一种直流电动机换向方法及电子换向直流电动机
阅读：935发布：2023-02-05
专利汇可以提供一种直流电动机换向方法及电子换向直流电动机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种直流 电动机 换向方法及 电子 换向直流电动机，它采用电子换向器替代机械换向片；该电子换向器采用一进一出两个电枢元件换向MOS 块 反方向并联以代替换向片了，有多少个换向片就用多少对MOS块；当元件到达 电机 磁极的几何中性线或者物理中性线上时，导通MOS块立即进行 电流 换向。本发明抛弃了现有的直流电动机结构复杂、因有火花致使工作不甚可靠且价格又高的机械换向器，代之以电子元件组成的无火花换向器，实现在完全保留传统直流电动机的优良调速性能的 基础 上，造价又比较便宜的目的。，下面是一种直流电动机换向方法及电子换向直流电动机专利的具体信息内容。
1.一种直流电动机换向方法，其特征在于：它采用电子换向器替代机械换向器；该电子换向器采用一进一出两个电枢元件换向MOS块反方向并联以代替机械换向片，有多少个换向片就用多少对MOS块；当元件到达电机磁极的几何中性线上时，导通MOS块立即进行电流换向；直流电压由三相交流电压经SCR提供，控制SCR的导通角，便可调节直流电压的大小。
2.根据权利要求1所述的直流电动机换向方法，其特征在于：接在同一元件端子处的一对MOS块不能同时导通。
3.一种电子换向直流电动机，其特征在于：它采用一进一出两个MOS块（6）反方向并联以代替换向片；将电动机电枢（1）与磁极转子（2）的相对位置倒换过来， 电枢绕组的结构放在定子上，电枢不动而让磁极转动，电枢元件（5）直接与外接MOS块（6）相连；由不动的MOS块（6）控制其电流换向而不产生火。
4.根据权利要求3所述的电子换向直流电动机，其特征在于：它还包括用于检测元件正处于电机磁极的几何中性线上的元件位置检测器（8）；它还包括确保换向触发脉冲都在元件到达中性线上时立即由该绕组元件送出作为第一个换向触发信号的换向同步触发器（9）；它还包括能随时发出几何中性线标志的高频电磁铁（3）。
5.根据权利要求4所述的电子换向直流电动机，其特征在于：磁极为永磁式或电磁式，磁极做成凸极型；高频电磁铁（3）放置在磁极的几何中性线上。
6.根据权利要求4所述的电子换向直流电动机，其特征在于：每个绕组元件伸出一个端头，该端头不接到换向片上，而是接到一对反向并联的MOS块（6）上，再经MOS块（6）接到直流电压上去，按极性顺向连接。
7.根据权利要求4所述的电子换向直流电动机，其特征在于：所述高频电磁铁（3）由铁芯和线圈两部分组成，它的线圈通过的是15khz的高频交流电，铁心则用铁淦氧材料制成，它固定在磁极转子（2）S、N极之间的几何中性线上，在其对称方向处还设置一个完全相同的镜像形转子动平衡配重，该镜像形转子动平衡配重为非导磁性材料制成。
8.根据权利要求7所述的电子换向直流电动机，其特征在于：元件位置检测器（8）是由七块编码器74LS148和三块多路转换器74LS151按并行扩展的形式组成的48线---6线优先编码器，并行扩展可以获得较高的编码速度。
9. 根据权利要求8所述的电子换向直流电动机，其特征在于：同步触发器（9）由6块
8路输入与非门74LS30和3块3路输入与门74LS11构成，其48个输入端并联到48:6的输入端上，唯一的输出端则接到CPU的P1.7上作为输入，利用此输入信号的上升前沿去触发换向脉冲。
10.根据权利要求3-9中任意一项所述的电子换向直流电动机，其特征在于：该电子换向直流电动机电子换向器的核心为电脑CPU11，它的第一个输出口P0.0---P0.7作为控制48对MOS块6栅极的信号输出端，对于两对极、两对并联支路，采用三块74LS245收发器，分三次分别选通，每次分送8个信号，三次便可以分送24个栅控信号；信号按元件编号、指定顺向或逆向循环方向，一个接一个地分送，即从S1开始，接著S2……直到S24，24个完毕又从头开始继续分送，循环不已。
一种直流电动机换向方法及电子换向直流电动机
技术领域
背景技术
[0002] 在20世纪60年代以前，普通带机械整流器的传统式直流电动机，由于其优良的调速性能，一直是可调速电气传动的主要执行机构。但是，到了70年代，由于可控硅元件和交流变频技术的出现，特别是后期，德国人发明了矢量调节这种新的交流调速方法，可调速电力传动领域内直流电动机一统天下的局面便被打破。从几千瓦到几千千瓦的可调速交流电力传动系统纷纷出现，遍及轻工、机械制造、化工、冶炼、轧钢、交通运输等行业，逐步取代了直流电气传动。但是交流传动系统也有一些固有的缺点，例如∶在低速时的噪音、发热和不稳定性，变频器价格偏高，调速范围仍然有限等等。因此，反过来我们又会想到直流传动系统，如果能够抛弃结构复杂、因有火花致使工作不甚可靠且价格又高的机械换向器，代之以电子元件组成的无火花换向器，完全保留传统直流电动机的优良调速性能，而造价又比较便宜，那么，这种新的电机将以其优良的性价比，会重新获得使用者的偏爱，与交流传动系统一争高下，重新成为电气传动系统（特别是大容量系统）的主流。
[0003] 通常称做“无刷式直流电动机”的，是人们一直用来代替传统直流电动机无火花运行的常用方案，但是，这种电动机其实是种采用可控硅或者IGBT控制的变频调速同步电动机，并非真正意义上的直流电动机，它的运行原理只和直流电动机相似而不相同，所以，其性能特别是调速性能还是与直流电动机有相当大的距离，它的可贵之处仅仅是达到了无火花运行，但因线路复杂致造价较高，又因其实质上的交流运行致效率较低，从而限制了其应用范围，所以，达不到真正代替直流电动机的作用，但却是改造直流电动机火花运行的一种较现实的替代方案。
