CN104467564A - 一种冗余的直流无刷电机控制*** - Google Patents

一种冗余的直流无刷电机控制*** Download PDF

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郭闯强
高海波
吴春亚
邹添
张子健
倪风雷
刘宏
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor

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Abstract

一种冗余的直流无刷电机控制***，涉及一种直流无刷电机控制***。为了解决现有冗余直流无刷电机控制***的体积大、重量重、且结构复杂的问题。它包括主份控制单元、备份控制单元和具有单绕组的直流无刷电机和三相数字霍尔位置传感器，具有单绕组的直流无刷电机的三相绕组同时与主份控制单元的驱动信号输出端和备份控制单元的驱动信号输出端连接，三相数字霍尔位置传感器用于采集具有单绕组的直流无刷电机的转子位置信息，并将转子位置信息同时送至主份控制单元和备份控制单元，主份控制单元和备份控制单元结构相同，且均具有电气隔离功能，主份控制单元包括控制器、电机驱动电路、开关隔离电路、数字霍尔采集电路、电源电路。用于电机控制领域。

Description

一种冗余的直流无刷电机控制***
技术领域
本发明涉及一种直流无刷电机控制***。
背景技术
直流无刷电机是基于电磁感应原理工作的一类动力输出装置，一般由定子、转子、三相对称星型绕组和三相数字霍尔位置传感器组成。具有体积小、重量轻、输出力矩大、无级调速、调速范围广、过载能力强等特点，在空间飞行器和空间机器人等领域得到了广泛应用。
随着对设备可靠性要求的提高，***常常采用冗余设计技术，即在***的关键环节采用两套或两套以上的功能相同的元件，当某一套元件出现故障时，备份元件仍能保证***正常工作。例如，在空间机器人关节***设计时，每个关节的机械本体对应设计了两套相同的电气部件及其控制***，每套***都能够独立完成机器人关节运动控制的所有工作。为了和冗余的控制***相配套，直流无刷电机为关节的动力输出单元也需要进行冗余设计，于是出现了双绕组直流无刷电机，即在直流无刷电机内部具有完全相同的两套绕组和相应的数字霍尔位置传感器，每套绕组分别对应一套关节控制器。然而，两套独立绕组的应用增加了电机的体积和重量，相应的机器人关节就需要更大的体积来安装直流无刷电机，那么对于整个空间机器人***来说，体积和重量增加的代价是巨大的。
直流无刷电机是一种驱动部件，它还需要驱动电路和信号采集电路配合工作，而驱动电路和信号采集电路都是由多个元器件组成的，从可靠性角度来分析，直流无刷电机的绕组是否冗余不是制约整个***可靠性的关键环节。
因此，由驱动电路和信号采集电路等组成的控制***采用冗余设计，电机绕组不采用冗余设计或采用局部冗余设计，就能够在***级的可靠性与体积和重量之间形成一种平衡。需要说明的是，这种控制结构的实现需要解决一套绕组所对应的两套电子电路之间的相互影响的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有冗余直流无刷电机控制***的体积大、重量重、且结构复杂的问题，本发明提供了一种冗余的直流无刷电机控制***。
一种冗余的直流无刷电机控制***，它包括主份控制单元、备份控制单元和具有单绕组的直流无刷电机和三相数字霍尔位置传感器，
所述的具有单绕组的直流无刷电机的三相绕组同时与主份控制单元的驱动信号输出端和备份控制单元的驱动信号输出端连接，三相数字霍尔位置传感器用于采集具有单绕组的直流无刷电机的转子位置信息，并将该转子位置信息同时送至主份控制单元和备份控制单元，其特征在于，
主份控制单元和备份控制单元结构相同，且主份控制单元、备份控制单元均具有电气隔离功能，
主份控制单元包括控制器、电机驱动电路、开关隔离电路、数字霍尔采集电路和电源电路，
电源电路的电源输出端通过二极管与三相数字霍尔位置传感器的电源输入端连接，三相数字霍尔位置传感器的三相数据信号输出端分别通过3个二极管与数字霍尔采集电路的数据信号输入端连接，数字霍尔采集电路用于将采集的信号送至控制器，控制器根据接收的数据信号通过控制器的1号控制端口发出控制信号控制电机驱动电路，电机驱动电路的驱动信号输出端通过开关隔离电路与具有单绕组的直流无刷电机的三相绕组连接，控制器的2号控制端口与开关隔离电路的控制信号输入端连接。
所述的具有单绕组的直流无刷电机的三个绕组具有相同的电气参数，三个绕组相差120°电角度。
三相数字霍尔位置传感器由三个相差120°电角度的霍尔效应位置传感器构成。
所述的主份控制单元和备份控制单元不同时工作。
所述的霍尔效应位置传感器采用集电极开路输出结构实现。
现有的冗余直流无刷电机控制***中包括两个控制单元和两个电机(或者一个电机本体中有两套独立绕组)，使一个控制单元对应控制一个电机(或一套独立的绕组)，而本发明简化了冗余直流无刷电机控制***的结构，减少了一个电机(或减少了一套绕组)，使两个控制单元分别控制同一个电机绕组，且提高了冗余***的可靠性。
本发明带来的有益效果是，本发明提供了一种冗余的直流无刷电机控制***，并能够相互独立工作，能够有效的减小直流无刷电机控制***的体积和重量，结构简单，并对***的可靠性基本无影响。
附图说明
图1为本发明的所述的一种冗余的直流无刷电机控制***的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种冗余的直流无刷电机控制***，它包括主份控制单元1、备份控制单元2和具有单绕组的直流无刷电机3和三相数字霍尔位置传感器3-2，
所述的具有单绕组的直流无刷电机3的三相绕组同时与主份控制单元1的驱动信号输出端和备份控制单元2的驱动信号输出端连接，三相数字霍尔位置传感器3-2用于采集具有单绕组的直流无刷电机3的转子位置信息，并将该转子位置信息同时送至主份控制单元1和备份控制单元2，主份控制单元1和备份控制单元2结构相同，且主份控制单元1、备份控制单元2均具有电气隔离功能，
主份控制单元1包括控制器1-1、电机驱动电路1-2、开关隔离电路1-3、数字霍尔采集电路1-4和电源电路1-5，
电源电路1-5的电源输出端通过二极管与三相数字霍尔位置传感器3-2的电源输入端连接，三相数字霍尔位置传感器3-2的三相数据信号输出端分别通过3个二极管与数字霍尔采集电路1-4的数据信号输入端连接，数字霍尔采集电路1-4用于将采集的信号送至控制器1-1，控制器1-1根据接收的数据信号通过控制器1-1的1号控制端口发出控制信号控制电机驱动电路1-2，电机驱动电路1-2的驱动信号输出端通过开关隔离电路1-3与具有单绕组的直流无刷电机3的三相绕组连接，控制器1-1的2号控制端口与开关隔离电路1-3的控制信号输入端连接。
本实施方式中，主份控制单元1、备份控制单元2均具有电气隔离功能主要从接入的二极管上体现出来。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种冗余的直流无刷电机控制***的区别在于，所述的具有单绕组的直流无刷电机3的三个绕组具有相同的电气参数，三个绕组相差120°电角度。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种冗余的直流无刷电机控制***的区别在于，三相数字霍尔位置传感器3-2由三个相差120°电角度的霍尔效应位置传感器构成。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的一种冗余的直流无刷电机控制***的区别在于，所述的主份控制单元1和备份控制单元2不同时工作。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三所述的一种冗余的直流无刷电机控制***的区别在于，所述的霍尔效应位置传感器采用集电极开路输出结构实现。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三所述的一种冗余的直流无刷电机控制***的区别在于，数字霍尔采集电路1-4采用电路上拉结构。

