電子飛行器用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制
摘要：
綜述了無(wú)刷直流電機(jī)用于航空領(lǐng)域的無(wú)位置傳感器控制方法，詳細(xì)介紹了先選的、低成本的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制器的研發(fā)、測(cè)試結(jié)果及評(píng)估。電機(jī)控制采用檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)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(jī)的可靠性、容錯(cuò)性、功率密度及性能，采用ASIC（專(zhuān)用集成電路）進(jìn)行控制。
關(guān)鍵詞：無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)；反電動(dòng)勢(shì)；功率密度
1 引言
無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及高功率密度的特點(diǎn)使之更適用于實(shí)際的飛行控制運(yùn)動(dòng)、液壓及燃料泵和許多其它實(shí)用的場(chǎng)合。最為重要的是，現(xiàn)今以來(lái)，隨著用電力電子設(shè)備替代液壓傳動(dòng)及氣壓裝置的發(fā)展，大量的研究及開(kāi)發(fā)工作集中到電子飛行器方面的先進(jìn)電機(jī)控制器的研究上。
無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般需要傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。位置傳感器的使用會(huì)增加一定的成本并降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。理論上，以下四種方法可以檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的控制：
1．電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)
2．定子的三次諧波分量
3 續(xù)流二極管的導(dǎo)電間隔與開(kāi)關(guān)電源裝置反并聯(lián)連接
4．端電壓和電流及解電機(jī)方程
這個(gè)項(xiàng)目始于2001年，很多公司對(duì)這次研發(fā)予以支持并提供了贊助經(jīng)費(fèi)。采用無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控剖方法，用于工業(yè)及航空樣機(jī)應(yīng)用中，基于Fairchild公司ASIC（專(zhuān)用集成電路）芯片ML4425技術(shù)。此次項(xiàng)目研究的總結(jié)如下所述，特別詳細(xì)說(shuō)明了分馬力無(wú)刷電機(jī)的空載和滿(mǎn)載啟動(dòng)及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過(guò)程�；贏SIC的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制器部分已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)重新設(shè)計(jì)功率區(qū)域，可以用于更大功率的裝置中。
2 無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估算
最近，F(xiàn)airchjld公司又引入了一個(gè)COTSASIC芯片ML4425技術(shù)，從而為無(wú)刷直流電機(jī)提供了一個(gè)單芯片無(wú)位置傳感器速度控制的新方法。這種ASIC（專(zhuān)用集成電路）的技術(shù)由一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)作為位置傳感器、單芯片vc0（壓控振蕩器）、一個(gè)邏輯序列發(fā)生器及一個(gè)鎖相環(huán)組成，從而極大地簡(jiǎn)化了無(wú)刷直流電機(jī)的控制。ASIC還提供了一個(gè)芯片閘和電源故障檢測(cè)器。對(duì)于低于80伏的直流總線電壓而言，它們可以直接驅(qū)動(dòng)外部P和N溝道的MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。具有恒定關(guān)斷時(shí)間的PWM控制環(huán)由內(nèi)置放大器控制，從而限制電機(jī)的故障電流。 ML4425的轉(zhuǎn)子位置估算是根據(jù)電機(jī)相反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)進(jìn)行的。在一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，三個(gè)相中只有兩相在任意瞬時(shí)被勵(lì)磁，詳見(jiàn)圖1。
反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)可以通過(guò)未激勵(lì)相繞組獲得，反電動(dòng)勢(shì)的相位角取決于轉(zhuǎn)子位置。因此轉(zhuǎn)子位置可以通過(guò)檢測(cè)它與反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)間接獲得，這樣，可以獲得相位換向控制信號(hào)。反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)器采用ML4425芯片。如圖2所示，三相電壓信號(hào)通過(guò)多路器與由中性模擬器產(chǎn)生的電勢(shì)相比較來(lái)提供一個(gè)變換信號(hào)。
多路器與信號(hào)變換器一起由換向邏輯單元控制，從而確保在相繞組激勵(lì)周期中放大器產(chǎn)生相應(yīng)的相電壓。信號(hào)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(gè)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(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置的換向邏輯檢測(cè)信號(hào)。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(huì)在測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)和換向控制信號(hào)中，由于相位角的移動(dòng)變化而發(fā)生改變。vc0產(chǎn)生的換向控制信號(hào)頻率將會(huì)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(shí)現(xiàn)。ML4425 ASIC結(jié)構(gòu)的部件原理圈如圖3所示�？梢愿鶕�(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)選擇外圍電路。
