CN103633901A - 航空泵用高压无刷直流电动机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空泵用高压无刷直流电动机控制方法，通过对霍尔位置传感器检测无刷直流电动机的转子位置信号进行数字转换，然后进行脉冲调制得到6路控制信号，功率逆变电路接按照控制信号的控制逻辑，使上桥臂3个功率MOSFET和下桥臂3个功率MOSFET依次通断，使加在逆变桥上下桥臂间的270V直流电逆变为三相交流电输出至电动机三相绕组，实现电动机三相六状态工作模式下的无刷化运行。同时在电动机运行过程中以霍尔电流传感器的输出电压信号控制电动机的转速，从而使总的消耗电流降低，达到电流控制的目的。本发明方案解决航空燃油***采用传统无刷直流电动机控制技术所带来的维护性差、可靠性低、效率低、难以进行功能扩展等问题。

Description

航空泵用高压无刷直流电动机控制方法

技术领域

本发明属于高压无刷直流电动机控制方法，涉及一种航空泵用高压无刷直流电动机控制方法。

背景技术

目前的无刷直流电动机控制技术主要有模拟控制电路、模拟数字混合控制电路、专用集成控制电路、微处理器控制电路、数字信号处理器控制电路等。

传统的无刷直流电机控制器一般由模拟器件以硬接线的方式构成。模拟控制***价格便宜，使用方便，在很长的一段时间里，它们是构成各类电机控制***的主要手段。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件的老化和温漂问题等，由于采用了硬接线，***升级困难。

由于模拟控制***的本质缺陷，使它很难满足现代电子***的设计要求，因此，数字控制***应运而生。最初的数字控制***都是以单片机为主控芯片，受单片机本身结构的限制，以其为核心所组成的单片机控制***仍然需要较多的***器件，***中元器件的增加使得***的可靠性、可维护性降低。在单片机控制***发展的同时，一些厂家开发出了电动机控制专用芯片，电机专用芯片具有用户可编程的特点，它以硬件方式对电机的各类传感器信号进行检测，根据外部输入命令输出相应的控制信号。这类芯片价格便宜，执行速度快，但是所能实现的控制功能简单，难以满足高性能控制场合的需要。

随着电路大规模集成技术的发展，复杂可编程逻辑电路（CPLD）应运而生。它是从传统PAL和GAL器件发展出来的器件，相对规模而言，结构复杂，属于大规模集成电路的范围，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。在无刷直流电动机控制中应用较多，由于其内部集成了数千逻辑电路，大大简化了传统模拟控制电路，且使逻辑控制更加简单，可靠性更高。但以CPLD为控制核心的无刷电动机***功能简单，仅应用于直接驱动电动机按规定的要求运行。如果***需要与外部设备进行通讯，或者需要扩展其它功能，则由于CPLD资源有限，无法满足现代智能化无刷直流电动机的需求。

从目前的发展趋势来看，以数字信号处理器(DSP)为核心的控制电路将代表无刷直流电机电子换向控制器的发展方向。针对电机控制所设计的DSP芯片运算速度远远高于单片机，而且片内集成了模拟/数字转换器、数字FO以及专门用于电机控制的PWM脉冲发生器等，使得它们从硬件机制上可以较好地满足电机控制***的要求。

目前以DSP为控制核心的无刷直流电动机控制器主要有两种方式，一种是仅用DSP进行控制，所有逻辑运算、电子换向、***通讯等等。这种控制方式使得DSP的软件量过于复杂、程序代码庞大，导致代码测试困难，维护性大大降低，且通过软件进行的各项***保护响应时间慢，降低了***的可靠性。

另外一种是以DSP作为控制核心，以CPLD作为逻辑综合以及各项***保护。这种控制方式发挥了DSP以及CPLD各自的优势，***的逻辑运算、电子换向等逻辑功能均有CPLD完成，减轻了DSP的负担，使软件代码简单，便于测试及维护。但这种控制方式仍然带来***可靠性低的缺点。由于DSP内部有CPU、程序存储器、数据存储器、中断、I/O口等配置，需要CPU来协同工作，其软件存储于程序存储器中，程序运行时有“跑飞”的风险，会造成电动机短时失控和重新起动，导致控制器逆变器部分器件失效，降低了***运行的可靠性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种航空泵用高压无刷直流电动机控制方法。

技术方案

一种航空泵用高压无刷直流电动机控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过霍尔位置传感器检测无刷直流电动机的转子位置信号，并将采集到的模拟信号调理使得三相位置信号每项相隔120度角；再转换为0或1的数字信号，使得三相位置信号每项相隔120度角，输出3路幅值为5V的方波数字信号；

步骤2：将3路方波数字信号与两路频率为5.2kHz、幅值为5V、占空比为49.5%的方波信号进行调制，当接收的控制信号为1和0时，则每路方波信号的占空比降为48%，当接收的控制信号为0和1时，则每路方波信号的占空比降为45%；输出六路幅值为5V、频率为10.4kHz且每路信号相差60度角的控制信号；

