電子飛行器用無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制
摘要：
綜述了無刷直流電機(jī)用于航空領(lǐng)域的無位置傳感器控制方法，詳細(xì)介紹了先選的、低成本的無位置傳感器無刷直流電機(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（專用集成電路）進(jìn)行控制。
關(guān)鍵詞：無傳感器無刷直流電機(jī)；反電動(dòng)勢(shì)；功率密度
1 引言
無刷直流電機(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，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。
無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般需要傳感器來檢測(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)。采用無位置傳感器無刷直流電機(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)說明了分馬力無刷電機(jī)的空載和滿載啟動(dòng)及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過程。基于asic的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制器部分已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，通過重新設(shè)計(jì)功率區(qū)域，可以用于更大功率的裝置中。
2 無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估算
最近，fairchjld公司又引入了一個(gè)cotsasic芯片ml4425技術(shù)，從而為無刷直流電機(jī)提供了一個(gè)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(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)無刷直流電機(jī)運(yùn)行的過程中，三個(gè)相中只有兩相在任意瞬時(shí)被勵(lì)磁，詳見圖1。
反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)可以通過未激勵(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)子位置可以通過檢測(cè)它與反電動(dòng)勢(shì)的過零點(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)通過多路器與由中性模擬器產(chǎn)生的電勢(shì)相比較來提供一個(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。可以根據(jù)無刷直流電機(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)腸。值可以確保電機(jī)和其負(fù)載開始在r位置，如表l所示。
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