航空燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

淳 剛，謝海東，石利俊，王立云，蒲寶星，謝合成

(成都微精電機股份公司，成都 610052)

0 引 言

新型燃油泵用浸油式無刷直流電機配套于飛機發(fā)動機的電動燃油加壓泵中，為飛機提供燃油，是發(fā)動機燃油系統(tǒng)的心臟和動力源。傳統(tǒng)的有刷直流燃油泵電機存在換向火花、電磁干擾、可靠性差、壽命短、維修成本高等缺點。無刷直流電機采用功率半導體器件實現(xiàn)電子換向，替代了傳統(tǒng)的接觸式換向器和電刷，避免了傳統(tǒng)有刷直流電機的上述不足。

按照轉(zhuǎn)子位置檢測方法，無刷電動燃油泵的控制方法可以分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。美國某公司研制出了油泵用三相三狀態(tài)無刷直流電機[1]，采用霍爾傳感器作為位置檢測元件，將位置信號轉(zhuǎn)換為開關信號控制電機換向。天興儀表公司開發(fā)了一款采用無刷直流電機作為汽車燃油泵的產(chǎn)品[2]，采用的也是霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子位置信號。華潤電機公司也開發(fā)出了一款內(nèi)置控制器的無刷直流油泵[3]，其將控制器置于電機內(nèi)部，電機體積減小，系統(tǒng)結構緊湊。有位置傳感器控制方式就是通過傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)獲得的轉(zhuǎn)子位置信號控制電機換相，實現(xiàn)電機的正常運行。在航空飛機領域，燃油泵無刷直流電機采用霍爾元件作為位置檢測元件，但在高油高壓的工作環(huán)境中工作可靠性不強。

無位置傳感器控制就是在不采用傳感器的前提下，通過檢測電路得到電機的電壓、電流、電感等參數(shù)，間接判斷轉(zhuǎn)子位置，并在此基礎上實現(xiàn)電機的換相控制[4]。對于航空飛機燃油泵無刷直流電機，采用無位置傳感器控制方法在提高系統(tǒng)可靠性、輕量化以及減小體積等方面具有重要意義。國內(nèi)方面對于無刷直流油泵電機也進行了有益的探索。文獻[5]設計了一臺6 槽4 極的無刷直流油泵電機，并對其進行了溫度場和故障分析，并利用 ML4425專用芯片對無刷直流油泵電機的無位置檢測控制系統(tǒng)進行了研究。文獻[6]針對無刷直流油泵電機的無位置傳感器控制系統(tǒng)進行了軟硬件設計。文獻[7]設計了一臺轉(zhuǎn)子外加裝屏蔽套的汽車用燃油泵電機，并實現(xiàn)了電機的無位置傳感器開環(huán)控制。文獻[8]針對航空電動燃油泵展開了流量特性分析、仿真建模、控制性能研究和試驗研究等工作。

眾多無位置傳感器控制方法中，反電動勢法的原理最為簡單、技術最為成熟。該方法檢測高速永磁無刷直流電機反電動勢的過零點，將其延時30°電角度即可獲得電機的換相點，從而使逆變單元中功率器件按照預定的順序?qū)P斷，實現(xiàn)電機的無位置傳感器控制。

本文根據(jù)航空燃油泵無刷直流伺服電機的緊湊化設計要求，研制了一款與之適應的新型控制系統(tǒng)，采用集成化的控制芯片JY02、驅(qū)動芯片JY231L和功率芯片JY2605M，基于反電動勢檢測與全速域濾波調(diào)節(jié)技術，設計并制作了高效率和較小轉(zhuǎn)速容差的航空燃油泵無刷直流電機無位置驅(qū)動控制系統(tǒng)，并通過實物測試對系統(tǒng)研制和預期性能進行了實驗驗證。

1 燃油泵無刷直流電機控制系統(tǒng)

1.1 技術指標

在公司現(xiàn)有的有位置傳感器無刷直流電機基礎上，根據(jù)應用場合需求特點和領先技術發(fā)展定位，本文采用集成化無位置傳感器控制和全速域濾波調(diào)節(jié)技術，研發(fā)了一款新型的燃油泵用浸油式無刷直流電機系統(tǒng)，使得產(chǎn)品體積更小、質(zhì)量更輕、可靠性更高。較國外同類產(chǎn)品性能，該無刷直流電機系統(tǒng)性能指標的預期突破為：系統(tǒng)效率提升6%，機械特性的轉(zhuǎn)速容差減小4%，形成更強的應用環(huán)境適應能力。具體性能指標和對比如表1所示。