步骤3：对6路调控制信号延迟20us；

步骤4：将延迟后的6路调制信号放大20倍后输出至功率逆变电路；

步骤5：功率逆变电路接收到6路控制信号，按照控制信号的控制逻辑，使上桥臂3个功率MOSFET和下桥臂3个功率MOSFET依次通断，使加在逆变桥上下桥臂间的270V直流电逆变为三相交流电输出至电动机三相绕组，实现电动机三相六状态工作模式下的无刷化运行；所述上桥臂3个MOSFET编号依次为1、3、5，下桥臂3个MOSFET编号依次为4、6、2；导通顺序为上1、下6；上1、下2；上3、下2；上3、下4；上5、下4；上5、下6；

在电动机运行中的电流闭环控制为：

当检测到的霍尔电流传感器输出的电压信号大于2.7V时，降低两路脉宽调制信号的占空比，使得输出至电动机绕组上的电压降低，进而使电动机转速降低，从而使总的消耗电流降低，达到电流控制的目的。

有益效果

本发明提出的一种航空泵用高压无刷直流电动机控制方法，通过对霍尔位置传感器检测无刷直流电动机的转子位置信号进行数字转换，然后进行脉冲调制得到6路控制信号，功率逆变电路接按照控制信号的控制逻辑，使上桥臂3个功率MOSFET和下桥臂3个功率MOSFET依次通断，使加在逆变桥上下桥臂间的270V直流电逆变为三相交流电输出至电动机三相绕组，实现电动机三相六状态工作模式下的无刷化运行。同时在电动机运行过程中以霍尔电流传感器的输出电压信号控制电动机的转速，从而使总的消耗电流降低，达到电流控制的目的。

本发明方案解决航空燃油***采用传统无刷直流电动机控制技术所带来的维护性差、可靠性低、效率低、难以进行功能扩展等问题，同时为满足高压供电体制下燃油泵用无刷直流电动机的需求。

附图说明

图1：本发明的流程图

图2：本发明实施例的电流闭环电路示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例采用以复杂可编程逻辑电路（CPLD）作为电动机的控制核心，进行***各信号的逻辑综合、电动机电子换向信号的时序控制、及***故障的快速保护等功能；以数字信号处理器(DSP)作为***分级调速、状态检测、BIT自检、***通讯的核心，对***的各项工作状态进行实时监测，同时进行***启动BIT、周期BIT，并将***状态及BIT结果与外部设备通过RS-485接口电路进行实时通讯，同时完成***扩展的分级调速功能，在必要时对电动机进行分级调速。因此，本控制方法的优点在于以CPLD硬件电路完成***逻辑方面的大部分功能，减轻了DSP的负担，使DSP的程序代码简化，易于测试及维护，而***控制不受DSP的影响，即使DSP程序在运行时“跑飞”，仅仅短时影响***通讯，而不会造成电动机失控和重新启动，电动机仍然会以额定转速工作，提高了***的可靠性，另外便于***后期的功能扩展。

本发明控制方法的具体实施步骤如下：

步骤一：位置检测

位置检测电路通过霍尔位置传感器敏感无刷直流电动机的转子位置，将检测到的电动机三相转子位置信号进行调理及数字化处理。位置检测电路所检测到的位置信号为不规则的方波信号，且按照***的设定，三相位置信号应该每项相隔120度角，但由于霍尔位置传感器安装偏差以及采集电路的偏差等因素会造成三相位置信号不是完全相同的120度角，因此需要对三相位置信号进行调理，使其输出为幅值为5V的方波信号，且每项相隔120度角，并将采集到的模拟信号转换为0或者1的数字信号送入CPLD。

步骤二：脉宽调制

脉宽调制电路将设定的一路幅值为3V、频率为10.4kHz的三角波信号通过专用脉宽调制芯片7W1525AMJ调制为两路频率为5.2kHz、幅值为5V、占空比为49.5%的方波信号。

而当***需要调速的时候，脉宽调制电路接收DSP的控制信号使输出的两路方波信号占空比降低，即当接收的控制信号为1和0时，则每路方波信号的占空比降为48%，当接收的控制信号为0和1时，则每路方波信号的占空比降为45%。上述脉宽调制信号送入CPLD。

步骤三：逻辑综合

CPLD接收到经过步骤一处理的电动机三相位置信号、步骤二所调制的两路脉宽调制信号以及DSP输出的电流信号，首先对上述信号进行延迟处理，延迟即对信号延迟20us输入或者输出。

为改善信号质量，还可以对信号进行滤波和互锁：

滤波处理主要是因为***在运行的过程中信号可能会由于外界的干扰产生一些毛刺现象，可能使***误动作，或者某些参量自身的频繁变化，例如，对于电流过流信号，如果该信号的频率过高，就会导致CPLD对功率管频繁的开通或切断，势必对控制***造成危害，因此需要对信号进行滤波处理。

互锁是为了防止电子换向电路在换向时使得同一桥臂上下管直通，对***造成危害，此时需要对逆变桥同一桥臂的PWM信号做互锁处理，即当上桥臂的控制信号为高电平时，强制使同一桥臂的下桥臂控制信号为低电平，保证同一个桥臂的两个功率器件不会直通。

