CN110739901A - 一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制*** - Google Patents

一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制*** Download PDF

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Abstract

一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，主要由上电保护***、多重斩波***、逆变***、12路IGBT驱动电路、电压检测电路、相电流检测、直流无刷电机、微处理器、显示输入接口电路、通讯模块和FPGA模块组成，能进行电机及驱动功率管故障自动检查和容错控制，采集相电流和电压采用新型滑模变结构观测精确计算换相位置，具有高功率密度，高可靠性的优点，可作为飞机电液作动器、静压作动器及卫星陀螺、飞轮等需要高可靠性高功率密度执行机构的无刷直流电机驱动***。

Description

一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***
技术领域
本发明涉及航空、航天及军工等领域对无刷直流电机的功率密度、可靠性及精度和效率有较高要求的领域，所发明的一种高可靠性无刷直流电机驱动***及其无位置控制具有可靠性高，功率密度大精度高的优点，可作为飞机电液静压作动器(EHA)、机电作动器(EMA)及航天用卫星陀螺、飞轮等需要高可靠性高功率密度的直流无刷电机的驱动***。
背景技术
无刷直流电机具有功率密度高，效率高的优点，在航空、航天、车辆及军工和民用等领域有广泛的用途，常规的无刷直流电机一般是三相且带有位置传感器，这不仅功率密度低，且可靠性降低，特别是航空航天有极高和极低温度的出现，且随着电机相数的增加安装精度对电机能否精确换向的影响越来越大，故特别需要采用高精度的无位置控制；为提高电机的可靠性，如采用冗余的结构即通常采用双绕组电机，这对电机的设计、制造及控制都带来很多问题，故该种电机的发展方向应该是当电机某相绕组出线问题时其余相绕组仍正常工作即具有容错的功能，且电机整体性能仍然能满足要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能容错的高可靠性、功率密度高、精度高的无刷直流电机驱动及无位置控制***。
本发明的技术解决方案为：一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，主要由上电保护***、多重斩波***、逆变***、 12路IGBT驱动电路、电压检测电路、相电流检测、直流无刷电机、微处理器、显示输入接口电路、通讯模块和FPGA模块组成，其特征在于：给***供电的直流电源高压端连接上电保护***的限流电阻R1， R1连接电容C1，电容C2和C1串联，然后连接电源低压端，电阻R2和 R3串联，首尾连接电源的高压端和低压端，中间点和电容C1和C2的中间点相连，经过上电保护***的高压端接多重斩波***的IGBT器件Q1的漏极，电感L1的一端和二极管D1的负极并接Q1的源极，IGBT 器件Q2的漏极和Q1的漏极并接与上电保护***输出的高压端，电感 L2和二极管D2的负极并接与Q2的源极，电感L1和电感L2的另一端并接，为斩波后的高电压，二极管D1和D2的正端并接于低压端，Q1和 Q2的栅极和12路IGBT驱动电路相连，斩波后的高压端和逆变***的 5相上桥臂IGBT的Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的漏极相连，Q3、Q5、 Q7、Q9、Q11的源极分别与5相下桥臂IGBT的Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的漏极相连，Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的源极并接于电源的低压端，Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12的栅极分别和12路IGBT驱动电路对应端相连，Q3和Q4，Q5和Q6，Q7和Q8， Q9和Q10，Q11和Q12的中间点分别接直流无刷电机的A相、B相、C 相、D相、E相，电压检测电路分别连接电机的A相、B相、C相、D相、 E相，把检测结果送到处理器，同时相电流检测也连接在电机的五相线上，检测的结果送到处理器，显示输入接口和处理器相连，通讯模块和处理器相连，FPGA模块和处理器相连，同时FPGA模块和12路 IGBT驱动电路相连；所述的上电保护***中限流电阻R1为热敏电阻，电容C1和C2为薄膜电容，两电容容量规格一致，两电容串联，电阻 