

經過多次測試，驅動設備優化后的功能完全滿足設計要求：①各個電子元器件使用正常，輸出顯示正確無誤；②電壓表頭顯示精度應達到小數點后2位，顯示數據比較穩定；③經檢測，在產品工作信號范圍（20～32 V）內，表頭精度最大誤差±0.04，滿足產品調試需求。④順轉/逆轉正常使用；⑤時間繼電器功能正常；⑥綜合故障、極限信號燈顯示正常。

目前，經優化設計驅動設備已投入使用，操作者反饋使用效果良好，檢測結果滿足使用需求。經優化設計驅動設備單臺成本低、結構較簡單、易維護、使用方便、維修簡單、維修成本低，縮短了維修周期，降低了維修成本，對其他類型的電氣驅動設備小型化設計有一定的參考價值。

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2095－6835（2018）24－0028－03

TH133.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.028

謝智強（1977—），男，高級工程師，長期從事各類閥門產品及各種類型減速器的研發工作。

〔編輯：張思楠〕