電子飛行器用無刷直流電動機無位置傳感器控制
摘要：
綜述了無刷直流電機用于航空領(lǐng)域的無位置傳感器控制方法，詳細介紹了先選的、低成本的無位置傳感器無刷直流電機控制器的研發(fā)、測試結(jié)果及評估。電機控制采用檢測反電動勢的方法，而不是利用轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器。為了提高電機的可靠性、容錯性、功率密度及性能，采用asic（專用集成電路）進行控制。
關(guān)鍵詞：無傳感器無刷直流電機；反電動勢；功率密度
1 引言
無刷直流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及高功率密度的特點使之更適用于實際的飛行控制運動、液壓及燃料泵和許多其它實用的場合。最為重要的是，現(xiàn)今以來，隨著用電力電子設(shè)備替代液壓傳動及氣壓裝置的發(fā)展，大量的研究及開發(fā)工作集中到電子飛行器方面的先進電機控制器的研究上。
無刷直流電機驅(qū)動一般需要傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置。位置傳感器的使用會增加一定的成本并降低驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。理論上，以下四種方法可以檢測無刷直流電機的控制：
1．電機的反電動勢
2．定子的三次諧波分量
3 續(xù)流二極管的導電間隔與開關(guān)電源裝置反并聯(lián)連接
4．端電壓和電流及解電機方程
這個項目始于2001年，很多公司對這次研發(fā)予以支持并提供了贊助經(jīng)費。采用無位置傳感器無刷直流電機控剖方法，用于工業(yè)及航空樣機應(yīng)用中，基于fairchild公司asic（專用集成電路）芯片ml4425技術(shù)。此次項目研究的總結(jié)如下所述，特別詳細說明了分馬力無刷電機的空載和滿載啟動及穩(wěn)態(tài)運行的過程�；赼sic的無位置傳感器無刷直流電機的控制器部分已經(jīng)標準化，通過重新設(shè)計功率區(qū)域，可以用于更大功率的裝置中。
2 無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估算
最近，fairchjld公司又引入了一個cotsasic芯片ml4425技術(shù)，從而為無刷直流電機提供了一個單芯片無位置傳感器速度控制的新方法。這種asic（專用集成電路）的技術(shù)由一個反電動勢作為位置傳感器、單芯片vc0（壓控振蕩器）、一個邏輯序列發(fā)生器及一個鎖相環(huán)組成，從而極大地簡化了無刷直流電機的控制。asic還提供了一個芯片閘和電源故障檢測器。對于低于80伏的直流總線電壓而言，它們可以直接驅(qū)動外部p和n溝道的mosfet（金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管）。具有恒定關(guān)斷時間的pwm控制環(huán)由內(nèi)置放大器控制，從而限制電機的故障電流。 ml4425的轉(zhuǎn)子位置估算是根據(jù)電機相反電動勢檢測進行的。在一個無刷直流電機運行的過程中，三個相中只有兩相在任意瞬時被勵磁，詳見圖1。
反電動勢信號可以通過未激勵相繞組獲得，反電動勢的相位角取決于轉(zhuǎn)子位置。因此轉(zhuǎn)子位置可以通過檢測它與反電動勢的過零點間接獲得，這樣，可以獲得相位換向控制信號。反電動勢檢測器采用ml4425芯片。如圖2所示，三相電壓信號通過多路器與由中性模擬器產(chǎn)生的電勢相比較來提供一個變換信號。
多路器與信號變換器一起由換向邏輯單元控制，從而確保在相繞組激勵周期中放大器產(chǎn)生相應(yīng)的相電壓。信號變換器、放大器、低通濾波器（不包括芯片上）、電壓／頻率壓控振蕩器及換向邏輯單元產(chǎn)生如圖2所示的鎖相環(huán)pll方框圖。
在正常工作中，低通濾波器中的放大器輸出一個平穩(wěn)的直流電壓到vc0壓控振蕩器上，這樣就產(chǎn)生了一個相應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置的換向邏輯檢測信號。如果轉(zhuǎn)子速度由于某些原因而減小或增加，vc0的輸入電壓將會在測到的反電動勢和換向控制信號中，由于相位角的移動變化而發(fā)生改變。vc0產(chǎn)生的換向控制信號頻率將會得到相應(yīng)的調(diào)整。因此，閉環(huán)位置的控制由pll鎖相環(huán)路實現(xiàn)。ml4425 asic結(jié)構(gòu)的部件原理圈如圖3所示�？梢愿鶕�(jù)無刷直流電機的系統(tǒng)參數(shù)選擇外圍電路。
當電機在停止或低速運轄時，pll因無法感應(yīng)反電動勢信號將停止工作，所以電機必須在開環(huán)控制時啟動。而且在電機起動時，轉(zhuǎn)子必須在一個預(yù)定的位置。芯片初次通電源時，ml4425被重設(shè)成一個特殊的定位模式。定位模式開啟了輸出驅(qū)動器lb和ha、hc，它們是在第一次換向狀態(tài)的中心將電機定位成30度電角度。詳情見換向狀態(tài)表1中的r狀態(tài)。定位模式的時間由一個連接在cm管腳上的電容器設(shè)置。選取適當?shù)腸。值可以確保電機和其負載開始在r位置，如表l所示。
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