郝英俊，吳武軍，萬少松

(1西京學(xué)院，陜西西安 710000；

2陜西藍(lán)鷹航空電器有限公司，陜西西安 710000)

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某型無人機(jī)起發(fā)電機(jī)位置檢測電路設(shè)計(jì)

郝英俊1，吳武軍2，萬少松3

(1西京學(xué)院，陜西西安 710000；

2陜西藍(lán)鷹航空電器有限公司，陜西西安 710000)

摘要從某型無人機(jī)起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種針對電機(jī)三相六狀態(tài)運(yùn)行而使用的位置檢測電路，并對電路各器件的功能做了介紹，設(shè)計(jì)出了切實(shí)可行的應(yīng)用電路，仿真實(shí)驗(yàn)和具體應(yīng)用實(shí)例分析證明了電路的實(shí)用性和可靠性。

關(guān)鍵詞起發(fā)電機(jī)；位置檢測；霍爾傳感器

0引言

某型無人機(jī)起發(fā)電機(jī)采用永磁無刷直流電機(jī)，設(shè)計(jì)功率為1.5kW，其具有起動/發(fā)電兩種功能。起發(fā)電機(jī)起動時由起動控制箱控制，起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定起動轉(zhuǎn)速(nN起動=1000r/min)，無人機(jī)發(fā)動機(jī)起動且運(yùn)行平穩(wěn)后，斷開與起動控制箱的供電連接；其后，起發(fā)電機(jī)由無人機(jī)發(fā)動機(jī)拖動，完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，向機(jī)載設(shè)備提供穩(wěn)定電源。起發(fā)電機(jī)體積小，設(shè)計(jì)功率密度高，機(jī)構(gòu)緊湊，其位置傳感器選型、安裝位置的分布、驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)等是起動設(shè)計(jì)的瓶頸。

起發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照類似規(guī)格的交流同步電機(jī)，需要通過實(shí)時感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置來控制電樞繞組的導(dǎo)通順序以保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子的位置檢測在起發(fā)電機(jī)中起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)如今的轉(zhuǎn)子位置檢測方法主要分為兩種：位置傳感器法和無位置傳感器法。在起發(fā)電機(jī)位置檢測中使用位置傳感器法，位置檢測傳感器采用體積小、靈敏度高的霍爾式磁敏元件為信號感應(yīng)裝置。

1霍爾位置傳感器

霍爾位置傳感器主要包括霍爾電勢生成器、差分放大器、施密特觸發(fā)器和集電極開路輸出四個部分。

1.1霍爾電勢生成器

霍爾電勢生成器屬于磁敏元件，是根據(jù)霍爾效應(yīng)，即當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，垂直于磁場和電流的方向會產(chǎn)生一個附加電場，從而在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢差這一特性，用霍爾半導(dǎo)體材料制作而成的，是長為l、寬為m、厚為d的六面體四端子元件?；魻栯妱萆善魉没魻柶刹捎霉璋雽?dǎo)體材料。

如果有垂直于l-m面方向的磁場B穿過半導(dǎo)體，且在垂直于m-d面沿方向施加控制電流I，則在平行于l-d方向兩個面上的兩端子上會產(chǎn)生霍爾電動勢EH，電動勢方向符合左手定則。可用式(1)表示

(1)

式中，RH—霍爾系數(shù)，其大小與材料的電阻率和遷移率有關(guān)；KH—靈敏度。

通常情況下，霍爾電勢生成器差生的電勢差為幾十毫伏。在永磁無刷直流起發(fā)電機(jī)位置傳感器中，針對三相六狀態(tài)運(yùn)行方法，在定子端放置三個相差120°電角度均勻分布的霍爾電勢生成器。

1.2差分放大器

差分放大器是由運(yùn)算放大器及電阻組成的輸出電壓與輸入的電勢差成比例的放大電路。由于霍爾電勢生成器產(chǎn)生的電勢差過小，不能被電機(jī)的驅(qū)動電路識別，因此需要一個差分放大器對產(chǎn)生的電勢差進(jìn)行放大。差分放大器電路中Vi為輸入電勢差，即輸入信號電壓，V0為輸出電壓。當(dāng)差分放大器中電阻滿足式(2)

(2)

則輸出電壓可表示為

(3)

