無刷電機試驗驅(qū)動設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計

謝智強

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無刷電機試驗驅(qū)動設(shè)備的優(yōu)化設(shè)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(yīng)用于機電行業(yè)。無刷電機進行試驗時，在驅(qū)動方面不同于有刷電機，需要專門定制驅(qū)動設(shè)備，傳統(tǒng)的無刷電機驅(qū)動設(shè)備體積大、質(zhì)量大、操作和維修復雜、不便于攜帶。為了改變此現(xiàn)狀，需要設(shè)計一款體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、維修方便、便于攜帶的無刷電機試驗驅(qū)動設(shè)備。通過對無刷電機工作原理的識別，重新設(shè)計工作供電、極限信號處理、工作時間處理、技術(shù)參數(shù)輸出等模塊，實現(xiàn)了對無刷電機驅(qū)動設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計，為其他驅(qū)動設(shè)備設(shè)計提供了參考。

無刷電機；驅(qū)動設(shè)備；電路板；人機面板

隨著無刷電機在機電產(chǎn)品應(yīng)用范圍逐漸擴大，無刷電機驅(qū)動設(shè)備的應(yīng)用也越來越廣，傳統(tǒng)的無刷電機驅(qū)動設(shè)備在使用時經(jīng)常發(fā)生如下問題：①價格高，采購數(shù)量少，無法滿足批量生產(chǎn)要求；②人機面板復雜，如圖1所示，不容易掌握操作要領(lǐng)，需多次反復培訓；③內(nèi)部由集成電路板組成，使用方無法修復，每次設(shè)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(chǎn)；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(shè)計一款體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、維修方便的無刷電機驅(qū)動設(shè)備。

圖1 傳統(tǒng)的無刷電機驅(qū)動設(shè)備

1 概述

無刷電機產(chǎn)品工作時，需要通過驅(qū)動設(shè)備對產(chǎn)品控制器相應(yīng)線路供電，通過控制器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，當?shù)竭_產(chǎn)品極限位置時，安裝于產(chǎn)品上的磁極就能感受到相應(yīng)極限位置的霍爾元件，兩者反應(yīng)后即會反饋給控制器一個極限信號，產(chǎn)品就會在相應(yīng)的極限位置上停止運行。

傳統(tǒng)的無刷電機驅(qū)動設(shè)備的功能就是通過控制器給產(chǎn)品供電，同時輸出產(chǎn)品極限信號、工作電壓、工作電流、工作時間供監(jiān)測，用于判斷產(chǎn)品工作是否正常。以下以一款無刷電機產(chǎn)品為例，介紹無刷電機驅(qū)動設(shè)備優(yōu)化設(shè)計。

2 無刷電機驅(qū)動設(shè)備需求識別

現(xiàn)以某無刷電機驅(qū)動的機電產(chǎn)品為例，識別驅(qū)動設(shè)備的需求。產(chǎn)品接線原理如表1所示。

表1 產(chǎn)品接線定義

產(chǎn)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(zhuǎn)（電機輸出軸看） C+28 V當接通28 V直流正電時，逆時針旋轉(zhuǎn)（電機輸出軸看） DGND接電源負線 E順轉(zhuǎn)極限信號順時針（輸出軸看）極限位置 F逆轉(zhuǎn)極限信號逆時針（輸出軸看）極限位置 G故障信號當產(chǎn)品出現(xiàn)異常現(xiàn)象，該針腳輸出高電平 H空腳無插針

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

綜合以上要求，無刷電機驅(qū)動設(shè)備至少需包含以下模塊，如圖2所示：①產(chǎn)品基本供電模塊。根據(jù)表1給產(chǎn)品相應(yīng)針腳提供穩(wěn)定的直流電壓，使產(chǎn)品實現(xiàn)基本的運行工作。②極限信號處理模塊。針對產(chǎn)品極限信號的輸出針腳E/F針腳，當產(chǎn)品在非極限位置時，兩個針腳相對于產(chǎn)品內(nèi)部是高阻狀態(tài)，相當于斷路。到達開/關(guān)極限位置時，產(chǎn)品內(nèi)部相應(yīng)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(chǔ)上，用極限反饋信號來控制產(chǎn)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(shù)參數(shù)輸出模塊。輸出顯示產(chǎn)品各個技術(shù)參數(shù)。

表2 產(chǎn)品各技術(shù)參數(shù)要求

序號技術(shù)內(nèi)容技術(shù)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(yīng)有極限反饋信號 5故障信號無故障反饋信號