當(dāng)電機(jī)在停止或低速運(yùn)轄時(shí)，PLL因無(wú)法感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)將停止工作，所以電機(jī)必須在開(kāi)環(huán)控制時(shí)啟動(dòng)。而且在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子必須在一個(gè)預(yù)定的位置。芯片初次通電源時(shí)，ML4425被重設(shè)成一個(gè)特殊的定位模式。定位模式開(kāi)啟了輸出驅(qū)動(dòng)器LB和HA、HC，它們是在第一次換向狀態(tài)的中心將電機(jī)定位成30度電角度。詳情見(jiàn)換向狀態(tài)表1中的R狀態(tài)。定位模式的時(shí)間由一個(gè)連接在Cm管腳上的電容器設(shè)置。選取適當(dāng)?shù)腃。值可以確保電機(jī)和其負(fù)載開(kāi)始在R位置，如表l所示。
在定位模式結(jié)束時(shí)，控制器進(jìn)入斜升模式。斜升模式從狀態(tài)A到狀態(tài)F開(kāi)始換向，如表l所示。這加大了在固定時(shí)間內(nèi)的換向頻率和電機(jī)速度的下滑，迫使電機(jī)達(dá)到一個(gè)足夠的速度使反電動(dòng)勢(shì)采樣器對(duì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)鎖定換向。
在斜升模式結(jié)束后，控制器迅速進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)模式。在這種模式下，被激勵(lì)的反電動(dòng)勢(shì)和換向信號(hào)在鎖相環(huán)的控制下電機(jī)速度由閉環(huán)速度調(diào)整。閉環(huán)速度控制是通過(guò)在“管腳8”設(shè)置速度命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中的“速度設(shè)置”如圖3所示，它是由框線包圍起來(lái)的區(qū)域。速度命令的精度是由外置元件Rvco和Cvco決定的�？刂芃L4425的速度命令有很多種方法。一種方法是：使用一個(gè)來(lái)自VRE，的lOk的電位計(jì)與接在“管腳8”和“速度設(shè)置”上的滑動(dòng)片接地。如果“速度設(shè)置”是由微控制器控制的話，內(nèi)外DAC“數(shù)模轉(zhuǎn)換器”可以和VREF一起用作輸人參考值。指令速度能與源自“管腳20”的通過(guò)“跨導(dǎo)誤差信號(hào)放大器”的“感應(yīng)速度”、”速度反饋”相比擬。“誤差信號(hào)放大器”的輸出端是“管腳5”和“速度比較指令”。“速度比較指令”上的電壓與斜升振蕩器相比擬可以制造一個(gè)PWM脈沖調(diào)制循環(huán)周期。這個(gè)PWM脈沖調(diào)制循環(huán)周期最終決定了電機(jī)的速度。
3電路設(shè)計(jì)
3.1 ML4425控制電路
控制電路圖如圖4所示：
3.2接口及IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
功率逆變器采用型號(hào)為CPV364M4F的IGBT模塊。接口及門(mén)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)M L4425的輸出值及IGBT模塊的要求進(jìn)行的。
4 測(cè)試
4.1高速運(yùn)行
為了確保無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的正常工作，無(wú)刷壹流電動(dòng)機(jī)采用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器。這些信號(hào)僅僅是用于在不同條件下監(jiān)控速度和確保正常運(yùn)行的輔助信號(hào)。圖6展示了無(wú)刷贏流電機(jī)的相電壓VAB、霍爾A、霍爾B的波形，電機(jī)VAB的波形顯示額定速度為12000rpm左右。VAB、霍爾A、霍爾B霍爾C的滿(mǎn)載波形如圖7所示。
上位驅(qū)動(dòng)HA，霍爾A，霍爾B和霍爾C在高速空載條件下的波形如圖8所示。IGBT門(mén)驅(qū)動(dòng)  �；魻栃�(yīng)信號(hào)僅僅用來(lái)表示在所有運(yùn)行條件下通過(guò)無(wú)傳感器方法正常產(chǎn)生一個(gè)門(mén)電路信號(hào)。HA，霍爾A，霍爾B和霍爾C的滿(mǎn)載波形如圖9所示。圖8及圖9的波形表明，在高速運(yùn)行時(shí)其控制精度的效果是令人滿(mǎn)意的。 4 2低速運(yùn)行
電機(jī)在空載、低速條件下運(yùn)行VAB、HA，霍爾A，霍爾B和霍爾C的波形如圖10所示。電機(jī)在滿(mǎn)載、低速條件運(yùn)行下VAB、HA，霍爾A，霍爾B和霍爾C的波形如圖11所示。
HA、霍爾A，霍爾B和霍爾C的空載低速波形如圖12所示。HA、霍爾A，霍爾B和霍爾C的滿(mǎn)載低速波形如圖13所示。
圖14所示的是VAB、霍爾A，霍爾B和霍爾C在電機(jī)起動(dòng)時(shí)的空載條件下的波形圖。圖15所示的是VAB、霍爾A，霍爾B和霍爾C在電機(jī)起動(dòng)時(shí)的滿(mǎn)載條件下的波形圖。
無(wú)刷直流電機(jī)控制器的樣機(jī)(達(dá)2kw)如圖l6、17所示。我們認(rèn)為小型化設(shè)計(jì)使之成為2×4×2英寸、功率2kw的無(wú)刷直流電機(jī)是可行的。另外，隨著ASIC技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以預(yù)計(jì)會(huì)有不同的供應(yīng)商提供相同功能、經(jīng)過(guò)鑒定并能勝任航空領(lǐng)域的環(huán)境要求ASIC電機(jī)控制芯片。
5結(jié)論
這項(xiàng)研發(fā)項(xiàng)目得到很多公司的贊助，具體包括電機(jī)開(kāi)發(fā)、樣機(jī)試驗(yàn)以及評(píng)估。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高可靠性的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制器能應(yīng)用在航空應(yīng)用領(lǐng)域。文中介紹了基于ASIC的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制器，ASIC的標(biāo)準(zhǔn)化將更容易用于更大功率的應(yīng)用中。
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