差分放大器的增益為電阻Ra和Rb的比值。在起發(fā)電機(jī)的位置傳感器中，選擇Ra=Rc=51kΩ，Rb=Rd=2M，使放大器增益約為40，這樣便可以將輸入信號電壓放大為幅值為5V的可識別電壓信號。經(jīng)過差分放大器放大的輸出信號與輸入信號波形相同、頻率相同、相角相同，幅值增大約40倍。

1.3施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，它和一般的門電路不同的是，施密特觸發(fā)器具有兩個閾值電壓，分別是正向閾值電壓和反向閾值電壓。當(dāng)輸入信號從低電平上升到高電平的過程中，使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓成為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中，使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓成為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差成為回差電壓。

施密特觸發(fā)器的作用是對輸入信號進(jìn)行整形，可以將邊沿變化緩慢的周期性信號轉(zhuǎn)換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。

只要輸入信號上升至高于正向閾值電壓或下降至低于負(fù)向閾值電壓，則可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同樣頻率的矩形脈沖信號。

1.4集電極開路輸出

集電極開路輸出又叫OC門輸出，在永磁無刷直流起發(fā)電機(jī)的位置傳感器電路中起到的作用，是將之前放大并整形的矩形脈沖信號轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的數(shù)字信號。由于集電極開路輸出的功率由電源VCC提供，因而避免了輸出信號功率不足的問題。

當(dāng)基極輸入端輸入高電平時，三極管導(dǎo)通，輸出端與地短接輸出低電平；當(dāng)基極輸入端輸入低電平，三極管關(guān)斷，輸出端被1kΩ的上拉電阻拉至5V高電平。

當(dāng)整形后的矩形脈沖信號高電平輸入三極管基極時，NPN三極管發(fā)射機(jī)正向偏置，集電極反相偏置，三極管導(dǎo)通，輸出端與地短接，輸出0V低電平；當(dāng)矩形脈沖信號低電平輸入三極管基極時，三極管不能導(dǎo)通，又因?yàn)檩敵龆思姌O懸空，所以輸出端電位被1kΩ上拉電阻拉到5V輸出高電平。

2霍爾位置傳感器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

永磁無刷直流起發(fā)電機(jī)霍爾位置傳感器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)電路圖見圖1。

圖中H1、H2、H3為霍爾電勢生成器，V1、V2、V3三個NPN型3904三極管集電極懸空，作為集電極開路輸出端，R1～R6為與霍爾電勢生成器串聯(lián)的限流電阻，防止電流過大損壞霍爾半導(dǎo)體片，R7～R18與運(yùn)算放大器集成芯片LM324組成三個增益約為40的差分放大器，R19～R21與六反向施密特觸發(fā)器集成芯片74LS14輸出端和三極管基極相連，起到限制電流的作用，R22～R24是上拉電阻，作用是當(dāng)三極管關(guān)斷時把輸出端電位拉至高電平，C1～C3與霍爾電勢生成器輸出端并聯(lián)，起到濾波的作用，C4～C6與集電極開路輸出端并聯(lián)，也是起到濾波作用，C6、C7分別與電源VCC和VDD并聯(lián)，起到穩(wěn)壓和濾波的作用。VCC與VDD分別接通+5V直流電源和-5V直流電源，以滿足運(yùn)算放大器的雙電源供電。

3仿真實(shí)驗(yàn)

采用Multisim對電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。由于電路中含有三路位置傳感器電路，所以試驗(yàn)中只針對其中某一路進(jìn)行仿真。

用函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出的50mV矩形波信號和噪聲信號疊加來模擬霍爾電勢生成器產(chǎn)生的電壓信號。信號經(jīng)過由運(yùn)放LM324D和電阻組成的增益約為40的差分放大器放大后，經(jīng)由74LS14D反向施密特觸發(fā)器整形，最后由2N3904三極管和電阻組成的集電極開路輸出端輸出。信號輸入端和輸出端都并聯(lián)電容進(jìn)行濾波。仿真電路圖如圖2所示。

