石山山．董春
(北京交通大学，北京100044)
摘要：采用无传感器无刷直流低速电机专用调速控制芯片ML4425，设计制作了航模用直流无刷高速电机的控制器。针对目前航模用直流无刷电机速度高的特点，对用于直流无刷低速电机的传统ML4425控制系统中的相关环节进行了改进．尤其是电机的启动、驱动和保护部分。简化了航模用直流无刷高速电机的控制系统，减少了成本。
关键词：航模；高速；直流无刷电机；驱动电路
引言
无传感器直流无刷电机的应用越来越广泛．但是此类电机的控制系统比较复杂，转子位置的判断、换相和启动等都需要控制系统来完成．所以控制装置的软硬什设计都很复杂[1]。一般情况下，会采用一些专用控制芯片(如ML4425)进行控制，控制系统简单．成本较低。但是这类芯片多用于低速的直流无刷电机，而对于航模用的直流无刷高速电机来说，诸多的设计中会采用DSP或者单片机[2-3]为核心的控制系统。它通过强大的软件编程没计能力加上硬件外电路的辅助，来实现对无传感器直流无刷电机的控制，但是整个系统的软件编程部分以及硬件电路都较为复杂，与航模用电机控制系统设计简单的要求不符。
l控制系统原理
电机控制的一项重要内容就是如何保证电机的平稳启动。本文所采用的ML4425控制系统，以软启动的方式使电机平滑启动。启动过程分成了3个步骤：校准复位阶段；速度开环斜升阶段；闭环控制运行阶段。
1.1校准复位阶段
在电机启动之前，转子位置必须已知。所以在校准复位阶段，ML4425给出专门的驱动信号，使转子向前移动30。电角度。这样转子位置确定，校准复位工作完成。
1．2速度开环斜升阶段
校准复位阶段，当CAT电容电压超过1.5V的时候，ML4425内置500 nA的电流源开始向电容cRR允电，并且使得芯片内置压控振荡器(VCO)的输入电压VRC不断增大，振荡器起振，输出一定频率的时钟信号，然后芯片开始输出脉冲信号来驱动电机全桥驱动电路中的开关管，使电机开始运转，速度不断增加到一定程度后，开启电机启动的第3阶段。
1．3闭环控制运行阶段
如果电机速度在经过斜升阶段后已经足够大，，使得各相反电势可以检测到的时候，闭环控制运行阶段就可以顺利开启。此时单相采样反电势与中性点之间的误差信号经过误差放大器后成为Vc()的输入信号，给Rcvc回路充电，使Vco起振，输出时钟信号。此时的Vco输入电压信号还作为反馈电压信号与速度给定电压信号进行比较，并对全桥驱动电路的驱动信号实行PwM控制，从而实现电机速度的闭环控制。
2 系统的改进与调试
2．1 系统启动电路的改进
电机的平稳启动足电机运行的关键。基于低速直流无刷电机的ML4425控制系统有比较可靠的启动电路设计方案[4]，但是．将MLd425控制系统用于航模的高速无刷电机时，就要对其启动电路进行改进，重新设计。
2．1．1校准复位电路的改进
第l节中提到在ML4425控制系统下，电机的启动首先需要对电机转子位置进行确定，校正到一定的位置。这一校正过程是需要耗费一定时间的，并且不同的电机和负载所耗费的时问也会不尽相同。同时ML4425控制系统也对这一时问段进行了设定。所以，电机能否完成校准复位的关键，在于系统设定的复位时间与电机转子位置复位实际耗费的时问是否匹配。理想的状态是，前者稍微火于后者，这样既可以保证电机转子有充裕的时间去完成复位．又能保证电机启动的效率。
系统校准复位设定时间长短是由ML4425控制系统校准复位电路决定的。如图l所示．ML4425内置750 nA电流源Vcd对Cat充电，当电容电压超过1.5 V的时候，比较器输出低电平，校准复位阶段结束，电机进入启动过程的下一个阶段。
在这段时间里，既要保证电机完成转子的校正复位，又要尽可能保证电机启动效率，因此关键在于控制好Vdo对Cat的充电时间，也就是选取合适的电容值cat。关于Cat的取值有一些理论计算，但是实际调试过程中由于对电机的性能参数不知等多种原冈，会造成-定的偏差。所以一般会采用以下经验选定Cat值：先选用1μF的电容，如果电机无法正常启动就逐倍增加电容值；如果电机可以正常启动，但启动过程出现先抖动一下，然后经过短暂停顿后电机才开始转动，说明设定的校准复位时间过长，需要逐步减小Cat；****的情况是在保证电机可以启动的前提下，停顿时间越短越好。航模用直流无刷高速电机相对于直流低速电机所需要的校准时问稍短，所以对于Cat的取值也可以偏小，以缩短转子校正复位时间，提高电机启动效率。