[0004] 真正意义上的无刷式直流电动机，应该是：工作原理和传统直流电动机完全一样，特性完全一样；但是却无机械换向器，即无电刷、无换向片，取而代之的是电子换向器，以便完成绝不可少的分布式闭合电枢绕组的换向工作，从而达到无火花换向。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为改进直流传动系统，抛弃现有的直流电动机结构复杂、因有火花致使工作不甚可靠且价格又高的机械换向器，代之以电子元件组成的无火花换向器，实现在完全保留传统直流电动机的优良调速性能的基础上，造价又比较便宜的目的，因此提供一种直流电动机换向方法及电子换向直流电动机。
[0006] 传统直流电动机对换向器的主要电气要求是：电刷安置在电枢几何中性线上，每一个电枢元件对应一个换向片以便电枢电流的进与出，当元件到达几何中性线上时，立即进行换向。而本发明的方法是：采用电子换向器替代机械换向片；该电子换向器采用一进一出两个MOS块反方向并联以代替换向片，有多少个换向片就用多少对MOS块；当元件到达电机磁极的几何中性线上时，导通MOS块立即进行电流换向；换向的频率与电动机转速频率同步，由CPU和同步触发器保证，在调速时也是如此。直流电压由三相交流电压经SCR提供，控制SCR的导通角，便可调节直流电压的大小，进行转速调节。需要注意的是，接在同一元件端子处的一对MOS块绝不能同时导通,否则形成电源短路,这在控制电路设计时应充分考虑,以保证主电路的绝对可靠性。
[0007] 具体而言，本发明的电子换向电动机，采取了如下措施：(1)采用一进一出两个电枢元件换向MOS块反方向并联以代替换向片，有多少个换向片就用多少对MOS块；(2)当元件到达几何中性线上时，才导通MOS块，立即进行电流换向。
[0008] 为实现上述目的，在结构上必须将电枢与磁极的相对位置倒换过来，即电枢不动而让磁极转动，这样一来，电枢的每个元件便可以直接与外接MOS块相连，由不动的MOS块控制其电流换向而不产生火花，磁极为永磁式或电磁式，磁极可以做成凸极型。
[0009] 为实现本发明，这种电子换向直流电动机还包括用于检测元件正处于电机磁极的几何中性线上的元件位置检测器；它还包括确保换向触发脉冲都在元件到达中性线上时立即送出的换向同步触发器；它还包括能随时发出几何中性线标志的高频电磁铁。
[0010] 元件位置检测器是由七块编码器74LS148和三块多路转换器74LS151按并行扩展的形式组成的48线---6线优先编码器，并行扩展可以获得较高的编码速度。
[0011] 同步触发器由6块8路输入与非门74LS30和3块3路输入与门74LS11构成，其48个输入端并联到48:6的输入端上，唯一的输出端则接到CPU的P1.7上作为输入， 利用此输入信号的上升前沿去触发换向脉冲。
[0012] 高频电磁铁放置在磁极的几何中性线或者物理中性线上。高频电磁铁由铁芯和线圈两部分组成，它的线圈通过的是15khz的高频交流电，铁心则用铁淦氧材料制成，它固定在转子S、N极之间的几何中性线上，在其对称方向处还设置一个完全相同的镜像形转子动平衡配重，该镜像形转子动平衡配重有线圈和铁芯但不通电。
[0013] 每个绕组元件伸出一个端头，该端头不接到换向片上，而是接到一对反向并联的MOS块上，再经MOS块接到直流电压上去，按极性顺向连接。
[0014] 电子换向器的电力电子元件部分是96个VMOS或IGBT构成，其中都是奇数元件的阴极与偶数元件的阳极相连，并最后形成封闭，而另一个未连接的阳极都并在一起，以后并联到直流电源的正极，未连接的阴极都并在一起，以后并联到直流电源的负极；各个控制极分开依次引出；全部或分块的电力电子元件集成在一起，制成一个整体电力电子换向器，放在电机以外，置於控制箱内，其与电机绕组出线间一对一的连接。
[0015] 本发明的技术效果：首先，来计算一下电子换向器的价格 (按照放2006年时的元件单价计算) ：
MOS块：选用高压MOS块IRPF系列，选G型，额定电流5.7A、1000V，并联3块，总电流为
17.1A，每元件接一进一出共一对，计6块，48个元件，总计288块，每块1.9元， 总价格为
547元。电动机额定电压设计为800V，额定电流为4×8=32A，总功率为800×32×0.9=23040瓦=23千瓦。由于每对支路都是MOS块一进一出， 即串联两块MOS块，耐压达2000V，为额定电压的2.5倍，符合安全标准；而电机2a=4，每并联三MOS块管2条支路计16A，亦留有电流容量余地。光耦驱动器：选PC817-4，每块有4个光耦， 故只需6块，每块2.8元，共计16.8元。另外，在48：6检测器中还要12块，又计33.6元，总计50.4元。收发器： 选74LS245， 需用三片， 每片1.4元， 共计4.2元。CPU：选用MSC87C51，需一片，计13元。48：6捡测器： 需用74LS148七片，每片1. 6元，计11.2元；74LS151三片， 每片1.6元， 计4.8元；
74LS14八片，每片1.2元， 计9.6元；74LS04十二片， 每片0.9元，计10.8元；整流桥堆
48片，每片0.18光，计8.64元上述各芯片共计45元。48：1同步器： 需用74LS30六片，每片1.2元，计7.2元；74LS11一片，计1.2元；共计8.4元。A/D和D/A： 共计30元。电阻、电容等杂件：按10元计。以上控制电路元件总价161元。