R2和R3阻值规格一致，两电阻串联，然后和两电容并联，并中间相连；所述的多重斩波***为两个独立的斩波***，且两个斩波***所用IGBT功率管Q1和Q2互为热备份，若出现故障可以从***中隔离，其中一个功率管损坏不影响整个***工作，控制器检测相电流检测电路传送到的相电流，并进行故障判断，并把电流值传送到FPGA模块， FPGA模块根据检测到的电流，通过智能算法控制Q1和Q2的斩波频率，进而控制电机电流大小；所述的逆变桥为五全桥臂结构，所述的直流无刷电机为五相电机，逆变桥和直流无刷电机在最多两相故障的前提下能输出需要的额定转矩和额定转速，相电流检测采集电机的相电流，并把结果送到处理器，处理器判断电机各相电流是否正常，并把计算结果传送到FPGA模块，如果检测到电机或驱动某相出现故障， FPGA模块隔离此相，并相应地增加其余相的斩波频率；所述的直流无刷电机为无位置传感器结构，电压检测电路检测电机的各相电压，并把检测结果输送到FPGA模块(11)，FPGA模块(11)的软件，先把相电压变为线电压，相电流转换为线电流，然后根据电机的数学模型，构造改进的变结构滑模观测器，观测出的线反电动势为换向点，无需延时，直接换向，同时，根据换向点间隔，计算转速；所述的通讯模块(10)兼容CAN总线、1553B总线和ARINC429总线模块；逆变桥所用的IGBT功率管Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、 Q11、Q12在工作时只有开关操作，无调制操作，当电机或驱动桥臂某相出现故障时，桥臂上功率管被锁死，电机相或桥臂重新组合，这时开始进行减小转矩脉动的调制操作。
上述方案的原理是：对于独立的运载体，如飞机、卫星及火炮、汽车等，其供电一般为直流电，但直流电突然上电时，由于其瞬态过程，这时的表现类似于交流电，若无限流装置，可能因为电容的电流过大而损坏电容，这时需要在回路中增加电阻，为降低损耗，需要在电压达到最大值时把电阻从***中切除，这里的限流电阻R1选用负温度系数的热敏电阻，利用它在常温下其电阻为设计值，随着电流增加和时间的积累，电阻温升增高，达到一定值后其电阻变为零，相当于把电阻从***中切除，完成上电保护的过程，所采用的多重斩波电路为两个并联的结构，为热备份冗余，当出现故障时可以从***切除，而另外一个可以正常工作，单个斩波电路为降压电路，功率管IGBT为全控件，栅极接12路IGBT驱动电路，二极管当IGBT关闭时起续流作用，电压用来降低电流的峰值，起电流滤波作用，相电流检测得到的电流，经处理器传输到FPGA模块，FPGA模块经过电流闭环控制输出需要的占空比，通过12路IGBT驱动电路驱动Q1和Q2的开关，控制斩波后的输出电压，进而控制母线电流和相电流，完成***的电流控制，由于斩波后的电压经过电感L1和L2，其尖峰得到抑制，所以相电流检测得到的电流无尖峰值，经过斩波降压后直接送入逆变器，逆变器为5相全桥结构，之所以采用5相而不是三相结构，是因为电机的相数越多，在相同的极对数下其功率密度越高，有利于减轻电机的重量，这对运载体来说可以减轻自身的重量，增加有效载荷，而且相数越多，在某相出现故障的情况下，可以从***中切除，其余相正常工作，经研究发现，对于电机来说，其相数越多，切除一相或两相后对***的影响越小，这就大大增加了电机***的可靠性，当电机某相出现故障时，处理器根据相电流检测出的相电流和电压检测电路检测出的电压运用故障诊断方法判断出哪个相出现故障，根据故障点确定该相的 IGBT驱动电路锁死，同时调整其他无故障相桥臂的IGBT输出，达到所需要的电机扭矩及转速要求。
对于航空、航天用无刷直流电机，由于温度变化剧烈，故位置传感器是薄弱环节，采用无位置控制不仅能减小电机的体积，而且能大大增加电机的可靠性，对于无刷直流电机，利用采集到的定子相电流及电压作为输入量，以无刷直流电机数学模型为基础，搭建滑模状态观测***，通过计算滑模状态观测器的输出值和电机实际测出的输出值之间的偏差，不断的修正观测器参数，使观测器的输出值不断的收敛，接近实际值，通过选择合适的趋近律和观测器增益值，将微小的反馈偏差值进行放大，加速收敛。其线电压的状态方程为：
Figure BSA0000191536560000051
式中，X＝[iab，ibc，icd，ide，iea]T，为线电流
U＝[uab，ubc，ucd，ude，uea]T，为线电压
E＝[eab，ebc，ecd，ede，eea]T，为线反电动势
构建的滑模观测器为：
Figure BSA0000191536560000061
式中，
Figure BSA0000191536560000062
上述两式相减得：
Figure BSA0000191536560000063
Figure BSA0000191536560000064
当滑模面存在且有限时间内收敛时可以得到线反电动势：
[z1 z2 z3 z4 z5]T＝[-eab -ebc -ecd -ede -eea]T
，为了减小，采用近似的饱和函数代替饱和函数：
Figure BSA0000191536560000065
通过测量无刷直流电机线反电动势过零点即可经计算得到换向点，进而进行无刷直流电机的无位置换向控制。
通讯模块采用多种冗余的设计方案，可以兼容CAN、1553B和 ARINC429总线总线，***的命令可以通过总线传输到控制器，同时，电机的运行参数及状态如温度、电压、电流及各相状态可以通过总线传输到监控***，为了便于调试***也备有显示输入接口，也可以通过显示输入接口进行电机运行参数的监控和指令输入。
