CN103475285B - 一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制*** - Google Patents
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Abstract
一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***，是一种用来对磁悬浮飞轮用三相永磁无刷直流电机的输出力矩进行控制的装置，其主要包括滤波电路、buck电路、电流检测环节、三相永磁无刷直流电机、霍尔效应转子位置传感器、三相半桥功率放大器和以FPGA为核心的控制器。本发明通过控制磁悬浮飞轮用三相永磁无刷直流电机绕组的导通顺序和电流大小，从而实现对磁悬浮飞轮输出力矩的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***，用于对磁悬浮飞轮三相永磁无刷直流电机的输出力矩进行精确控制。
背景技术
磁悬浮飞轮是高精度、长寿命三轴姿态稳定卫星理想的姿态控制执行机构，通过电机控制***调整电机的电流输出期望的控制力矩。现有的磁悬浮飞轮电机控制***一般使用三相全桥或者三相半桥拓扑结构的功率放大器。说明书附图1所示为现有使用三相全桥拓扑结构功率放大器的磁悬浮飞轮电机控制***的结构框图（ZL200710119966.7，房建成、王志强、刘刚、樊亚洪，一种磁悬浮反作用飞轮电机速率模式控制***），三相桥功率放大器使用6个功率管，通过PWM1～PWM6控制6个功率管的开通与关断，实现对电机绕组电流的控制。说明书附图2为现有使用三相半桥拓扑结构功率放大器的磁悬浮飞轮电机控制***的结构框图（ZL200910236136.1，房建成、周新秀、刘刚、王志强，一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置），三相桥功率放大器使用7个功率管，通过PWM1～PWM7控制7个功率管的开通与关断，实现对电机绕组电流的控制。其中：PWM1～PWM3控制三相半桥主电路功率管的开通与关断；PWM4控制Buck电路中功率管的开通与关断；PWM5控制能耗制动功率管的开通与关断；PWM6和PWM7控制转矩脉动抑制功率管的开通与关断。功率管及其驱动电路是影响磁悬浮飞轮电机控制***可靠性的主要因素，如果能够减少现有的磁悬浮飞轮电机控制***使用的功率管的数量，则可以进一步提高控制***的可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***使用功率管较多的不足，将磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***的导通相控制电路与能耗制动电路合并，提出了一种只使用4个功率管的磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***方案，相对现有的磁悬浮飞轮控制***，具有可靠性高、结构简单的特点。
本发明的技术解决方案：一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***，主要包括：滤波电路、buck电路、电流检测环节、三相永磁无刷直流电机、霍尔效应转子位置传感器、三相半桥功率放大电器和以FPGA为核心的控制器。其中：
滤波电路：输出接buck电路，用于消除+28V输入上的高频噪声；
buck电路：输入与滤波电路相接，输出与电流检测环节相接，根据以FPGA为核心的控制器输出的控制信号控制达林顿功率管V4的导通与关断，对滤波电路的输出电压进行调制；
电流检测环节：输入与buck电路相接，输出与三相永磁无刷直流电机相接，用于检测通过三相永磁无刷直流电机的绕组电流；
霍尔效应转子位置传感器：输入与三相永磁无刷直流电机相接，输出与以FPGA为核心的控制器相接，输出为3路磁悬浮飞轮转子位置信号；
三相半桥功率放大器：根据以FPGA为核心的控制器的输出控制达林顿功率管的开通与关断，从而在三相永磁无刷直流电机的绕组中生成期望的控制电流；
以FPGA为核心的控制器：电流检测环节输出的电流反馈信号经过以FPGA为核心的控制器的电流信号模数转换芯片进行采样，电流信号采样值与外部输入的电流参考值相减，差值作为电流环PID算法的输入量，电流环PID算法的输出量输出给以FPGA为核心的控制器的D/A模块，D/A模块的输出经过以FPGA为核心的控制器的控制电压分配环节生成三相半桥功率放大器的控制信号。三相半桥功率放大器输出的电压反馈信号经过以FPGA为核心的控制器的电压检测环节后输入给以FPGA为核心的控制器的电压信号模数转换芯片，电压信号模数转换芯片的采样值与外部输入的电压参考值相减，差值作为电压环PID算法的输入量，电压环PID算法的输出量经以FPGA为核心的控制器的PWM波形发生模块生成buck电路的控制信号PWM_V4。