MOS块：选用高压MOS块IRPF系列，选G型，额定电流5.7A、1000V，并联3块，总电流为
17.1A，每元件接一进一出共一对，计6块，48个元件，总计288块，每块1.9元， 总价格为
547元。电动机额定电压设计为800V，额定电流为4×8=32A，总功率为800×32×0.9=23040瓦=23千瓦。由于每对支路都是MOS块一进一出， 即串联两块MOS块，耐压达2000V，为额定电压的2.5倍，符合安全标准；而电机2a=4，每并联三MOS块管2条支路计16A，亦留有电流容量余地。光耦驱动器：选PC817-4，每块有4个光耦， 故只需6块，每块2.8元，共计16.8元。另外，在48：6检测器中还要12块，又计33.6元，总计50.4元。收发器： 选74LS245， 需用三片， 每片1.4元， 共计4.2元。CPU：选用MSC87C51，需一片，计13元。48：6捡测器： 需用74LS148七片，每片1. 6元，计11.2元；74LS151三片， 每片1.6元， 计4.8元；
74LS14八片，每片1.2元， 计9.6元；74LS04十二片， 每片0.9元，计10.8元；整流桥堆
48片，每片0.18光，计8.64元上述各芯片共计45元。48：1同步器： 需用74LS30六片，每片1.2元，计7.2元；74LS11一片，计1.2元；共计8.4元。A/D和D/A： 共计30元。电阻、电容等杂件：按10元计。以上控制电路元件总价161元。
[0017] 总价：制板：按芯片161元，印刷板20元，锡焊加工费5元， 共计186元；主电路：按MOS块547元，散热器288元，共计 835元；总价为1021元。(按技术成熟期考慮，不包括其他研制成本)
而一台传统直流电动机，4极，23千瓦左右，大约1.1万元， 机械换向器按总价三分之一计，应为3670元，而电子换向器仅为1021元， 为其27.8%，即约四分之一。整机价：机体(定、转子) 按三分之二算为7334元，电子换向器仅为1021元， 两项合计价为8355元， 是传统直流电动机价1.1万元的76%，即亦要低近四分之一。而电子换向器却可达到：无火花、工作可靠、维护简单，显然，新的电子换向器式直流电动机的性价比确实较传统直流电动机为高。
而一台传统直流电动机，4极，23千瓦左右，大约1.1万元， 机械换向器按总价三分之一计，应为3670元，而电子换向器仅为1021元， 为其27.8%，即约四分之一。整机价：机体(定、转子) 按三分之二算为7334元，电子换向器仅为1021元， 两项合计价为8355元， 是传统直流电动机价1.1万元的76%，即亦要低近四分之一。而电子换向器却可达到：无火花、工作可靠、维护简单，显然，新的电子换向器式直流电动机的性价比确实较传统直流电动机为高。
[0018] 本发明的前景：由于MOS块为(栅极) 电压型控制元件，无论其容量为多大，均可采用统一规格的控制(光耦) 电路， 因而可以集成为一块芯片，其造价便可以大大下降， 控制在16元(以2美元) 左右，相比主电路元件而言，价格甚微。而主电路元件MOS块的价格， 如果将中等容量的电机电压设计在220伏， 采用400伏的MOS块，则价格亦会大大下降，仅为1000伏元件价的一半，这样一来，上述比较结论还可进一步优化。由此可以看出，电子换向电动机不但可以和传统直流电动机相竞争，而且更可以和交流变频调速电动机(系统) 相竞争。
[0019] 本发明的应用范围：小容量可广泛用于诸如变频电冰箱、变频空调机，电动汽车(含摩托车、自行车)以及其他需要调速的家电产品上；中、大容量可在各工业系统中要求大范围、高精度调速的机械上采用；巨型容量，即超过一万千瓦以上大机组上，由于采用MOS块多块并串使用，因而原则上不存在极限容量问题，所以，更具有强大的竞争力。附图说明
[0020] 图1是本发明的电子换向电动机的截面图；图2是本发明的电子换向电动机的电路结构方框图；
图3是电子换向器的主电路图；
图4是换向器电路元件的连接图；
图5是换向器电路的控制电路图；
图6是专用高频电源示意图；
图7是图3中的A区放大图；
图8是图4中的B区放大图；
图9是图5中的C区放大图。
图3是电子换向器的主电路图；
图4是换向器电路元件的连接图；
图5是换向器电路的控制电路图；
图6是专用高频电源示意图；
图7是图3中的A区放大图；
图8是图4中的B区放大图；
图9是图5中的C区放大图。
[0021] 附图标记说明：1-电枢，2-磁极转子，3-高频电磁铁，4-转子动平衡配重，5-电枢元件，6-MOS块，7-高频电源，8-元件位置检测器，9-同步触发器，10-上位控制机，11-CPU，12-RS232，13-选择收发器，14-光隔栅控器，15-D/A，16-A/D，17-SCR控制，18-SCR。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0023] 先看图1，图1展示了电子换向直流电动机的机械结构示意图即本发明的电子换向电动机的截面图，图中电枢1采用48槽结构（以下均基于48槽进行描述，但实际应用中槽数可根据需要进行确定），共4极，单叠右行整距绕组，即Yk=1,Y1=12；磁极转子2做成凸极型，几何中线上放置的是高频电磁铁3。