Claims (6)

1.一种冗余的直流无刷电机控制***，它包括主份控制单元(1)、备份控制单元(2)和具有单绕组的直流无刷电机(3)和三相数字霍尔位置传感器(3-2)，
所述的具有单绕组的直流无刷电机(3)的三相绕组同时与主份控制单元(1)的驱动信号输出端和备份控制单元(2)的驱动信号输出端连接，三相数字霍尔位置传感器(3-2)用于采集具有单绕组的直流无刷电机(3)的转子位置信息，并将该转子位置信息同时送至主份控制单元(1)和备份控制单元(2)，其特征在于，
主份控制单元(1)和备份控制单元(2)结构相同，且主份控制单元(1)、备份控制单元(2)均具有电气隔离功能，
主份控制单元(1)包括控制器(1-1)、电机驱动电路(1-2)、开关隔离电路(1-3)、数字霍尔采集电路(1-4)和电源电路(1-5)，
电源电路(1-5)的电源输出端通过二极管与三相数字霍尔位置传感器(3-2)的电源输入端连接，三相数字霍尔位置传感器(3-2)的三相数据信号输出端分别通过3个二极管与数字霍尔采集电路(1-4)的数据信号输入端连接，数字霍尔采集电路(1-4)用于将采集的信号送至控制器(1-1)，控制器(1-1)根据接收的数据信号通过控制器(1-1)的1号控制端口发出控制信号控制电机驱动电路(1-2)，电机驱动电路(1-2)的驱动信号输出端通过开关隔离电路(1-3)与具有单绕组的直流无刷电机(3)的三相绕组连接，控制器(1-1)的2号控制端口与开关隔离电路(1-3)的控制信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种冗余的直流无刷电机控制***，其特征在于，所述的具有单绕组的直流无刷电机(3)的三个绕组具有相同的电气参数，三个绕组相差120°电角度。
3.根据权利要求1所述的一种冗余的直流无刷电机控制***，其特征在于，三相数字霍尔位置传感器(3-2)由三个相差120°电角度的霍尔效应位置传感器构成。
4.根据权利要求1所述的一种冗余的直流无刷电机控制***，其特征在于，所述的主份控制单元(1)和备份控制单元(2)不同时工作。
5.根据权利要求3所述的一种冗余的直流无刷电机控制***，其特征在于，所述的霍尔效应位置传感器采用集电极开路输出结构实现。
6.根据权利要求1所述的一种冗余的直流无刷电机控制***，其特征在于，数字霍尔采集电路(1-4)采用电路上拉结构。
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