经过上述处理后的信号通过程序代码将CPLD中的逻辑门进行综合，即综合电动机转子位置信号、两路脉宽调制信号、电流信号等，输出六路幅值为5V、频率为10.4kHz且每路信号相差60度角的控制信号。

步骤四：信号放大及隔离

CPLD输出的六路逻辑控制信号驱动能力有限，仅有500uA左右的驱动能力，无法直接驱动后级光电耦合器，因此选用达林顿管阵列对这六路控制信号进行信号放大，将其驱动能力提高20倍。

由于CPLD输出的六路控制信号为弱电信号，而其所驱动的电路为功率模块强电电路，为确保CPLD弱电控制回路不受功率强电回路的干扰，提高***的可靠性，在CPLD控制电路与功率模块之间设计了高速光电隔离电路，即经达林顿管阵列放大后的控制信号直接驱动高速光电耦合器，光电耦合器将模拟信号通过无接触式的光电方式传输给后级电路的功率逆变。

步骤五：功率逆变

功率逆变电路接收到上述六路控制信号，按照控制信号的控制逻辑，依次使上1、下6；上1、下2；上3、下2；上3、下4；上5、下4；上5、下6的导通顺序控制逆变桥上下桥臂共6个功率MOSFET（上桥臂3个MOSFET编号依次为1、3、5，下桥臂3个MOSFET编号依次为4、6、2）的通断，使加在逆变桥上下桥臂间的270V直流电逆变为三相交流电输出给电动机三相绕组，实现电动机三相六状态工作模式下的无刷化运行。

在电动机运行中的电流闭环控制为：

电动机在起动时，突然加上给定电压，由于惯性，电动机转速为零，反电势也为零，全部给定电压加在功率逆变器的输入端，逆变器的惯性小，因此功率逆变器电压迅速达到最大值，该电压直接加在电机绕组内阻上，这时电动机电流达额定电流的十几倍，电动机相当于直接满压起动。所以必须抑制起动电流对电动机绕组和直流母线电容的冲击。

另外，***正常运行以后，在***电源电压降低或负载突然增大时，若无限流措施，电流会远远超过功率器件的允许值，不利于功率开关器件参数的极限利用，甚至会损坏功率器件。为此需要对***电源或负载突变所引起的大电流进行合理的控制。基于上述两方面原因，为此设计了电流闭环电路。

电流检测电路将霍尔电流传感器输出的电压信号（输出1V电压信号代表10A电流）与***设定的27A电流信号（即2.7V电压信号）通过电压比较器进行比较，当输入电流大于27A，即当检测到的电压信号大于2.7V时，比较器输出高电平信号，该信号通过DSP进行模数转换及电平变换后输出两路数字信号0、1或者1、0给脉宽调制电路，脉宽调制电路根据上述0、1或者1、0不同的指令降低输出的两路脉宽调制信号的占空比，最终使输出至电动机绕组上的电压降低，进而使电动机转速降低，从而使总的消耗电流降低，达到电流控制的目的。电流闭环电路如图2所示。

本发明具体应用在某型号泵用高压无刷直流电动机控制器中，与所控制的燃油泵用高压无刷直流电动机配套进行了数据测试，测试结果均满足使用要求，测试结果如下表所示。

Claims (1)

1.一种航空泵用高压无刷直流电动机控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过霍尔位置传感器检测无刷直流电动机的转子位置信号，并将采集到的模拟信号调理使得三相位置信号每项相隔120度角；再转换为0或1的数字信号，使得三相位置信号每项相隔120度角，输出3路幅值为5V的方波数字信号；

步骤2：将3路方波数字信号与两路频率为5.2kHz、幅值为5V、占空比为49.5%的方波信号进行调制，当接收的控制信号为1和0时，则每路方波信号的占空比降为48%，当接收的控制信号为0和1时，则每路方波信号的占空比降为45%；输出六路幅值为5V、频率为10.4kHz且每路信号相差60度角的控制信号；

步骤3：对6路调控制信号延迟20us；

步骤4：将延迟后的6路调制信号放大20倍后输出至功率逆变电路；

步骤5：功率逆变电路接收到6路控制信号，按照控制信号的控制逻辑，使上桥臂3个功率MOSFET和下桥臂3个功率MOSFET依次通断，使加在逆变桥上下桥臂间的270V直流电逆变为三相交流电输出至电动机三相绕组，实现电动机三相六状态工作模式下的无刷化运行；所述上桥臂3个MOSFET编号依次为1、3、5，下桥臂3个MOSFET编号依次为4、6、2；导通顺序为上1、下6；上1、下2；上3、下2；上3、下4；上5、下4；上5、下6；

在电动机运行中的电流闭环控制为：

当检测到的霍尔电流传感器输出的电压信号大于2.7V时，降低两路脉宽调制信号的占空比，使得输出至电动机绕组上的电压降低，进而使电动机转速降低，从而使总的消耗电流降低，达到电流控制的目的。

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