表1 本文燃油泵用無刷直流電機性能指標

1.2 控制系統(tǒng)結構

新型燃油泵用浸油式無刷直流電機控制系統(tǒng)原理結構框圖如圖1所示，主要包括4個部分：無刷直流電機無位置傳感控制芯片(JY02)、三相全橋集成驅(qū)動IC(JY231L)、基于雙橋臂集成封裝型功率MOSFET(JY2605M)的三相功率逆變器、電源電路(5 V、12 V和27 V)。

圖1 控制系統(tǒng)原理結構圖

電源電路部分主要用于實現(xiàn)電壓穩(wěn)定和電壓變換，將外接電源電壓變換成各模塊所需的穩(wěn)定供電電壓。

無刷直流電機無位置傳感控制芯片(JY02)中，溫度檢測模塊用于監(jiān)測功率逆變器溫升實施過溫保護，電流檢測模塊用于監(jiān)測功率逆變器和無刷直流電機的實時電流開展過載和過流保護，反電動勢檢測模塊用于監(jiān)測無刷直流電機各相繞組反電動勢的過零點以判定電機轉(zhuǎn)子位置信息和觸發(fā)換相信號，指令輸入接口用于接收啟動設置和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令，狀態(tài)輸出接口主要用于輸出基于換相信號的電機轉(zhuǎn)速信息和高速段反電動勢檢測電路調(diào)整信息，PWM模塊主要用于生成無刷直流電機各相繞組的電壓斬波信號和執(zhí)行保護狀態(tài)時的電壓鎖定功能。

三相全橋集成驅(qū)動IC(JY231L)部分主要用于放大控制芯片PWM模塊的電壓斬波信號，以調(diào)控功率逆變器集成封裝型MOSFET(JY2605M)柵極的開關信號和死區(qū)配合。

功率逆變器部分主要通過MOSFET柵極開關調(diào)控和上下橋臂死區(qū)配合，將外接直流電源變換成電壓和相位可控的三相交流電源，以對燃油泵無刷直流電機進行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和負載能力進行有效控制。

2 無刷直流電機控制系統(tǒng)電路設計

2.1 電源電路

燃油泵無刷直流電機控制系統(tǒng)電源部分的電路原理圖如圖2所示。其中，圖2(a)是外接DC 27 V電源的穩(wěn)壓濾波處理和電壓變換電路，采用78L12將DC 27 V轉(zhuǎn)換成DC 12 V，為三相全橋集成驅(qū)動IC(JY231L)供電；圖2(b)是基于78L05的電壓變換電路，將DC 12 V轉(zhuǎn)換成DC 5 V，為無位置傳感控制芯片(JY02)和相應的檢測電路供電。

圖2 控制系統(tǒng)電源部分電路原理圖

2.2 無位置傳感控制和驅(qū)動電路

無位置傳感控制和驅(qū)動電路主要包括無刷直流電機無位置傳感控制芯片(JY02)和三相全橋集成驅(qū)動IC(JY231L)兩個部分。其中，控制和驅(qū)動兩部分之間PWM調(diào)控信號的電路連接原理如圖3所示。在電氣特性相互匹配的前提下，由無位置傳感控制芯片(JY02)生成的電壓斬波PWM信號，可直接接入三相全橋集成驅(qū)動IC(JY231L)的相應管腳；PWM信號經(jīng)由JY231L進行驅(qū)動增強和死區(qū)調(diào)控后，形成逆變器功率MOSFET的柵極驅(qū)動信號(U_HO、V_HO、W_HO、U_LO、V_LO和W_LO)。

圖3 控制和驅(qū)動部分的PWM信號連接電路

控制和驅(qū)動兩部分之間的反電動勢檢測及連接電路如圖4所示。全速域的反電動勢檢測與濾波調(diào)節(jié)技術是本項目燃油泵無刷直流伺服電機控制系統(tǒng)的關鍵。①低速階段，平穩(wěn)運行是重點，主要在于反電動勢濾波電容(C6、C7、C8)的匹配設計。其中，電機的反電動勢常數(shù)越小所需匹配的電容容量越大，電機的反電動勢常數(shù)越大所需匹配的電容容量越小，電容容量以滿足啟動順利切換和低速運行平穩(wěn)為標準。②高速階段，運行性能調(diào)整是重點，主要通過EFM_ON信號調(diào)節(jié)反電動勢濾波電阻(R13、R17、R21)來實現(xiàn)。如果出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速上升慢而電流上升快的情況，此時需減小濾波電阻的阻值，以減小高速段反電動勢采樣電路的滯后效應；伴隨電機轉(zhuǎn)速升高，如果出現(xiàn)電機停轉(zhuǎn)或重啟的現(xiàn)象，此時需增大濾波電阻的阻值，以加強高速段反電動勢采樣電路的滯后效應。高速段采樣電路的滯后效應直接決定控制器輸出電壓與電機反電動勢的匹配程度，從而影響額定運行時的系統(tǒng)效率和轉(zhuǎn)速容差。