本发明的原理是：磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***根据外部输入的电流/力矩指令进行三相永磁无刷直流电机加速运行和制动运行控制，使永磁无刷直流电机能够在四个象限工作。原理如下：
（1）当三相永磁无刷直流电机电机工作在一、三象限，即外部输入的电流或力矩方向指令与磁悬浮飞轮的转向一致，加速运行状态时，电流从+28V电源输入，经滤波电路、buck模块的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节至电机绕组。以FPGA为核心的控制器通过控制三相半桥功率放大器中的三个达林顿功率管（V1～V3）的导通顺序，并保证电机导通相通过的电流与输入的电流或力矩指令一致，从而实现了对电机在一、三象限工作时输出力矩的控制。当电机工作在一、三象限时，导通相的反电势与通过的电流的方向相同。
（2）当三相永磁无刷直流电机电机工作在二、四象限，即外部输入的电流或力矩方向指令与磁悬浮飞轮的转向相反，制动运行状态时：当三相永磁无刷直流电机反电势能够维持三相半桥功率放大器中三个达林顿功率管（V1～V3）产生期望的制动电流时处于能耗制动状态，此时buck模块中的达林顿功率管V4关断，电流经电流检测环节电机绕组、三相半桥功率放大器、buck电路中的二极管D1和电感L2、电流检测环节形成能耗通道，磁悬浮飞轮转子的能量主要消耗在三相半桥功率放大器中的三个达林顿功率管（V1～V3）上；随着磁悬浮飞轮转速的降低，电机反电势不能维持三相半桥功率放大器中三个达林顿功率管（V1～V3）产生期望的制动电流，buck电路中的达林顿功率管V4重新开通，电机控制***转为反接制动模式，电流重新从+28V电源输入，经滤波电路、buck模块的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节至电机绕组。电机制动运行时，同样通过以FPGA为核心的控制器控制三相半桥功率放大器中的三个达林顿功率管（V1～V3）的导通顺序，并保证电机导通相通过的电流与输入的电流或力矩指令一致。由此实现了对电机在二、四象限工作时输出力矩的控制。与电机工作在一、三象限时不同，电机工作在二、四象限时，导通相的反电势与通过的电流的方向相反。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***由于只使用4个功率管，相对现有使用6个功率管的三相全桥电机控制***和使用7个功率管的三相半桥电机控制***，具有结构简单、可靠性高的特点。
附图说明
图1为现有使用三相全桥拓扑结构功率放大器的磁悬浮飞轮电机控制***的结构框图；
图2为现有使用三相半桥拓扑结构功率放大器的磁悬浮飞轮电机控制***的结构框图；
图3为本发明的硬件组成框图；
图4为本发明的以FPGA为核心的控制器组成框图；
图5为本发明的FPGA内部功能框图；
图6为磁悬浮飞轮正向转动时转子位置信号、反电势的波形图。
具体实施方式
如图1所示，给出了现有使用三相全桥拓扑结构功率放大器的磁悬浮飞轮电机控制***的结构框图。DSP根据转速参考、3路转子位置信号、电流电流反馈信号、转速信号，生成6路PWM，经三相桥驱动电路生成三相全桥功率放大器的6个功率管的驱动控制信号，控制功率管的开通与关断，在电机绕组中生成相应的电流，从而输出期望的控制力矩。
如图2所示，给出了现有使用三相半桥拓扑结构功率放大器的磁悬浮飞轮电机控制***的结构框图。DSP根据转速参考、3路转子位置信号、电流电流反馈信号，生成7路PWM，经驱动电路生成三相半桥功率放大器的7个功率管的驱动控制信号，控制功率管的开通与关断，在电机绕组中生成相应的电流，从而输出期望的控制力矩。其中：PWM1～PWM3控制三相半桥主电路功率管的开通与关断；PWM4控制Buck电路功率管的开通与关断；PWM5控制能耗制动功率管的开通与关断；PWM6和PWM7控制转矩脉动抑制功率管的开通与关断。
如图3所示，本发明的硬件主要包括滤波电路、buck电路、电流检测环节、三相永磁无刷直流电机、霍尔效应转子位置传感器、三相半桥功率放大电器和以FPGA为核心的控制器。当电机工作在一、三象限时，电流从+28V电源输入，经滤波电路、buck模块的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节至电机绕组。当电机工作在二、四象限时：当三相永磁无刷直流电机反电势能够维持三相半桥功率放大器中三个达林顿功率管（V1～V3）产生期望的制动电流时处于能耗制动状态，此时buck模块中的达林顿功率管V4关断，电流经电机绕组、三相半桥功率放大器、buck模块中的二极管D1和电感L2形成能耗通道，磁悬浮飞轮转子的能量主要消耗在三相半桥功率放大器中的三个达林顿功率管（V1～V3）上；随着飞轮转速降低，buck模块中的达林顿功率管V4重新开通，转为反接制动模式，电流重新从+28V电源输入，经滤波电路、buck模块的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节至电机绕组。以FPGA为核心的控制器根据外部输入的电流参考值、3路磁悬浮飞轮转子位置信号、电流检测环节的电流反馈信号和三相半桥功率放大器输出的三个电压反馈信号，产生三相半桥功率放大器中三个达林顿功率管的控制信号ube1～ube3和buck电路中达林顿功率管V4的控制信号PWM_V4。