2.1.2速度开环斜升电路的改进
速度开环斜升阶段的关键在于能否将电机的速度提升到一定值，足以被ML4425控制系统检测取样到反电动势，从而实现闭环控制。ML4425控制系统同样也对速度斜升阶段的时问长度进行了设定。如图1所示，ML4d2j内置的750 nA电源向电容Crt充电．当其电压达到1.5 V的时候，速度斜升阶段结束。整个充电过程的时间(也是整个速度开环斜升阶段的时间)是由电容CRT决定的。因此，为了保证能将电机的速度提升到足够高的幅值，可以通过延长加速时间来实现，也就是选择较大值的电容CRT。
除了延长加速时间，还可以通过提高速度斜升率来确保电机速度提高到足够大。
因此，如果想提高电机速度斜升率，可以通过提高Vrc的提升率和KVCO来实现。首先，增加Vrc的提升率可以通过增加电容cRR的充电速度米实现，所以可选择较小值的电容CRR。其次，就是通过增加比例系数KVCO束提高电机速度斜升率。以增加比例系数KVco从而提高电机速度斜升率。
需要注意的是，对KVco的调整需要参考电机自身的参数。尤其是在选择航模直流无刷高速电机的时候，都会有一项重要的参数KV值。该KV值表示的是电机额定电压每增加1 V，电机转速所能增加的幅值。所以它决定了电机本身所能达到的****转速。而KVCO，值表示的是在ML4425控制系统中，振荡器的输入电压VRC。每增加1 V，电机转速所能增加的幅值。简而占之，前者代表了电机本身所能达到的****速度，后者代表了ML4425控制系统所能赋予电机的****速度，两者之间应该相互匹配．使得控制系统所能赋予电机的速度能达到电机奉身****速度的70％以上，才能更好地发挥电机的性能。所以KVCO，的选取是和KV值相关的，不易做较大改动。
综上所述，为了保证在速度斜升阶段电机速度上升到足够大，可通过选择较大的电容CRT和较小的电容cRR来实现，必要时还可以选择稍小幅值的RVCO或cVCO。这些都是ML4425控制系统典型的设计，但是它比较适用于直流无刷低速电机，对于航模用直流无刷高速电机来说，不完全适用。一般的航模直流无刷高速电机的KV值都在数百至数千之间，这就要求选择较大值的KVCO，导致速度斜升率很高，虽然有利于在速度斜升阶段短时间内将电机速度提升到足够大，但是过高的速度变化率会使得ML4425控制系统的振荡器VCO无法响应，致使电机肩动失败。所以，在使用ML4425控制航模用直流无刷高速电机的时候，反而要选择较小Ky值的电机，在控制电路中选择稍大幅值的Rvoc或Cvco，来取得较小Kvco，值，这样就可以降低电机速度斜升率．易于系统响应控制。但即使这样，航模直流无刷电机的速度斜升率还是比较大，所以只需要较短的速度斜升时间就可以使速度提高到反电动势采样系统的要求．因此可以选择较小的电容cRT提高电机启动效率。
另外．当航模要求很高转速的电机时，则必须选用一些Kv值很高的航模直流无刷电机，这样的话除了选用更小的电容cRT外，还要对Rvco或Cvco做出进一步的调整。可以在电机启动时选择较大幅值的Rvco或Cvco，以降低速度斜升率，实现低速启动。
然后再逐步减小Rvco或cvco的幅值，使电机达到较高转速运转[5]。
2．1．3 闭环控制运行电路的改进
此阶段的关键在于能否与之前的速度开环斜升阶段之间进行顺利切换。对于航模用直流无刷高速电机来说．在完成速度斜升阶段后，电机速度已经达到较高的水平。于是在此阶段要想对电机速度进行闭环控制，就要控制系统将起始给定速度增大，目的是使电机速度在2个阶段切换的时候变化不会太大，否则，电机可能无法及时反应。所以在ML4425的8号管脚设置速度给定信号时．应选择稍火幅值的电压信号．并且与电机完成速度斜升阶段时的VRC值相对应。
2．2 系统驱动和保护电路的改进
航模用直流无刷高速电机的与直流无刷低速电机的区别在于前者的额定电流比较大．尤其是在启动会更大。这样就导致传统的用于直流无刷低速电机的ML4425控制系统的驱动和保护电路无法适用，需要加以改进。
3 结束语
详细解析了ML4425的控制原理。针对航模直流无刷高速电机额定电流大、转速高的特点，对控制系统的启动、驱动和保护电路进行了重新设计和改进，使其不仅能满足对直流兀刷低速电机的控制，也能应用于航模直流无刷高速电机。省去了DSP等高端控制芯片，简化了航模的电调技术，降低了成本。 |