圖2 驅(qū)動設(shè)備功能模塊

3 功能模塊設(shè)計

3.1 產(chǎn)品基本供電模塊

產(chǎn)品基本供電模塊電路圖如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品基本供電模塊電路圖

產(chǎn)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(jù)表1中產(chǎn)品各針腳定義，初步制定的產(chǎn)品基本電路如圖3所示，其中，S1為電源箱兩檔總開關(guān)，SM為產(chǎn)品順轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)/空置三檔開關(guān)，L1/L2/L3分別為產(chǎn)品的逆轉(zhuǎn)極限信號燈、順轉(zhuǎn)極限信號燈、故障信號燈。按照該原理圖連接好驅(qū)動設(shè)備原始電路，使用電纜線將產(chǎn)品連接至該驅(qū)動設(shè)備，基本功能能夠?qū)崿F(xiàn)，產(chǎn)品運轉(zhuǎn)正常，但產(chǎn)品的兩個極限信號燈不發(fā)亮，其原因為產(chǎn)品到達極限位置時，兩個極限信號插針E/F內(nèi)部串聯(lián)了一個1 kΩ的電阻，該電阻分壓嚴重，導致信號燈不能發(fā)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(chǎn)品的極限信號與一般產(chǎn)品的極限信號最大差別在于到極限位置時，該產(chǎn)品內(nèi)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(xù)控制產(chǎn)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(xiàn)腳相同。電源28 VDC的選擇是為了利用產(chǎn)品工作電源，不外加多余電源處理模塊。為串聯(lián)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(fā)。

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(fā)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(chǎn)品達到極限位置時，由于串聯(lián)電阻R和產(chǎn)品內(nèi)部電阻內(nèi)的分壓作用，使MOS管分壓為3 V，該3 V電壓觸發(fā)MOS管g極，d和s極導通，d和s極的導通使繼電器J3觸發(fā)該繼電器常開觸角J3-1吸合，吸合后信號燈所在電路構(gòu)成回路，信號燈亮。若不在極限位置，內(nèi)高阻，E腳內(nèi)部等于斷路，無法觸發(fā)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(xiàn)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(guān)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(chǎn)品達到極限位置時，由于串聯(lián)電阻和產(chǎn)品內(nèi)部電阻內(nèi)的分壓作用，使MOS管分壓為1.3 V，該1.3 V電壓觸發(fā)MOS管g極，d和s極導通，d和s極的導通使繼電器J3觸發(fā)該繼電器常開觸角J3-2吸合，吸合后信號燈所在電路構(gòu)成回路，信號燈亮。若不在極限位置，內(nèi)高阻，E腳內(nèi)部等于斷路，無法觸發(fā)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(xiàn)時間的輸出。

3.4 技術(shù)參數(shù)輸出模塊

試驗驅(qū)動設(shè)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(shù)參數(shù)應(yīng)能輸出顯示。

3.5 其他模塊

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

4 制作與調(diào)試

根據(jù)以上各功能模塊，形成試驗驅(qū)動設(shè)備的原理如圖6所示，設(shè)備實物如圖7所示。小型化后，驅(qū)動設(shè)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(diào)試時，撥下“給零”開關(guān)，但給定電壓不能顯示0 V，而是0.07～0.1 V。通過調(diào)節(jié)表頭后面的小螺釘，此問題得到解決。

圖6 驅(qū)動設(shè)備原理圖

圖7 小型化驅(qū)動設(shè)備成品

5 成果及結(jié)論

經(jīng)過多次測試，驅(qū)動設(shè)備優(yōu)化后的功能完全滿足設(shè)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(yīng)達到小數(shù)點后2位，顯示數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定；③經(jīng)檢測，在產(chǎn)品工作信號范圍（20～32 V）內(nèi)，表頭精度最大誤差±0.04，滿足產(chǎn)品調(diào)試需求。④順轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)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(jīng)優(yōu)化設(shè)計驅(qū)動設(shè)備已投入使用，操作者反饋使用效果良好，檢測結(jié)果滿足使用需求。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計驅(qū)動設(shè)備單臺成本低、結(jié)構(gòu)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(qū)動設(shè)備小型化設(shè)計有一定的參考價值。

［1］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］王遠.模擬電子技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［3］鄭佳龍，王小海，章安元.模擬集成電子技術(shù)教程［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［4］朱正涌.半導體集成電路［M］.北京：清華大學出版社，2001.

［5］楊素行.模擬電子技術(shù)簡明教程［M］.第2版.北京：高等教育出版社，1998.

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(chǎn)品及各種類型減速器的研發(fā)工作。

〔編輯：張思楠〕