仿真實(shí)驗(yàn)輸出波形如圖3所示，依次為輸入信號波形、差分放大器放大后的波形、施密特觸發(fā)器整形后的波形和輸出波形。從仿真結(jié)果來看，差分放大器實(shí)現(xiàn)了對輸入信號的放大作用，施密特觸發(fā)器對信號進(jìn)行了整形，輸出了標(biāo)準(zhǔn)的矩形波脈沖信號，由于是反向施密特觸發(fā)器，波形與差分放大器輸出的波形反相，最后集電極開路輸出端使波形再次反相，輸出工整標(biāo)準(zhǔn)的高電平為5V，低電平為0V的矩形脈沖數(shù)字信號信號。由仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對比可以看出，仿真結(jié)果與理論預(yù)期結(jié)果相同，證明該無刷直流電動機(jī)霍爾位置傳感器電路設(shè)計(jì)正確，符合設(shè)計(jì)要求。

4實(shí)際應(yīng)用

某型無人機(jī)起發(fā)電機(jī)所用定子繞組為24槽單層交叉式繞組電機(jī)，轉(zhuǎn)子為四極瓦片型永磁體轉(zhuǎn)子。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于任意位置時，位置檢測器都要能夠準(zhǔn)確輸出位置信號進(jìn)而由電機(jī)驅(qū)動電路導(dǎo)通相應(yīng)繞組。如圖4所示，霍爾電勢生成器間隔點(diǎn)角度(由于是四極電機(jī)，對應(yīng)機(jī)械角度為)均勻分布，以轉(zhuǎn)子其中一個S極中心為參考點(diǎn)。由于霍爾電勢生成器方式的正反會影響電勢差正負(fù)的輸出，規(guī)定當(dāng)N極靠近電勢生成器時所產(chǎn)生電勢差為正。

電機(jī)三相六狀態(tài)運(yùn)行時，電機(jī)定子繞組有效邊形成四組電流方向相同的載流導(dǎo)體，如圖5所示。繞組的導(dǎo)通隨獲得位置信號的變化而變化，由于是四極電機(jī)，共有12個位置狀態(tài)，以每一個狀態(tài)時如圖的參考點(diǎn)所對應(yīng)位置將電機(jī)定子分為12個區(qū)域，每一個區(qū)域?qū)?yīng)兩組繞組串聯(lián)導(dǎo)通。每相繞組標(biāo)號如圖所示，與圖4中標(biāo)號相對應(yīng)。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于圖4中所示的隨機(jī)位置時，由位置檢測電路輸出的位置信號為100。對應(yīng)導(dǎo)通橋臂為上橋臂A和下橋臂C，即1-2導(dǎo)通狀態(tài)，由圖5可知，此導(dǎo)通狀態(tài)即為圖中轉(zhuǎn)子隨機(jī)位置所對應(yīng)的導(dǎo)通狀態(tài)。證明位置檢測電路能準(zhǔn)確可靠地傳輸位置信號，保證電機(jī)正常器運(yùn)行。表1為MC33035無刷電機(jī)控制集成電路真值表。

表1　MC33035 真值表

5結(jié)語

本文針對永磁無刷直流起發(fā)電機(jī)的三相六狀態(tài)運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一種霍爾位置傳感器電路，對霍爾電勢生成器所產(chǎn)生的電壓位置信號的放大、整形和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)子的六個狀態(tài)轉(zhuǎn)化為六個三位二進(jìn)制碼輸出，實(shí)現(xiàn)對永磁無刷直流起發(fā)電機(jī)起動時轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時檢測。通過仿真實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品調(diào)試，對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，結(jié)果證明所設(shè)計(jì)電路符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求，并已在產(chǎn)品中投入使用。

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《防爆電機(jī)》編輯部

Design of Position Detection Circuit for a Certain Type of

Unmanned Plane’s Launch Generator

HaoYingjun,WuWujun,andWanShaosong

(1.Xijing University, Xi′an 710000, China;2.Blue Eagle Aviation Electric Co., Ltd. In Shaanxi, Xi′an 710000, China)

AbstractBased on rotor position detection demands of a type of unmanned plane′s launch generator, a position detection circuit aimed at three-phase six-state operation mode is designed, and the functions of all devices in circuit are introduced. The practical and feasible application circuit is designed, and the simulation experiment and applicable example analysis have proved that the circuit is practical and reliable.

Key wordsLaunch generator;position detection;hall sensor

收稿日期：2015-11-13

作者簡介：郝英俊男1991年生；西京學(xué)院控制工程專業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)闊o刷電機(jī)控制技術(shù).

中圖分類號：TM306

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)01-0008-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.03