如图4所示，以FPGA为核心的控制器由FPGA、电流信号模数转换芯片、电压信号模数转换芯片、D/A模块、电压检测环节和控制电压分配环节组成。通过FPGA控制电流信号模数转换芯片对电流反馈信号进行采样，采样值与外部输入的电流参考值相减，差值作为电流环PID算法的输入量，电流环PID算法的输出量输出给D/A模块，D/A模块的输出信号ube经过控制电压分配环节生成控制信号ube1～ube3。反馈信号uce1～uce3经过电压检测环节后的信号uce输入电压信号模数转换芯片进行采样，采样值与外部输入的电压参考值相减的差值作为电压环PID算法的输入量，电压环PID算法的输出量经PWM波形发生模块生成控制信号PWM_V4。电压检测环节和控制电压分配环节受FPGA内换向逻辑产生的换向控制信号S所控制。
控制电压分配环节的功能如下：
由控制电压分配环节的逻辑可知：当根据换向逻辑需要电机某相绕组导通时，对该应绕组的三相半桥功率放大器中达林顿功率管的控制信号与D/A模块输出的控制信号ube保持一致，该达林顿功率管在ube的控制下产生期望大小控制电流；非导通相绕组对应的达林顿功率管的控制信号接地，达林顿功率管处于关断状态，非导通相绕组的电流为零。
电压检测环节的功能如下：
由电压检测环节的逻辑可知：当根据换向逻辑电机某相绕组导通时，电压检测环节输出的uce为导通相对应的三相半桥功率放大器中达林顿功率管的集电极-发射极电压。uce经过电压信号模数转换芯片采样和FPGA处理后生成buck电路中达林顿功率管V4的控制信号PWM_V4，通过PWM_V4控制达林顿功率管V4的导通与关断，使电机导通相对应的三相半桥功率放大器中达林顿功率管的集电极-发射极电压不低于给定的电压参考值一致，保证电机导通相可以产生期望的控制电流。
如图5所示，给出了本发明的FPGA内部功能框图。FPGA主要完成电流环闭环控制、电压环闭环控制和换向逻辑功能。电流环闭环控制：在电流信号模数转换芯片采样控制逻辑的控制下，电流反馈信号imt经电流信号模数转换芯片进行采样，电流信号模数转换芯片采样控制逻辑输出的采样值与外部输入的电流参考值相减，差值作为电流环PID算法的输入量，电流环PID算法的输出量经D/A模块控制逻辑输出给D/A模块。电压环闭环控制：在电压信号模数转换芯片采样控制逻辑的控制下，反馈信号uce经电压信号模数转换芯片进行采样，电压信号模数转换芯片采样控制逻辑输出的采样值与外部输入的电压参考值相减，差值作为电压环PID算法的输入量，电压环PID算法的输出量经PWM波形发生模块生成buck电路中达林顿功率管V4的控制信号PWM_V4。换向逻辑根据3个转子位置信号和外部输入的力矩方向信号生成换向控制信号S。图6为磁悬浮飞轮正向转动时转子位置信号、反电势的波形图，在图6所示的条件下，换向控制信号S与3个转子位置信号（转子位置信号A、转子位置信号B、转子位置信号C）、力矩方向信号的逻辑关系如下：
其中：力矩方向信号状态为1表示为正力矩，0表示为负力矩。
本发明虽为一种磁悬浮飞轮用无刷直流电机控制***，但也可以作为一种通用的控制***进行一般的三相永磁无刷直流电机的控制或者作为速率模式控制***的内环电流控制器。其它未经说明的部分为一般工程常识。
Claims (3)
1.一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***，其特征在于包括：滤波电路(1)、buck电路(2)、电流检测环节(3)、三相永磁无刷直流电机(4)、霍尔效应转子位置传感器(5)、三相半桥功率放大器(6)和以FPGA为核心的控制器(7)；其中：
滤波电路(1)：输出接buck电路(2)，用于消除+28V输入上的高频噪声；
buck电路(2)：输入与滤波电路(1)相接，输出与电流检测环节(3)相接；以FPGA为核心的控制器(7)输出的控制信号控制达林顿功率管V4的导通与关断，对滤波电路(1)的输出电压进行调制；buck电路(2)包括达林顿功率管V4、二极管D1和电感L2；达林顿功率管V4的集电极与二极管D1的阴极及电感L2的一端相接，电感L2的另一端与电容C3的阳极相接后与电流检测环节(3)相接，电容C3的阴极与电容C4的阳极相接，电容C4的阴极与+28V电源地相接；
电流检测环节(3)：输入与buck电路(2)相接，输出与三相永磁无刷直流电机(4)相接，用于检测通过三相永磁无刷直流电机(4)的绕组电流；