本发明与现有类似***的优点是：采用多相电机结构紧凑，功率密度大，在电机或驱动某相出现故障时，***自动判断出故障位置，并切除故障相，提高了电机***效率；采用两重的斩波控制电流，电机谐波小，效率高，电机发热小，且采用热备份的冗余结构，在一个斩波电路发生故障时，***自动切换，另外一个能满足***要求；电机通过采集相电流和电压，采用改进的滑模变结构观测来计算转子的换向点，换向点准确，无需延时，同时逆变桥部分仅实现换向而不调制，降低了电机绕组发热，提高电机精度，可作为EHA、EMA及陀螺、飞轮及汽车等运载体上的执行电机的驱动***。
附图说明
图1为本发明技术解决方案的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***示意图；
图2为本发明技术解决方案的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***软件流程图；
具体实施方式
如图1所示，一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，主要由上电保护***1、多重斩波***2、逆变***3、12路IGBT驱动电路4、电压检测电路5、相电流检测6、直流无刷电机7、微处理器8、显示输入接口电路9、通讯模块10和FPGA模块11组成，给***供电的直流电源高压端连接上电保护***1的限流电阻R1，R1连接电容 C1，电容C2和C1串联，然后连接电源低压端，电阻R2和R3串联，首尾连接电源的高压端和低压端，中间点和电容C1和C2的中间点相连，经过上电保护***1的高压端接多重斩波***2的IGBT器件Q1的漏极，电感L1的一端和二极管D1的负极并接Q1的源极，IGBT器件Q2 的漏极和Q1的漏极并接与上电保护***1输出的高压端，电感L2和二极管D2的负极并接与Q2的源极，电感L1和电感L2的另一端并接，为斩波后的高电压，二极管D1和D2的正端并接于低压端，Q1和Q2的栅极和12路IGBT驱动电路4相连，斩波后的高压端和逆变***3的5相上桥臂IGBT的Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的漏极相连，IGBT器件Q3、Q5、 Q7、Q9、Q11的源极分别与5相下桥臂IGBT的Q4、Q6、Q8、Q10、 Q12的漏极相连，Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的源极并接于电源的低压端，Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12的栅极分别和12路IGBT驱动电路4对应端相连，Q3和Q4，Q5和Q6，Q7和 Q8，Q9和Q10，Q11和Q12的中间点分别接直流无刷电机7的A相、B 相、C相、D相、E相，电压检测电路分别连接电机的A相、B相、C相、 D相、E相，把检测结果送到处理器8，同时相电流检测6，也连接在电机的五相线上，检测的结果送到处理器8，显示输入接口9和处理器 8相连，通讯模块10和处理器8相连，FPGA模块11和处理器8相连，同时FPGA模块11和12路IGBT驱动电路4相连。
如图2所示，***上电后，首先***进行初始化，然后读取从输入接口或通讯结构读入的速度给定值，这时顺序给各桥臂通电，并逐步增加频率，带动转子转动，A/D采样电路采集电机的相电流和电压信号，并把采集到的数值输送到FPGA模块，FGPA模块根据读取的数据进行计算，计算出线反电动势过零点，此过零点就是换向点，同时，检测到的电流和电压值送到DSP控制器中，DSP根据电流和电压值就行故障分析与诊断，若检测电压等于母线电压是斩波电路短路故障，若检测到电压偏小是斩波电路开路故障，控制器把故障信号显示，并锁死故障功率管，同时加大另一功率管的斩波频率，这时再进行逆变桥功率管的故障诊断，诊断方法是检测各相电流是否正常，若发现某相故障，需要此相的功率管锁死，同时电机变为4相或3相电机，根据电机的相数重新换向的拓扑结构及真值表，由于相数减少，在减少的区域可能存在很大的转矩脉动，这时需要通过改变功率管的调制频率来减小转矩脉动，若无故障，则进行常规的5相电机电流和电压控制，达到预定的速度精度。
总之，本发明的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，提供一种冗余高可靠性的电机驱动***及无位置控制算法，可用于航空、航天等需要高可靠性无刷直流电机的场合。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，主要由上电保护***(1)、多重斩波***(2)、逆变***(3)、12路IGBT驱动电路(4)、电压检测电路(5)、相电流检测(6)、直流无刷电机(7)、微处理器(8)、显示输入接口电路(9)、通讯模块(10)和FPGA模块(11)组成，其特征在于：给***供电的直流电源高压端连接上电保护***(1)的限流电阻R1，R1连接电容C1，电容C2和C1串联，然后连接电源低压端，电阻R2和R3串联，首尾连接电源的高压端和低压端，中间点和电容C1和C2的中间点相连，经过上电保护***(1)的高压端接多重斩波***(2)的IGBT器件Q1的漏极，电感L1的一端和二极管D1的负极并接Q1的源极，IGBT器件Q2的漏极和Q1的漏极并接与上电保护***(1)输出的高压端，电感L2和二极管D2的负极并接于Q2的源极，电感L1和电感L2的另一端并接，为斩波后的高电压，二极管D1和D2的正端并接于低压端，Q1和Q2的栅极和12路IGBT驱动电路(4)相连，斩波后的高压端和逆变***(3)的5相上桥臂IGBT的Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的漏极相连，Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的源极分别与5相下桥臂IGBT的Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的漏极相连，Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的源极并接于电源的低压端，Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12的栅极分别和12路IGBT驱动电路(4)对应端相连，Q3和Q4，Q5和Q6，Q7和Q8，Q9和Q10，Q11和Q12的中间点分别接直流无刷电机(7)的A相、B相、C相、D相、E相，电压检测电路分别连接电机的A相、B相、C相、D相、E相，把检测结果送到处理器(8)，同时相电流检测(6)，也连接在电机的五相线上，检测的结果送到处理器(8)，显示输入接口(9)和处理器(8)相连，通讯模块(10)和处理器(8)相连，FPGA模块(11)和处理器(8)相连，同时FPGA模块(11)和12路IGBT驱动电路(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，其特征在于：所述的上电保护***(1)中限流电阻R1为负温度系数热敏电阻，其阻值随温度的升高而迅速减小，电容C1和C2为薄膜电容，两电容容量规格一致，两电容串联，电阻R2和R3阻值规格一致，两电阻串联，然后和两电容并联，并中间点相连。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，其特征在于：所述的多重斩波***(2)为两个独立的斩波***，且两个斩波***所用IGBT功率管Q1和Q2互为热备份，正常情况下同时工作，各占总负载的一半，延长功率管使用寿命，若出现故障可以从***中隔离，其中一个功率管损坏不影响整个***工作，正常情况下控制器(8)监控相电流检测电路(6)检测到的相电流，并进行分析与故障判断，同时把电流值传送到FPGA模块(11)，FPGA模块(11)根据检测到的电流，通过智能控制算法控制Q1和Q2的斩波频率，进而控制电机电流大小和转速，当Q1或Q2出现故障时通过12路IGBT驱动电路(4)把故障管锁死，同时改变正常功率管的斩波频率。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，其特征在于：所述的逆变桥(3)为五个全桥臂结构，所述的直流无刷电机(7)为五相电机，逆变桥(3)和直流无刷电机(7)在最多两相故障的前提下能输出需要的额定转矩和额定转速，相电流检测(6)采集电机的相电流，并把结果送到处理器(8)，处理器(8)判断电机各相电流是否正常，并把计算结果传送到FPGA模块(11)，如果检测到电机某相或驱动桥臂出现故障，FPGA模块(11)通过12路IGBT驱动电路锁死该相的功率管，并相应地改变其余相的斩波频率，来改变由于减少相数而引起的转矩脉动。
5.根据权利要求1所述的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，其特征在于：所述的直流无刷电机(7)为无位置传感器结构，电压检测电路(5)检测电机的各相电压，相电流检测(6)检测电流，并把检测结果输送到FPGA模块(11)，FPGA模块(11)的软件，先把相电压变为线电压，相电流转换为线电流，然后根据电机的数学模型，构造改进的变结构滑模观测器，观测出的线反电动势为换向点，无需延时，直接换向，同时，根据换向点间隔，计算转速。
6.根据权利要求1所述的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，其特征在于：所述的通讯模块(10)兼容CAN总线、1553B总线和ARINC429总线模块。
7.根据权利要求1所述的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制***，其特征在于：逆变桥(3)所用的IGBT功率管Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12在正常工作时只有开关操作，无调制操作，当电机或驱动桥臂某相出现故障时，桥臂上功率管被锁死，电机相和桥臂重新组合，这时开始进行减小转矩脉动的调制操作。
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