[0024] 它采用一进一出两个MOS块6反方向并联以代替换向片；将电动机电枢1与磁极转子2的相对位置倒换过来， 电枢绕组的结构放在电枢1上，电枢不动而让磁极转动，电枢元件5直接与外接MOS块6相连；由不动的MOS块6控制其电流换向而不产生火。
[0025] 本发明的电子换向直流电动机的电路结构方框图如图2所示。除上述外，其主要部件还包括高频电源7，元件位置检测器8，9-同步触发器9，上位控制机10， CPU11， RS23212，选择收发器13，光隔栅控器14， D/A15， A/D16， SCR控制17，SCR18等。下面结合图2和图5对主要部件进行说明。
[0026] 1. 光隔栅控器14：它由24个光耦PC817组成,可以分别送出24个+12v栅控电压,分别依次送到电枢元:5所连接的48对即96个MOS块的栅极(如Q1-1、Q13-2……Q48-1、Q12-2等)上去,每次送1个,管两组四个MOS块,6例如Q1-1和Q13-2、Q25-1和Q37-2,由栅控输出端子S1送出。第一个栅控换向脉冲送向第一个处于几何中性线上的元件,例如No1元件,之后,接着第二个栅控换向脉冲送向第二个又来到几何中性线上的元件,例如元件No2，第二个栅控换向脉冲由端子S2送出。如此下去，24个脉冲一次管两组计四个MOS块6,例如Q1-1和Q13-2、Q25-1和Q37-2,共管96个MOS块6,当循环到S24之后,再跳回S1继续循环下去,如此周而复始。至于脉冲循环分送的规律(程序)则由微电脑CPU11来规定和控制。
[0027] 2. 微电脑CPU22及相关环节选用带内部存储器和多I/O口的MCS--51系列芯片87C51,用其主要输出口P1口作栅控换向脉冲控制口,每一轮可依次输出8个脉冲,首先送向选通收发器74LS245的第一块,它又由CPU22的脚P2.0控制选通,选择收发器13经总线输出到第一组8个光隔,控制S1---S8,接着,P2.1选通第二块收发器(先关掉第一块收发器),而它通过总线联的是第二组8个光隔,控制着S9---S18,再下去是P2.2选通第二块收发器(先关掉第二块收发器),控制S19---S24,循环下去又回到S1---S8……,再周而复始。
[0028] 为了构成CPU输出的脉冲控制程序,必须为其采集为构成程序所必不可少的信息,它们是:(ａ)谁现在正处于电机磁极的几何中性线上,这就需要构成一个元件位置检测器8;(ｂ)确保换向触发脉冲都在元件到达中性线上时立即送出,这就需要构成一个换向同步触发器9;(ｃ)还要有一个能随时发出几何中性线标志的专门的传感器,即在磁极几何中性线上设置一个特殊的装置---高频电磁铁3。下面我们就来对这三个信息装置进行说明。
[0029] (1) 高频电磁铁3：它由铁芯和线圈两部分组成，类似一般的电磁铁，不同之处在于：它的线圈通过的是
15khz的高频交流电，铁心则用铁淦氧材料制成，具体形状和结构另行设计。将它固定在磁极转子2的S、N极之间的几何中性线上，为适应转子的动态平衡，在其对称方向处还设置一个完全相同的镜像形转子动平衡配重，配重为非导磁材料制成。高频电磁铁3所需要的高频交流电压(~12v、15khz)由高频电源7供给。当电源接通后，磁铁将在几何中性线处产生高频磁通，该磁通便会在附近的电枢元件5中感生高频电势，以正处在中性线上的元件感生的电势为最大，其它的元件将次之，最大的感应电势超过阈值，经过整形便作为第1个应换向元件的导通控制信号。感应的高频电势可以从每个元件的两端引出。
15khz的高频交流电，铁心则用铁淦氧材料制成，具体形状和结构另行设计。将它固定在磁极转子2的S、N极之间的几何中性线上，为适应转子的动态平衡，在其对称方向处还设置一个完全相同的镜像形转子动平衡配重，配重为非导磁材料制成。高频电磁铁3所需要的高频交流电压(~12v、15khz)由高频电源7供给。当电源接通后，磁铁将在几何中性线处产生高频磁通，该磁通便会在附近的电枢元件5中感生高频电势，以正处在中性线上的元件感生的电势为最大，其它的元件将次之，最大的感应电势超过阈值，经过整形便作为第1个应换向元件的导通控制信号。感应的高频电势可以从每个元件的两端引出。
[0030] (2) 元件位置检测器8：它是由七块编码器74LS148和三块多路转换器74LS151按并行扩展的形式组成的48线---6线优先编码器，并行扩展可以获得较高的编码速度。在此优先编码器中，用一块附加的优先编码器分别对六块初级编码器的输出端ＧＳ进行优先编码，作为高位输出Y4---Y6，再从六块初级编码器中选择优先块的输出作低位输出Y1---Y3。六块初级编码器，每块有
8个输入端，６块共计48个端子，正好通过每一个简单的整流、整形、反向、光耦电路之后接
48个电枢元件的输出端子。而优先编码器的6个输出端则通过P1.0---P1.5送入CPU11，进
6
行十进制编码识别，六根线可识别2=64，这里只用到48。优先编码器的选通由P2.7来完成的。“48---6”优先编码器的用处是：当电动机尚未起动时，电枢1与磁极转子2之间的相对位置是任意的，那一个电枢元件5正好处在磁极几何中性线上，外面(包括CPU11)是无法知道的，而这又是我们起动电动机，首先送那(四)块MOS块6栅控电压所必须知道的，只有首先对正处於几何中性线上的那个元件(组)的MOS块6进行导通，才能获得最大的起动转矩。所以就应用这套专门的电路来采集电枢元件5位置的编号，只有正好处在磁极转子2几何中性线上的元件，感应最大的电势，才能通过斯密脱电路(的鉴幅作用)，到达48：
6检测器的某一输入端，然后又从48：6的输出送到CPU11中去识别，这样CPU11就知道现在是第几号元件正好处在磁极几何中性线上，以便决定首先向它送MOS块6的导通栅控电压。接着，我们再来分析一下“48---6”优先编码器的具体工作原理：设系统初始化时选通端E1均为1，即各初级编码块均被封锁，为等待输入作准备；接着，系统开通，E1=0，并设有一个信号输入(0有效)，例如No1元件正处在几何中性线上，此时74LS148---1的1号输入端(4脚)为0， 於是其优先输出端A=0、B=0、C=0，组合输出端ＧＳ=0，这将使得附加优先编码器74LS148---7的D7=0，A=B=C=0(亦就是Y4=Y5=Y6=0)， 74LS148---7的A=B=C=0反过来又使三块转换器74LS151的输入端均等于0，而选通端E又已接地，於是就使得三块转换器： 74LS151---1： Y1=Z=D0=0； 74LS151---2： Y2=Z=D0=0； 74LS151---3：Y3=Z=D0=0；
结果：整个48：6检测器的总输出为：Y1=Y2=Y3=Y4=Y5=Y6=0，CPU11便会识别为No=0，即No1元件 (软件将自动加1)正处在几何中性线上，应对它所连的MOS块6送栅控电压，使其导通。同理，任何No编号的元件，只要它处于几何中性线上，48：6检测器，亦即“48---6”优先编码器将送出与相应的二进制数，而CPU11使会自动识别其为某个十进制编号：NoX。有时正巧两个元件之间为几何中性线处，此时会出现两个输入，两个编号，可用软件处理：选后一个编号为首送元件编号。48：6检测器实际上就相当于传统电流电动机的电刷定位装置(刷握)，只不过在这里用电子器件来代替罢了。所以，使用它以后，就使本电机元件换向位置上完全和传统直流电动机一样了。顺便还说明一点：48：6检测器只是在电机尚未起动时，即静止状态，用来识别栅压首送元件编号的，一旦电机已正常起动，可由软件将其封闭，以免产生不必要的干扰。在巳经有了首送元件编号之后，换向脉冲循环的方向问题，将由CPU11按软件规定来加以处理：即正转循环方向为1---2---3---4……48---1---2……，反转循环方向为1---48---47---46……2---1---48……。
(3) 同步触发器9：
它由6块8路输入与非门74LS30和3块3路输入与门74LS11构成，其48个输入端并联到48：6的输入端上，唯一的输出端则接到CPU11的P1.7上作为输入， 利用此输入信号的上升前沿去触发换向脉冲。由于此电路实际上是一个多路与非门，只要48路中任何一路有输入，它都将输出一个与输入同步的“1”信号，而48路只有在某个元件到达几何中性线时，才会有输入，而且也只有它才有输入，而此时正是需要送换向脉冲之时，CPU11将恰好于此时，利用此输入信号的上升前沿去触发换向脉冲，使此元件换向，这样，就能造成每个元件都是在抵达几何中性线上时，进行换向。换言之，即造成所有元件的换向时刻均与其抵达几何中性线的时间同步。只有这样，才能使本电动机在工作原理上和传统直流电动机完全一样。48：1同步器是用于电机动态时参数检测的装置，静态下亦可用软件加以封闭，以减少干扰，一旦电机起动，则立即打开，进行采样。至于调速时亦是这样，始终是使换向脉冲的频率与电动机的转速频率保持一致，形成自控型变频换向方式，这是直流电动机换向所必备的条件。
8个输入端，６块共计48个端子，正好通过每一个简单的整流、整形、反向、光耦电路之后接
48个电枢元件的输出端子。而优先编码器的6个输出端则通过P1.0---P1.5送入CPU11，进
6
行十进制编码识别，六根线可识别2=64，这里只用到48。优先编码器的选通由P2.7来完成的。“48---6”优先编码器的用处是：当电动机尚未起动时，电枢1与磁极转子2之间的相对位置是任意的，那一个电枢元件5正好处在磁极几何中性线上，外面(包括CPU11)是无法知道的，而这又是我们起动电动机，首先送那(四)块MOS块6栅控电压所必须知道的，只有首先对正处於几何中性线上的那个元件(组)的MOS块6进行导通，才能获得最大的起动转矩。所以就应用这套专门的电路来采集电枢元件5位置的编号，只有正好处在磁极转子2几何中性线上的元件，感应最大的电势，才能通过斯密脱电路(的鉴幅作用)，到达48：
6检测器的某一输入端，然后又从48：6的输出送到CPU11中去识别，这样CPU11就知道现在是第几号元件正好处在磁极几何中性线上，以便决定首先向它送MOS块6的导通栅控电压。接着，我们再来分析一下“48---6”优先编码器的具体工作原理：设系统初始化时选通端E1均为1，即各初级编码块均被封锁，为等待输入作准备；接着，系统开通，E1=0，并设有一个信号输入(0有效)，例如No1元件正处在几何中性线上，此时74LS148---1的1号输入端(4脚)为0， 於是其优先输出端A=0、B=0、C=0，组合输出端ＧＳ=0，这将使得附加优先编码器74LS148---7的D7=0，A=B=C=0(亦就是Y4=Y5=Y6=0)， 74LS148---7的A=B=C=0反过来又使三块转换器74LS151的输入端均等于0，而选通端E又已接地，於是就使得三块转换器： 74LS151---1： Y1=Z=D0=0； 74LS151---2： Y2=Z=D0=0； 74LS151---3：Y3=Z=D0=0；
结果：整个48：6检测器的总输出为：Y1=Y2=Y3=Y4=Y5=Y6=0，CPU11便会识别为No=0，即No1元件 (软件将自动加1)正处在几何中性线上，应对它所连的MOS块6送栅控电压，使其导通。同理，任何No编号的元件，只要它处于几何中性线上，48：6检测器，亦即“48---6”优先编码器将送出与相应的二进制数，而CPU11使会自动识别其为某个十进制编号：NoX。有时正巧两个元件之间为几何中性线处，此时会出现两个输入，两个编号，可用软件处理：选后一个编号为首送元件编号。48：6检测器实际上就相当于传统电流电动机的电刷定位装置(刷握)，只不过在这里用电子器件来代替罢了。所以，使用它以后，就使本电机元件换向位置上完全和传统直流电动机一样了。顺便还说明一点：48：6检测器只是在电机尚未起动时，即静止状态，用来识别栅压首送元件编号的，一旦电机已正常起动，可由软件将其封闭，以免产生不必要的干扰。在巳经有了首送元件编号之后，换向脉冲循环的方向问题，将由CPU11按软件规定来加以处理：即正转循环方向为1---2---3---4……48---1---2……，反转循环方向为1---48---47---46……2---1---48……。
(3) 同步触发器9：
它由6块8路输入与非门74LS30和3块3路输入与门74LS11构成，其48个输入端并联到48：6的输入端上，唯一的输出端则接到CPU11的P1.7上作为输入， 利用此输入信号的上升前沿去触发换向脉冲。由于此电路实际上是一个多路与非门，只要48路中任何一路有输入，它都将输出一个与输入同步的“1”信号，而48路只有在某个元件到达几何中性线时，才会有输入，而且也只有它才有输入，而此时正是需要送换向脉冲之时，CPU11将恰好于此时，利用此输入信号的上升前沿去触发换向脉冲，使此元件换向，这样，就能造成每个元件都是在抵达几何中性线上时，进行换向。换言之，即造成所有元件的换向时刻均与其抵达几何中性线的时间同步。只有这样，才能使本电动机在工作原理上和传统直流电动机完全一样。48：1同步器是用于电机动态时参数检测的装置，静态下亦可用软件加以封闭，以减少干扰，一旦电机起动，则立即打开，进行采样。至于调速时亦是这样，始终是使换向脉冲的频率与电动机的转速频率保持一致，形成自控型变频换向方式，这是直流电动机换向所必备的条件。
[0031] 由于采用了48：6和48：1这两个特殊环节，我们便彻底解决了电机电枢元件5正确换向的地点和时间问题，使得本电机具有和传统直流电动机完全一样的工作原理和性能，那么，所有传统直流电动机的特性和参数以及各种计算和使用方法、应用范围等等，都完全可适用于本种电动机，这也是本种电动机有别于其他各种各样无换向器式电动机的地方。
[0032] 3.运行参数输入与输出环节：此处共有三个环节， 即i、运行参数给定器； ii、电枢电流反馈器；iii、电流PI调节输出器。
[0033] i、运行参数给定器：为了实现准确的运行参数的给定， 采用数字输入， 即由上位控制机10电脑通过RS232 12标准接口， 向CPU11输入参数数字， 可以通过软件进行处理。RS232 12口用的是单电源型， 由+5v供电。
[0034] ii、电枢电流反馈器：为了对电枢电流进行软件型PI调节， 必须对电流实施实时数字采样， 所以采用了A/D16接口单元。由于节省CPU11引脚， 采用的是串行A/D16---TLC0831C， 使用的时钟频率为1M， 由CPU11的ALE脚提供， 参考电压Uref=2.5v， 通过采样分流器Ra， 电流信号从in+和in-输入TLC0831C， 然后以数字形式从DO脚输出到CPU11的中断输入端， 在CPU11内进行电枢电流软件型PI调节。由于A/D16为8位， 采样精度为2 =256， 即1/256。
[0035] iii、电流PI调节输出器： 经CPU11软件PI调节处理后， 对电枢电流进行调整的输出量， 将由P2.7送到D/A15的DATA脚， 经D/A15变换后再由脚DACA输出到SCR18的控制电路中去， 对SCR18的输出电压进行调节， 直到电枢电流保持恒值为止。D/A15采用的也是8位串行型TCL5620， 时钟信号亦由CPU11的ALE脚提供， 频率1M， 参考电压Uref=4.5v。D/A15转换器的输入端DATA连到CPU11的P2.7脚， 系统初始化后，此脚为高电平，故通过一个反向器接通，DATA平时便为低电平， 转换器的输出端取一路， 即DACA， 输出4.5v以内的直流调节电压。转换器还有两个控制端， 一个是DAC寄存器的加载LDAC， 它与CPU11的P2.6脚相连； 另一个是串口输出控制LOAD， 它与CPU11的P2.5脚相连。前者的功能是： 当其信号为高时， DAC寄存器不进行刷新(维持原有数据)， D/A15只是从CPU11中，把串行数据一个一个地读到输入寄存器(A)中来变成并行数据，并加以锁存，一旦其信号变低(由CPU11通过P2.6控制) 后，DAC寄存器才进行刷新；后者的作用则是：当其为高电平时，DAC寄存器不刷新(维持原有数据)，只有到LOAD信号由高变低(由CPU11的P2.5控制)时，才利用信号的下降沿，把并行数据从A寄存器中读到DAC寄存器(B)中并加以锁存(即刷新寄存器B)， 与此同时，把锁存数据对应的模拟电压送到DACA输出端。
[0036] 除了上述三个单元电路之外，还有一个隐藏型环节，在这里特别加以说明，那就是电动机系统的转速PI调节环节。由于系统里已经有了48：1同步器，它的脉冲是动态的，其单位时间内的个数除以48(槽数)，恰好便是电动机的转速，所以，转速反馈已是现成，不需另外采集，而时钟又可从CPU11的主频中分频得到，也不必外输。这样一来，只要使用软件处理，便可以实现电机的转速PI调节，达到恒速运行的目的。
[0037] 4.专用高频电源7：用来给磁极转子上的高频电磁铁供电， 如图6所示，是一个标准的晶体振荡高频电路，频率为15k，电源电压为+12v，输出交流电压为5V，输出功率为40W。其结构分三个部份： 晶体振荡级、电压放大级、功率放大级等。之所以采用乙类推挽放大，是希望提高输出功率的缘故。
[0038] 结合图2与图3、图4可见本发明的电枢绕组的结构和传统直流电动机完全一样，只不过放在定子上而已，所以其展开图就和传统直流绕组一样，从头至尾封闭。
[0039] 其中，图7为图3的A区放大图，图8为图4中的B区放大图，图3中的其余区域，与A区类似，只是元件编号不同，本领域技术人员通过图7展示的A区的放大图，可以知道其它区域的所有结构。同理，图4中的其余区域，与B区类似，只是元件编号不同，本领域技术人员通过图8展示的B区的放大图，可以知道其它区域的所有结构。
[0040] 电枢1按48槽设计，每个绕组元件也伸出一个端头，序号也从1---48，唯一不同的是不接到换向片上，而是接到一对反向并联的MOS块6上,再经MOS块6接到直流电压上去，按极性顺向连接。直流电压由三相交流电压经SCR18提供，利用SCR控制17来控制SCR18的导通角，便可调节直流电压的大小。MOS块6的饱和全导通是通过对其输入足够的栅极电来达到的，截止则撤銷其栅控电压。由于是整距绕组，与传统电机安置电刷一样,位于几何中性线处元件必须换向，即:电流从No1元件的上层进，串联N极下13个元件之后，从No13元件的下层出。由于是两对极，第二对极面下则是:电流从No25元件的上层进，串联N极下13个元件之后，从No37元件的下层出。只要正确而有效地控制接在这几组元件端子上的MOS块6的栅压,也就是说，仅对MOS块6 Q1-1、Q13-2、Q25-1、Q37-2供给栅压,令其饱和导通,而其余所有的MOS块6均保持截止。这样，便可以得到No1元件，---No13元件、No25元件---No37元件、No48元件--No36元件、No24元件---No12元件等四条并联支路，这和传统直流机没有什么区别。电机磁极开始向右旋转,很快1元件，便会转到S极下，为保持其受力方向不变，则必须改变其电流方向，即必须马上换向，措施是:立即将Q1-1和Q13-2，截止，代之以Q2-1和Q14-2导通，这样一来，元件1中的电流，只有从下层边进上层边出，即换了向。此原则亦可用于No25元件,即Q25-1和Q37-2截止，代之以Q26-1和Q38-2导通，No25元件中的电流也会换向。这个原则的特点是:谁到达几何中性线上谁导通,谁离开谁截止，以便让离开的元件换向。这和传统直流机的换向原则:谁到达正电刷处(几何中性线上)谁接电(正电压),谁离开谁换向完全一样。只不过本发明用MOS块6来代替换向片。需要注意的是接在同一元件端子处的一对MOS块6绝不能同时导通,否则形成电源短路，这在控制电路设计时应充分考虑,以保证主电路的绝对可靠性。
[0041] 看图5，图5展示了本发明的换向器电路的控制电路图。另外，图9展示了图5中的C区放大图，图5中C区是其核心部分，其余的部分为常规电路连接，本领域技术人员从图5中展示的内容是完全清楚的。从图5和图9展示的内容可知，本发明的换向器电路其核心为电脑CPU11(例如MCS87C51)，其第一个输出口P0.0---P0.7作为控制48对MOS块6栅极的信号输出端，由于是两对极，同时导通的是两对支路，因此，只需要24个栅控信号，采用三块74LS245收发器，分三次分别选通，每次分送8个信号，三次便可以分送24个栅控信号。信号按元件编号、指定循环方向，一个接一个地分送，24个完毕又从头开始继续分送，循环不已。为隔离干扰和耦合栅控电压，每个输出端均使用单独的光耦器(PC817)。收发器的选通，由CPU11的第2个I/O口的P2.0---P2.2控制。为了反映那一个电枢元件正处于几何中性线上(或物理中性线上，为便于叙述，以下均按处于几何中性线来进行讨论，专门设计了位置检测器，它由7块优先编码器74LS148和3块多路转换器共同构成48：6的专门电路，有48个输入端和6个输出端，前者(图9中U1-2或U2-3)通过每一个简单的整流、整形、反向、光耦电路之后，接到48个电枢元件端，后者接到CPU11的P1.0---P1..5，用以识别正处于几何中性线上元件的编号。在转子几何中性线上，安置一个特殊设计的高频电磁铁3，其产生之磁链，将在对应处的电枢元件内感生一个高频电势，以正处于中性线上的元件感应电势为最大，经整流后通过斯密脱电路变成负脉冲电平，再经反向后，以正电平方式推动光耦，最后以“0”信号型式输向48：6检测器。此元件编号由CPU11识别后，放入某寄存器，作为换向触发脉冲首送地址。为了使得元件严格地在中性线上换向，还专门设计了换向同步触发器9，它由6块多路输入与非门74LS30和3块多路输入与门74LS11构成，其48个输入端并联到48：6的输入端上，唯一的输出端则接到CPU11的P1.6上，当表示元件到达几何中性线上时的负脉冲出现时，此48：1电路将向P1.6送出“1”信号，CPU11便会利用此信号的前沿作为输出换向信号的时间，送出换向触发信号，从而达到换向严格同步的目的。此外，为了使电枢电流在起动过程中保持恒值，从而达到恒加速起动，CPU11还对电枢电流进行了电流反馈PI调节，使用串行A/D16和D/A15作为调节量的输入和输出。至于电机输出转矩(电流)和转速的给定值，则由上位控制机10(电脑)经RS232 12由CPU的串口输入。为了保证电机的转速稳定，还利用48：1得到的信号，经软件折算成转速，作为转速反馈输入，再在CPU11中进行转速PI调节，亦通过D/A15对SCR18的输出电压进行作用，调节转速保持恒值。至于转子上的高频(15khz)电磁铁的电流，将由专门的高频电源7供给。
[0042] 本发明的电子换向器式电动机的电源采用一般标准的三相全桥SCR可控电源，有一点需要注意，即在连接SCR控制电路时，应将本发明的电动机的D/A输出，与该控制电路相吻合，以便对电动机进行必要的反馈控制。
[0043] 实施例1：本发明的电子换向器式直流电动机的正规工作程序如下：
1.准备(即电脑系统的初始化)：
a： CPU11各输出口均置” 1”， 各寄存器清0， 保证系统无MOS块6栅控电压输出，即所有的MOS块6均不导通；
b： RS232 12输入必须为0，保证SCR控制17给定为0，以保证电机供电电压为0；
c： 各附加单元的工作开关均置于“关断” 状态。
1.准备(即电脑系统的初始化)：
a： CPU11各输出口均置” 1”， 各寄存器清0， 保证系统无MOS块6栅控电压输出，即所有的MOS块6均不导通；
b： RS232 12输入必须为0，保证SCR控制17给定为0，以保证电机供电电压为0；
c： 各附加单元的工作开关均置于“关断” 状态。
[0044] 2.正方向(例如转子为顺时针方向旋转) 起动：a： 合上各有关单元的电源开关，作好起动的准备；
b： 由RS232 12输入起动指令：转向----正向为”1”，反向为”0”，负载电流值，起动电流值， 负载要求达到的转速值；
c：CPU11将根据输入数据， 做好以下工作：
根据负载转速、起动电流值， 决定SCR18输出直流电压的数值， 并通过D/A15和控制电压实现之。
b： 由RS232 12输入起动指令：转向----正向为”1”，反向为”0”，负载电流值，起动电流值， 负载要求达到的转速值；
c：CPU11将根据输入数据， 做好以下工作：
根据负载转速、起动电流值， 决定SCR18输出直流电压的数值， 并通过D/A15和控制电压实现之。
[0045] 从48：6位置检测器中，读取当前正处于几何中性线上的元件编号， 作为首个接受换向触发脉冲的元件。
[0046] 确定换向脉冲循环的方向：正向，取数N1=n+1，即从1→2→3→4……48→1，设置增量计数器，反向，取数N0=n-1， 即从1→48→47→46→45……2→1，设置减量计数器。
[0047] d： 根据48：1同步器发送来的信号，从首个接受换向触发脉冲的元件开始，发送换向脉冲，使首个编号元件组导通(两对极面下共有四组，即四条支路并联导通)，电枢流过电流，电动机产生转矩，开始转动，即正向起动。
[0048] e： 由CPU11指挥，按循环方向，再利用48：1来的信号前沿，一个接一个地对电枢元件组进行换向，这样，电动机会加速直至负载所要求的转速，并在此转速下，继续稳定地进行循环的元件换向，稳速运转。
[0049] f：为了保证电动机起动时的电流不致超过设定的允许值，采用调整供电整流可控硅SCR18控制角的办法，控制直流电压的大小来达到，并逐步增大，以保持恆电流(转矩)起动，使电动机迅速起动起来3. 反方向起动 ：
情况与正方向起动基本上相同， 只是在RS232 12输入时指定为反方向， 即方向指令为“0” ， 其余过程一样。脉冲循向由CPU11根据方向指令自会确定。
情况与正方向起动基本上相同， 只是在RS232 12输入时指定为反方向， 即方向指令为“0” ， 其余过程一样。脉冲循向由CPU11根据方向指令自会确定。
[0050] 4.调速：改变SCR 18输出的直流电压数值， 即可以调节电动机的转速， 这和传统直流电动机没有什么两样。SCR18输出的改变，是通过RS232 12输入调速指令， 改变转速给定值来达到的。至于换向问题， 由于有48：1同步器，完全可以保证在速度改变的情况下，换向脉冲与需要换向的元件持续地同步。
[0051] 5.制动：指的是自由停车，由RS232 12输入停车指令，先使换向脉冲全部封死，即无MOS块6栅控电压输入，所有的MOS块6都截止， 然后， 使SCR18也截止，电动机将在无电压情况下，自由停车。
[0052] 6.恒加速起动问题：为使传动系统在最短时间内加速到稳定转速，利用软件程序， 对电动机进行电流PI调节，保持起动电流为恒值，这样，就可以保持恒起动转矩进行加速，待转速接近给定值的
95%时(由48：1同步器送来的信号与CPU11内部时钟相计算后，得出实时转速数值，即同步器又成为转速传感器)，由CPU11发出稳速指令，相应减少SCR输出的直流电压，使电动机加速度降低，直至转速稳定在给定值为止。
95%时(由48：1同步器送来的信号与CPU11内部时钟相计算后，得出实时转速数值，即同步器又成为转速传感器)，由CPU11发出稳速指令，相应减少SCR输出的直流电压，使电动机加速度降低，直至转速稳定在给定值为止。
[0054] 上述6、7两种最佳调节，均在电动机一体内自动完成，不需另加元件。因此，本电动机在性能上已是最佳性能调节电动机，不象传统直流电动机，仅仅是一个简单的转动的能量转换器，而是一个已经具备自动调节达到最佳运行状态的自动机了。
[0055] 当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。
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