圖4 控制和驅(qū)動部分的反電動勢檢測及連接電路

無刷直流電機無位置傳感控制芯片(JY02)啟動設置和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令的輸入接口電路如圖5所示。對于無刷直流電機的實時電流、功率逆變器的直流供電電壓以及功率MOSFET的溫升，進行有效監(jiān)控的采樣檢測輸入接口電路如圖6所示。

圖5 無位置傳感控制的啟動設置和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令接口電路

圖6 電機電流、逆變器電源電壓和MOSFET溫升的檢測接口電路

2.3 三相功率逆變器電路

燃油泵無刷直流電機控制系統(tǒng)的三相功率逆變器電路如圖7所示。其中，逆變器的三相全橋由三片JY2605M構成，JY2605M片內(nèi)的雙路N溝道增強型功率MOSFET分別作為每相全橋的上、下橋臂，且各相上橋臂均采用由二極管和電容組成的自舉電路進行懸浮驅(qū)動。對于U相而言，上橋臂自舉電路的二極管和電容分別為D1和C1，U_Vb和U_Vs分別是上橋臂柵極驅(qū)動的負載偏置電壓和浮動供電電壓；在每一個控制周期，下橋臂導通期間，DC 12 V電源經(jīng)由二極管D1直接對電容C1快速充電，在U_Vb和U_Vs之間快速建立驅(qū)動電壓，并存儲滿足MOSFET柵極開通要求的電荷量，從而形成上橋臂的自舉式懸浮驅(qū)動。

圖7 三相功率逆變器電路

3 控制系統(tǒng)實驗測試

燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)的樣機實物及其整機安裝效果如圖8所示。其中，控制系統(tǒng)樣機實物外徑為42 mm，高度為18 mm，質(zhì)量約為20 g；較前期同類產(chǎn)品，體積減少約40%，質(zhì)量減輕50%以上，形成明顯優(yōu)勢。另外，得益于無位置控制，電機本體上還可以節(jié)省出原位置傳感器的相應空間，密封安裝等工藝工序也可減少。

圖8 燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)樣機及整機安裝效果

燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)樣機實物的PWM調(diào)制輸出實驗測試結果如圖9所示。低速階段，PWM調(diào)制效果顯著，功率驅(qū)動器輸出電壓波形的可控性較好；伴隨電機轉(zhuǎn)速和反電動勢增大，PWM調(diào)制作用逐漸減弱；至轉(zhuǎn)速指令最高閾值時，功率驅(qū)動器穩(wěn)定輸出無調(diào)制的梯形波電壓，此時無位置驅(qū)動控制系統(tǒng)按六步換相式的標準無刷直流模式運行；反映了無位置驅(qū)動控制系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運行。

圖9 無位置控制系統(tǒng)樣機的PWM調(diào)制輸出實驗測試結果

基于測功機平臺，分別對燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)樣機的空載和負載性能進行實驗測試，臺架實驗現(xiàn)場如圖10和圖11所示。

燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)樣機在27 V(DC)供電時，電機空載轉(zhuǎn)速為12 801 r/min，空載電流為0.79 A；在0.031 N·m額定負載下，電機負載轉(zhuǎn)速為12 113 r/min，負載電流為2.4 A，負載運行效率為60%，轉(zhuǎn)速容差為5.4%。由空載和負載實驗結果可見，所研制燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)樣機的性能指標較好，達到了設計預期，較國外產(chǎn)品性能，在系統(tǒng)效率提升超過10%、轉(zhuǎn)速容差減小超過6%。

圖10 燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)樣機的空載實驗測試結果

圖11 燃油泵無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)樣機的負載實驗測試結果

4 結 語

由以上設計分析和樣機實驗測試結果可見，所研制緊湊型無位置傳感器無刷直流電機控制系統(tǒng)在全速域范圍內(nèi)能夠可靠穩(wěn)定運行；相比公司前期同類產(chǎn)品，體積減小約40%，質(zhì)量減輕50%以上；較國外同類產(chǎn)品，系統(tǒng)效率提升超過10%、轉(zhuǎn)速容差減小超過6%，各項性能和技術指標較好達到了設計預期，滿足航空燃油泵伺服電機系統(tǒng)體積小、效率高、轉(zhuǎn)速容差小的性能要求。