霍尔效应转子位置传感器(5)：输入与三相永磁无刷直流电机(4)相接，输出与以FPGA为核心的控制器(7)相接，输出为3路磁悬浮飞轮转子位置信号；
三相半桥功率放大器(6)：包括三个并联的达林顿功率管V1～V3；以FPGA为核心的控制器(7)的输出控制达林顿功率管V1～V3的开通与关断，从而在三相永磁无刷直流电机(4)的绕组中生成期望的控制电流；
当三相永磁无刷直流电机(4)工作在一、三象限，即外部输入的电流或力矩方向指令与磁悬浮飞轮的转向一致，加速运行状态时，电流从+28V电源输入，经滤波电路、buck电路(2)的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节(3)至三相永磁无刷直流电机(4)的绕组，以FPGA为核心的控制器(7)通过控制三相半桥功率放大器(6)中的三个达林顿功率管V1～V3的导通顺序，并保证三相永磁无刷直流电机(4)导通相通过的电流与输入的电流或力矩指令一致，从而实现了对三相永磁无刷直流电机(4)在一、三象限工作时输出力矩的控制；当三相永磁无刷直流电机(4)工作在一、三象限时，导通相的反电势与通过的电流的方向相同；
当三相永磁无刷直流电机(4)工作在二、四象限，即外部输入的电流或力矩方向指令与磁悬浮飞轮的转向相反，制动运行状态时：当三相永磁无刷直流电机(4)反电势能够维持三相半桥功率放大器中三个达林顿功率管V1～V3产生期望的制动电流时处于能耗制动状态，此时buck电路(2)中的达林顿功率管V4关断，电流经电流检测环节(3)至三相永磁无刷直流电机(4)绕组、三相半桥功率放大器(6)、buck电路(2)中的二极管D1和电感L2，电流检测环节形成能耗通道，磁悬浮飞轮转子的能量主要消耗在三相半桥功率放大器(6)中的三个达林顿功率管V1～V3上；随着磁悬浮飞轮转速的降低，三相永磁无刷直流电机(4)反电势不能维持三相半桥功率放大器中三个达林顿功率管V1～V3产生期望的制动电流，buck电路(2)中的达林顿功率管V4重新开通，变为反接制动模式，电流重新从+28V电源输入，经滤波电路(1)、buck电路(2)的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节(3)至三相永磁无刷直流电机(4)绕组；三相永磁无刷直流电机(4)制动运行时，同样通过以FPGA为核心的控制器(7)控制三相半桥功率放大器(6)中的三个达林顿功率管V1～V3的导通顺序，并保证三相永磁无刷直流电机(4)导通相通过的电流与输入的电流或力矩指令一致，由此实现了对三相永磁无刷直流电机(4)在二、四象限工作时输出力矩的控制；与三相永磁无刷直流电机(4)工作在一、三象限时不同，三相永磁无刷直流电机(4)工作在二、四象限时，导通相的反电势与通过的电流的方向相反；
所述以FPGA为核心的控制器(7)包括FPGA、电流信号模数转换芯片、电压信号模数转换芯片、D/A模块、电压检测环节和控制电压分配环节；电流检测环节(3)输出的电流反馈信号经过电流信号模数转换芯片进行采样，电流信号采样值与外部输入的电流参考值相减，差值作为FPGA中电流环PID算法的输入量，电流环PID算法的输出量输出给D/A模块，D/A模块的输出经过控制电压分配环节生成三相半桥功率放大器(6)的控制信号，三相半桥功率放大器(6)输出的电压反馈信号经过电压检测环节后输入给电压信号模数转换芯片，电压信号模数转换芯片的采样值与外部输入的电压参考值相减，差值作为FPGA中电压环PID算法的输入量，电压环PID算法的输出量经FPGA的PWM波形发生模块生成buck电路(2)的控制信号PWM_V4。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***，其特征在于：所述buck电路(2)的调节对象为三相半桥功率放大器(6)中与三相永磁无刷直流电机(4)导通相连接的达林顿功率管V4的集电极-发射极电压。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制***，其特征在于：当所述能耗制动状态时，buck电路(2)的达林顿功率管V4处于关断状态，电流经buck电路(2)的二极管D1和电感L2、电流检测环节(3)、三相永磁无刷直流电机(4)、三相半桥功率放大器(6)形成闭环回路；当所述反接制动模式时，电流由+28V电源输入，经滤波电路(1)、buck电路(2)的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节(3)、三相永磁无刷直流电机(4)和三相半桥功率放大器(6)，返回+28V电源地。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160420 Termination date: 20190912 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |