CN114389489B - 一种空间飞轮用无刷直流电机驱动*** - Google Patents

一种空间飞轮用无刷直流电机驱动*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***，该***包括：驱动控制电路、BUCK降压电路、能耗控制电路和多路选择开关电路；驱动控制电路，用于产生控制所述多路选择开关电路中开关管开关变换的驱动信号；BUCK降压电路，用于将母线电压转换成电机的驱动电压；能耗控制电路，包括一级能耗控制电路和二级能耗控制电路，用于降低能耗制动与反接制动速度切换点，提高飞轮运行稳定性并降低功耗；多路选择开关电路，用于控制电机正反转驱动及反接制动运行。解决了现有技术中空间飞轮控制精度及稳定低、空间飞轮成本高、空间飞轮功耗大并并且飞轮使用寿命短的问题。

Description

一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***。
背景技术
空间飞轮是卫星姿态控制***常用的执行机构，通过动量交换的方式输出反作用力矩实现卫星姿态控制。空间飞轮一般采用无刷直流电机，如图1所示，目前常用的飞轮用无刷直流电机驱动电路拓扑图，采用4片高低侧驱动控制芯片U1～U4控制开关管Q1～Q8，实现无刷直流电机绕组UVW的通断控制。其中U1高侧控制Q1低侧控制Q8，其中U1由于低侧电压较高，无法采用自举电路实现，因此采用隔离DCDC实现芯片高侧供电。由于隔离DCDC器件易受空间辐照环境影响，因此空间用隔离DCDC器件需进行特殊设计及加固处理，成本较高，且体积较大，对飞轮体积、重量及成本均产生不利影响。
另外，目前常用设计中开关管Q1仅作为开关使用，电机驱动控制主要使用Q2～Q7进行PWM控制，该方式使母线电压直接作用在电机绕组上，导致电机转动时转矩脉动较大，影响飞轮控制精度，并造成微震动加剧轴承等承力部件磨损，影响飞轮使用寿命。
另外，目前常用设计中能耗电路采用Q8单管调制，能耗电阻R1为固定值，为保护电机绕组，高速下能耗制动产生的功率大部分均需转换为R1的热功率，因此R1电阻值一般至少为电机线电阻两倍。由于R1值较大，为保证能耗制动加速度满足使用要求，能耗制动与反接制动速度切换点一般较大，比如额定转速6000rpm的飞轮，切换点在2000rpm左右，且切换点附近转矩脉动较大，而一般飞轮大部分运行在2000rpm左右，这就造成飞轮控制稳定性较差，且反接制动需使用外部电源供电，因此功耗较大。
发明内容
本发明旨在提供一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***，用以解决现有技术中空间飞轮控制精度及稳定低、空间飞轮成本高、空间飞轮功耗大并并且飞轮使用寿命短的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
在本发明的实施方式中，提供了一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***，包括：驱动控制电路、BUCK降压电路、能耗控制电路和多路选择开关电路；
驱动控制电路，用于产生控制所述多路选择开关电路中开关管开关变换的驱动信号；
BUCK降压电路，用于将母线电压转换成电机的驱动电压；
能耗控制电路，包括一级能耗控制电路和二级能耗控制电路，用于降低能耗制动与反接制动速度切换点，提高飞轮运行稳定性并降低功耗；
多路选择开关电路，用于控制电机正反转驱动及反接制动运行。
进一步地，所述驱动控制电路包括：驱动控制电路U1、驱动控制电路U2、驱动控制电路U3、驱动控制电路U4、驱动控制电路U5；
驱动控制电路U1用于控制开关管Q1和开关管Q8，通过开关管Q1实现BUCK降压电路通断控制，通过开关管Q8实现电机一级能耗电路通断控制；
驱动控制电路U2用于控制开关管Q2和开关管Q5，以实现无刷直流电机绕组U的通断控制；
驱动控制电路U3用于控制开关管Q3和开关管Q6，以实现无刷直流电机绕组V的通断控制；
驱动控制电路U4用于控制开关管Q4和开关管Q7，以实现无刷直流电机绕组W的通断控制；
驱动控制电路U5用于控制开关管Q9，以实现电机二级能耗电路通断控制。
进一步地，所述驱动控制电路U1包括：驱动芯片U1、电阻R4、电阻R84、电容C3、第一高侧自举电路和稳压电路；
所述第一高侧自举电路包括二极管D2和电容C2，用于实现驱动控制芯片U1的高侧自举供电；
所述稳压电路包括电阻R5、电阻R6和稳压管D3，用于实现驱动芯片U1的高侧稳压13V供电。
进一步地，所述BUCK降压电路包括开关管Q1、电感L4、电容C1和二极管D1，用于将母线电压转换成需要的电压直接驱动电机。
进一步地，所述驱动控制电路U1中第一高侧自举电路和稳压电路共同提供驱动芯片U1高侧的供电，稳压电路用于在BUCK降压电路开始工作的瞬间实现高侧稳压13V供电，第一高侧自举电路用于在BUCK电路稳定工作后，稳定提供供电回路，持续供高侧电。
进一步地，所述驱动控制电路U2包括驱动芯片U2、第二高侧自举电路、电阻R8、电阻R9和电容C5；
所述驱动控制电路U3包括驱动芯片U3、第三高侧自举电路、电阻R10、电阻R11和电容C7；
所述驱动控制电路U4包括驱动芯片U4、第四高侧自举电路、电阻R12、电阻R13和电容C9；
所述多路选择开关电路为开关管Q2～Q7构成的逆变器；
所述驱动控制电路U2～U4用于控制所述多路选择开关电路，实现电机正反转驱动及反接制动运行。
进一步地，所述驱动控制电路U5包括驱动芯片U5、电阻R14和电容C10；
驱动芯片U5低侧输出控制Q9通断以实现对电机的二级能耗制动运转控制。
进一步地，所述第二、第三、第四高侧自举电路均包括二极管和电容，用以实现驱动控制芯片U2～U4的高侧自举供电。
进一步地，所述一级能耗控制电路包括：一级能耗开关管Q8、一级能耗电阻R1；所述二级能耗控制电路包括：二级能耗开关管Q9、二级能耗电阻R3；飞轮用无刷直流电机在额定转速范围内的制动模式，在高转速下使用一级能耗控制电路进行一级能耗制动，在中低转速下使用二级能耗控制电路进行二级能耗制动；
所述一级能耗电阻R1阻值为电机线电阻阻值2～3倍，二级能耗电阻R3阻值为电机线电阻阻值50％以内。
进一步地，所述驱动控制电路U1包括：驱动芯片U1、电阻R4、电阻R84、电容C3、第一高侧自举电路和稳压电路；
所述第一高侧自举电路包括：二极管D2和电容C2；低侧供电与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与电容C2的一端和驱动芯片U1的高端浮置电源电压分别连接；C2的另一端与驱动芯片U1的高端浮置电源偏移电压和开关管Q1源极分别连接；
所述稳压电路包括：电阻R5、电阻R6和稳压管D3；母线电压VCC与R6的一端连接，电阻R6的另一端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与驱动芯片U1的高端浮置电源电压连接，开关管Q1源极与稳压管D3的阳极相连，稳压管D3的阴极和驱动芯片U1的高端浮置电源电压连接；
驱动芯片U1的高端输出通过R4与开关管Q1栅极连接；
驱动芯片U1的低端输出通过R84与开关管Q8栅极连接；
驱动芯片U1的低端固定电源电压和公共端通过电容C3连接；
驱动芯片U1的逻辑电源电压连接5V输入；
驱动芯片U1的逻辑电路地电位端和关断端接地；
驱动芯片U1的逻辑高端输入与PWMQ1连接；
驱动芯片U1的逻辑低端输入与PWMQ8连接。
本发明的有益效果：
本发明一种空间飞轮用无刷直流电机驱动电路，利用BUCK降压电路的设计实现飞轮电机高精度稳定运行，大幅提高飞轮控制精度及运行稳定性；利用一二级能耗制动电路设计，实现飞轮大范围内能耗制动，将能耗制动与反接制动的切换点降至较低转速，实现飞轮正常运转范围内稳定运行，有效降低力矩波动及飞轮功耗；利用高侧自举电路+稳压电路实现BUCK电流高侧驱动供电，完美替代昂贵的隔离DCDC器件，实现了低功耗、低成本、小体积、轻量化以及高可靠性的驱动供电设计。解决现有技术中空间飞轮控制精度及稳定低、空间飞轮成本高、空间飞轮功耗大并并且飞轮使用寿命短的问题。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为现有技术中飞轮用无刷直流电机驱动电路拓扑图；
图2为本申请一个实施例所示的一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***电路拓扑图；
图3为本申请一个实施例所示的一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***电路驱动控制电路U1的电路图；
图4为本申请一个实施例所示的一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***电路驱动控制电路U2的电路图；
图5为本申请一个实施例所示的一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***电路驱动控制电路U3的电路图；
图6为本申请一个实施例所示的一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***电路驱动控制电路U4的电路图；
图7为本申请一个实施例所示的一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***电路驱动控制电路U5的电路图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***的拓扑结构，包括：驱动控制电路、BUCK降压电路、能耗控制电路和多路选择开关电路；
驱动控制电路，用于产生控制所述多路选择开关电路中开关管开关变换的驱动信号；
BUCK降压电路，用于将母线电压转换成电机的驱动电压；
能耗控制电路，包括一级能耗控制电路和二级能耗控制电路，用于降低能耗制动与反接制动速度切换点，提高飞轮运行稳定性并降低功耗；
多路选择开关电路，用于控制电机正反转驱动及反接制动运行。
下文中，参考图2至图7，对空间飞轮用无刷直流电机驱动***及驱动控制电路U1～U5进行详细描述
具体地，如图2所示，空间飞轮用无刷直流电机驱动***拓扑结构中包括：驱动控制电路、母线BUCK开关管Q1、BUCK稳压滤波电容C1、BUCK储能电感L4、BUCK续流二极管D1、三相电机开关管Q2～Q7、一级能耗开关管Q8、一级能耗电阻R1、二级能耗开关管Q9、二级能耗电阻R3及电流采样电阻R2。
所述驱动控制电路包括：驱动控制电路U1～U5。驱动控制电路用5片半桥高低侧驱动芯片U1～U5，接收前端电路发出的控制信号PWMQ1～PWMQ9，并将控制信号进行隔离与放大，实现对开关管Q1～Q9的驱动控制。开关管Q1～Q4为高侧驱动，开关管Q5～Q9为低侧驱动，驱动控制电路U1用于控制开关管Q1和开关管Q8，通过开关管Q1实现BUCK降压电路通断控制，通过开关管Q8实现电机一级能耗电路通断控制；驱动控制电路U2用于控制开关管Q2和开关管Q5，以实现无刷直流电机绕组U的通断控制；驱动控制电路U3用于控制开关管Q3和开关管Q6，以实现无刷直流电机绕组V的通断控制；驱动控制电路U4用于控制开关管Q4和开关管Q7，以实现无刷直流电机绕组W的通断控制；驱动控制电路U5用于控制开关管Q9，以实现电机二级能耗电路通断控制。可选地，驱动芯片U1～U5型号可为IR2110S，开关管Q1～Q9型号可为IRF540NS。
具体地，如图3所示，驱动控制电路包括驱动控制电路U1，用于控制开关管Q1和开关管Q8，通过开关管Q1实现BUCK降压电路通断控制，通过开关管Q8实现电机一级能耗电路通断控制。具体地，驱动控制电路U1可以包括：驱动芯片U1、电阻R4、电阻R84、电容C3、第一高侧自举电路和稳压电路；其中，驱动控制电路中驱动芯片U1的高端输出(HO)通过R4与开关管Q1栅极连接；驱动芯片U1的低端输出(LO)通过R84与开关管Q8栅极连接；驱动芯片U1的低端固定电源电压(VCC)和公共端(COM)通过电容C3连接；驱动芯片U1的逻辑电源电压(VDD)连接5V输入；驱动芯片U1的逻辑电路地电位端(VSS)和关断端(SD)接地；驱动芯片U1的逻辑高端输入(HIN)与PWMQ1连接；驱动芯片U1的逻辑低端输入(LIN)与PWMQ8连接。
可选地，电阻R4和电阻R84阻值可为27Ω；电容C3可为0.1μF。
所述驱动控制电路U1包括第一高侧自举电路和稳压电路，所述驱动控制电路U1中第一高侧自举电路和稳压电路共同提供驱动芯片U1高侧的供电，低侧供电+12V通过快恢复二极管D2及无极性电容C2实现高侧自举供电，稳压电路用于在BUCK降压电路开始工作的瞬间，母线电源VCC通过R5、R6及稳压管D3实现高侧稳压13V供电，实现高侧稳压13V供电，第一高侧自举电路用于在BUCK电路稳定工作后，稳定提供供电回路，持续供高侧电，保证U1在任何时刻高侧均有稳定供电。
具体地，第一高侧自举电路包括：二极管D2和电容C2，用于实现驱动控制芯片U1的高侧自举供电；其中，低侧供电12V与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与电容C2的一端和驱动芯片U1的高端浮置电源电压(VB)分别连接；C2的另一端与驱动芯片U1的高端浮置电源偏移电压(VS)和开关管Q1源极分别连接；
所述稳压电路包括：电阻R5、电阻R6和稳压管D3，用于实现驱动芯片U1的高侧稳压13V供电。其中，母线电压VCC与R6的一端连接，电阻R6的另一端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与驱动芯片U1的高端浮置电源电压(VB)连接，开关管Q1源极与稳压管D3的阳极相连，稳压管D3的阴极和驱动芯片U1的高端浮置电源电压连接；
可选地，第一高侧自举电路中快恢复二极管D2型号可为1N4148，无极性电容C2容值可为2.2uF；稳压电路中电阻R5和电阻R6阻值可为2.7KΩ，稳压管D3型号可为2CW61。
与现有技术相比，驱动芯片U1高侧的供电由第一高侧自举电路和稳压电路共同提供，但起作用的过程有所区别。由于稳压二极管D3稳压输出电流较小，最大只有16mA，无法满足长期驱动开关管Q1的目的，而BUCK电压稳定工作后，第一高侧自举电路可通过二极管D1导通期间稳定提供供电回路，持续供高侧电，且功率足够，因此稳压电路主要在过渡过程(即BUCK电路开始工作的瞬间)起作用，BUCK电路稳定工作后，则由自举电路起主要作用。若只通过稳压电路供电，则稳压管功率需选择大功率稳压管，体积较大，且功耗较高，同时稳压二极管长期大负载运行可靠性降低；若只通过自举电路，则在BUCK电路停止运行一定时间后，自举电容C2储存的电荷耗尽，且试图重新启动BUCK电路时，由于BUCK电路停止运行二极管D1不导通，缺少稳定的自举电流回路，则自举电路无法工作导致Q1管无法导通，从而发生飞轮电机不受控，这在飞轮运行中是不可接受的。因此选用自举电路+小功率稳压电路结合的方式，既能保证电机额定转速内加减速实时受控，又能保证稳压管小功率可靠运行。
参考图2和图3，空间飞轮用无刷直流电机驱动***驱动控制电路U1控制BUCK降压电路，用于将母线电压转换成需要的电压直接驱动电机。具体地，BUCK降压电路包括：开关管Q1、电感L4、电容C1和二极管D1；其中开关管Q1的栅极通过R4与与驱动芯片U1的高端输出(HO)连接；开关管Q1的漏极与母线VCC连接；开关管Q1的源极分别接电感L4的一端和二极管D1的阴极；电感L4的另一端与电容C1的一端连接，其连接点做降压电路的输出Vbuck；二极管D1的阳极和电容C1的另一端均接地。
可选地，电感L4感值可为500uH，快恢复二级管D1型号可为1N5809，电容C1的容值可为150uF。
参考图2和图3，空间飞轮用无刷直流电机驱动***驱动控制电路U1还控制一级能耗控制电路，用于在飞轮用无刷直流电机在额定转速范围内的制动模式，在高转速下使用一级能耗控制电路进行一级能耗制动。具体地，飞轮一级能耗控制电路包括开关管Q8和电阻R1，其中开关管Q8的栅极通过R84与驱动控制电路驱动芯片U1的低端输出(LO)连接，Q8的漏极通过一级能耗电阻R1与BUCK降压电路的输出Vbuck相连，Q8的源极接地；
电阻R1大小与电机线电阻阻值相关，优选地，一级能耗电阻阻值为电机线电阻阻值2～3倍左右，保证能耗功率大部分耗散在能耗电阻R1内。
具体地，如图4所示，驱动控制电路包括驱动控制电路U2，用于控制开关管Q2和开关管Q5，以实现无刷直流电机绕组U的通断控制；具体地，驱动控制电路U2可以包括：驱动芯片U2、电阻R8、电阻R9、电容C5、第二高侧自举电路；其中，驱动控制电路中驱动芯片U2的高端输出(HO)通过R8与开关管Q2栅极连接；驱动芯片U2的低端输出(LO)通过R9与开关管Q5栅极连接；驱动芯片U2的低端固定电源电压(VCC)和公共端(COM)通过电容C5连接；驱动芯片U2的逻辑电源电压端(VDD)连接5V输入；驱动芯片U2的逻辑电路地电位端(VSS)和关断端(SD)接地；驱动芯片U2的逻辑高端输入(HIN)与PWMQ2连接；驱动芯片U2的逻辑低端输入(LIN)与PWMQ5连接。可选地，电阻R8和电阻R9阻值可为27Ω；电容C5可为0.1μF。
所述驱动控制电路U2包括第二高侧自举电路，具体地，第二高侧自举电路包括：二极管D4和电容C4；用于提供驱动芯片U2高侧的供电，低侧供电+12V通过快恢复二极管D4及无极性电容C4实现高侧自举供电。其中，低侧供电12V与二极管D4的阳极连接，二极管D4的阴极与电容C4的一端和驱动芯片U2的高端浮置电源电压端(VB)分别连接；C4的另一端与驱动芯片U2的高端浮置电源偏移电压端(VS)、开关管Q2源极和开关管Q5的漏极的连接点分别连接。可选地，快恢复二极管D4型号可为1N4148，无极性电容C4容值可为2.2uF。
具体地，如图5所示，驱动控制电路包括驱动控制电路U3，用于控制开关管Q3和开关管Q6，以实现无刷直流电机绕组V的通断控制；具体地，驱动控制电路U3可以包括：驱动芯片U3、电阻R10、电阻R11、电容C7、第三高侧自举电路；其中，驱动控制电路中驱动芯片U3的高端输出(HO)通过R10与开关管Q3栅极连接；驱动芯片U3的低端输出(LO)通过R11与开关管Q6栅极连接；驱动芯片U3的低端固定电源电压(VCC)和公共端(COM)通过电容C7连接；驱动芯片U3的逻辑电源电压端(VDD)连接5V输入；驱动芯片U3的逻辑电路地电位端(VSS)和关断端(SD)接地；驱动芯片U3的逻辑高端输入(HIN)与PWMQ3连接；驱动芯片U3的逻辑低端输入(LIN)与PWMQ6连接。可选地，电阻R10和电阻R11阻值可为27Ω；电容C7可为0.1μF。
所述驱动控制电路U3包括第三高侧自举电路，具体地，第三高侧自举电路包括：二极管D5和电容C6；用于提供驱动芯片U3高侧的供电，低侧供电+12V通过快恢复二极管D5及无极性电容C6实现高侧自举供电。其中，低侧供电12V与二极管D5的阳极连接，二极管D5的阴极与电容C6的一端和驱动芯片U3的高端浮置电源电压(VB)分别连接；C6的另一端与驱动芯片U3的高端浮置电源偏移电压(VS)和开关管Q3源极分别连接。可选地，快恢复二极管D5型号可为1N4148，无极性电容C6容值可为2.2uF。
具体地，如图6所示，驱动控制电路包括驱动控制电路U4，用于控制开关管Q4和开关管Q7，以实现无刷直流电机绕组W的通断控制；具体地，驱动控制电路U4可以包括：驱动芯片U4、电阻R12、电阻R13、电容C9、第四高侧自举电路；其中，驱动控制电路中驱动芯片U4的高端输出(HO)通过R12与开关管Q4栅极连接；驱动芯片U4的低端输出(LO)通过R13与开关管Q7栅极连接；驱动芯片U4的低端固定电源电压(VCC)和公共端(COM)通过电容C7连接；驱动芯片U4的逻辑电源电压(VDD)连接5V输入；驱动芯片U4的逻辑电路地电位端(VSS)和关断端(SD)接地；驱动芯片U4的逻辑高端输入(HIN)与PWMQ4连接；驱动芯片U4的逻辑低端输入(LIN)与PWMQ7连接。可选地，电阻R12和电阻R13阻值可为27Ω；电容C9可为0.1μF。
所述驱动控制电路U4包括第四高侧自举电路，具体地，第二高侧自举电路包括：二极管D6和电容C8；用于提供驱动芯片U4高侧的供电，低侧供电+12V通过快恢复二极管D6及无极性电容C8实现高侧自举供电。其中，低侧供电12V与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极与电容C8的一端和驱动芯片U4的高端浮置电源电压(VB)分别连接；C8的另一端与驱动芯片U4的高端浮置电源偏移电压(VS)和开关管Q4源极分别连接。可选地，快恢复二极管D6型号可为1N4148，无极性电容C8容值可为2.2uF。
多路选择开关电路中开关管Q2～Q4的漏极与降压电路的输出Vbuck电压相连；开关管Q5～Q7的源极通过采样电阻R2与地相连，电流采样电阻R2讲电机电流转换为电压方便外部电路采集。
开关管Q2的栅极通过电阻R8与驱动芯片U2的高端输出(HO)连接；开关管Q5的栅极通过电阻R9与驱动芯片U2的低端输出(LO)；开关管Q2的源极与开关管Q5的漏极相连，其连接点与电容C4和驱动芯片U2的高端浮置电源偏移电压端(VS)分别连接，所述连接点作为控制信号，实现无刷直流电机绕组U的通断控制。
开关管Q3的栅极通过电阻R10与驱动芯片U3的高端输出(HO)连接；开关管Q6的栅极通过电阻R11与驱动芯片U3的低端输出(LO)；开关管Q3的源极与开关管Q6的漏极相连，其连接点与电容C6和驱动芯片U3的高端浮置电源偏移电压端(VS)分别连接，所述连接点作为控制信号，实现无刷直流电机绕组V的通断控制。
开关管Q4的栅极通过电阻R12与驱动芯片U4的高端输出(HO)连接；开关管Q7的栅极通过电阻R13与驱动芯片U4的低端输出(LO)；开关管Q4的源极与开关管Q7的漏极相连，其连接点与电容C8和驱动芯片U4的高端浮置电源偏移电压端(VS)分别连接，所述连接点作为控制信号，实现无刷直流电机绕组W的通断控制。
可选地，采样电阻R2的阻值可为0.1～0.5Ω。
具体地，如图7所示，驱动控制电路包括驱动控制电路U5，用于实现电机二级能耗电路通断控制，驱动控制电路U5包括：驱动芯片U5、电阻R14和电容C10；驱动芯片U5的低端输出通过R14与开关管Q9栅极连接；驱动芯片U5的低端固定电源电压(VCC)和公共端(COM)通过电容C10连接；驱动芯片U5的逻辑电源电压(VDD)连接5V输入；驱动芯片U5的逻辑电路地电位端(VSS)和关断端(SD)接地；驱动芯片U5的逻辑低端输入与PWMQ9连接。可选地，电阻R14阻值可为27Ω；电容C10可为0.1μF。
参考图2和图7，空间飞轮用无刷直流电机驱动***驱动控制电路U5控制二级能耗控制电路，用于在飞轮用无刷直流电机在额定转速范围内的制动模式，在中低转速下使用二级能耗控制电路进行二级能耗制动。具体地，飞轮二级能耗控制电路包括开关管Q9和电阻R3，其中开关管Q9的栅极与驱动控制电路驱动芯片U5的低端输出(LO)连接，Q9的漏极通过一级能耗电阻R3与BUCK降压电路的输出Vbuck相连，Q9的源极接地。
电阻R3大小与电机线电阻阻值相关，优选地，二级能耗电阻R3阻值为电机线电阻阻值50％以内，保证二级能耗运行转速下限尽量降低到额定转速的10％以内，达到降低能耗与反接速度切换点的目的。
飞轮用无刷直流电机需保证在额定转速范围内加减速可控，因此运行可分为驱动模式及制动模式，而制动模式根据当前转速的同又可以细分为一级能耗制动模式、二级能耗制动模式及反接制动模式，其中高转速下使用一级能耗制动模式、中低转速下使用二级能耗制动模式，低转速下使用反接制动模式。
由于正反转控制过程基本一致，下文中，以具体实施例的方式对驱动电路控制电机正转的运转过程进行详细描述。
1)飞轮从静止启动以及正转加速，驱动控制电路U1按照前端输入信号PWMQ1控制开关管Q1，进行PWM开关运行，驱动控制电路U1控制开关管Q8关断，从而实现VCC到Vbuck的调压控制，此时驱动芯片U1高侧供电主要由第一高侧自举电路提供；驱动控制电路U2～U4分别按照前端输入信号PWMQ2～PWMQ7控制相应开关管Q2～Q7，实现电机正向换相导通；同时驱动控制电路U5控制开关管Q9关断。此时电机电流通过采样电阻R2进行I-V变换为电压信号Current_V，前端电路读取该信号并进行计算以输出合适的PWM信号实现电机受控加速运行。
2)飞轮高速状态下减速，飞轮工作在一级能耗制动模式，驱动控制电路U1控制开关管Q1关断，BUCK降压电路停止工作，驱动控制电路U1按照前端输入信号PWMQ8控制开关管Q8，进行PWM开关运行，驱动控制电路U2～U4控制开关管Q2～Q7关断，同时驱动控制电路U5控制开关管Q9关断。此时，电机电流通过开关管Q2～Q7的体二极管、电阻R1、开关管Q8以及采样电阻R2，由于R1电阻较大，大部分功耗均通过电阻R1消耗掉，以此实现对电机的能耗制动。同时，前端电路读取电压信号Current_V并进行实时计算从而输出合适的PWM信号以实现电机电流可控，从而实现电机一级能耗制动的可控性。
3)飞轮中速状态下减速，飞轮工作在二级能耗制动模式，驱动控制电路U1控制开关管Q1关断，BUCK降压电路停止工作，驱动控制电路U1控制开关管Q8关断，驱动控制电路U2～U4控制开关管Q2～Q7关断，同时驱动控制电路U5按照前端输入信号PWMQ9控制开关管Q9，进行PWM开关运行。此时，电机电流通过开关管Q2～Q7的体二极管、电阻R3、开关管Q9以及电阻R2，由于此时电机为中速，反电动较小，若二级能耗电阻R3仍使用与一级能耗电阻R1相同的阻值，则无法产生足够的电机电流，因此二级能耗电阻R3阻值应大幅减下，以小于电机线电阻的一半以下为宜，此时大部分功耗均通过电机绕组消耗掉，以此实现对电机的二级能耗制动。同时，前端电路读取电压信号Current_V并进行实时计算从而输出合适的PWM信号以实现电机电流可控，从而实现电机二级能耗制动的可控性。
4)飞轮电机低速状态下减速，此时若继续使用二级能耗，则其所产生的电机电流太小，无法满足控制要求，因此需采取反接制动模式。此时驱动控制电路U1按照前端输入信号PWMQ1控制开关管Q1，进行PWM开关运行，驱动控制电路U1控制开关管Q8关断，从而实现VCC到Vbuck的调压控制，此时驱动芯片U1高侧供电先由稳压电路供电，待BUCK电路稳定运行后则由自举电路供电；驱动控制电路U2～U4分别按照前端输入信号PWMQ2～PWMQ7控制相应开关管Q2～Q7，按照电机反向换相逻辑进行导通控制；同时驱动控制电路U5控制Q9关断。此时电机电流通过采样电阻R2进行I-V变换为电压信号Current_V，前端电路读取该信号并进行计算以输出合适的PWM信号实现电机受控反接制动运行。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，所述驱动***包括：驱动控制电路、BUCK降压电路、能耗控制电路和多路选择开关电路；
驱动控制电路，用于产生控制所述多路选择开关电路中开关管开关变换的驱动信号；
BUCK降压电路，用于将母线电压转换成电机的驱动电压；
能耗控制电路，包括一级能耗控制电路和二级能耗控制电路，用于降低能耗制动与反接制动速度切换点，提高飞轮运行稳定性并降低功耗；
多路选择开关电路，用于控制电机正反转驱动及反接制动运行；
所述一级能耗控制电路包括：一级能耗开关管Q8、一级能耗电阻R1；所述二级能耗控制电路包括：二级能耗开关管Q9、二级能耗电阻R3；飞轮用无刷直流电机在额定转速范围内的制动模式，在高转速下使用一级能耗控制电路进行一级能耗制动，在中低转速下使用二级能耗控制电路进行二级能耗制动；
所述一级能耗电阻R1阻值为电机线电阻阻值2～3倍，二级能耗电阻R3阻值为电机线电阻阻值50％以内。
2.根据权利要求1所述的空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，所述驱动控制电路包括：驱动控制电路U1～U5；
驱动控制电路U1用于控制开关管Q1和开关管Q8，通过开关管Q1实现BUCK降压电路通断控制，通过开关管Q8实现电机一级能耗电路通断控制；
驱动控制电路U2用于控制开关管Q2和开关管Q5，以实现无刷直流电机绕组U的通断控制；
驱动控制电路U3用于控制开关管Q3和开关管Q6，以实现无刷直流电机绕组V的通断控制；
驱动控制电路U4用于控制开关管Q4和开关管Q7，以实现无刷直流电机绕组W的通断控制；
驱动控制电路U5用于控制开关管Q9，以实现电机二级能耗电路通断控制。
3.根据权利要求2所述的空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，所述驱动控制电路U1包括：驱动芯片U1、电阻R4、电阻R7、电容C3、第一高侧自举电路和稳压电路；
所述第一高侧自举电路包括二极管D2和电容C2，用于实现驱动控制芯片U1的高侧自举供电；
所述稳压电路包括电阻R5、电阻R6和稳压管D3，用于实现驱动芯片U1的高侧稳压13V供电。
4.根据权利要求1所述的空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，所述BUCK降压电路包括开关管Q1、电感L4、电容C1和二极管D1，用于将母线电压转换成需要的电压直接驱动电机。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，
所述驱动控制电路U1中第一高侧自举电路和稳压电路共同提供驱动芯片U1高侧的供电，稳压电路用于在BUCK降压电路开始工作的瞬间实现高侧稳压13V供电，第一高侧自举电路用于在BUCK电路稳定工作后，稳定提供供电回路，持续供高侧电。
6.根据权利要求2所述的空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，
所述驱动控制电路U2包括驱动芯片U2、第二高侧自举电路、电阻R8、电阻R9和电容C5；
所述驱动控制电路U3包括驱动芯片U3、第三高侧自举电路、电阻R10、电阻R11和电容C7；
所述驱动控制电路U4包括驱动芯片U4、第四高侧自举电路、电阻R12、电阻R13和电容C9；
所述多路选择开关电路为开关管Q2～Q7构成的逆变器；
所述驱动控制电路U2～U4用于控制所述多路选择开关电路，实现电机正反转驱动及反接制动运行。
7.根据权利要求2所述的空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，所述驱动控制电路U5包括驱动芯片U5、电阻R14和电容C10；
驱动芯片U5低侧输出控制Q9通断以实现对电机的二级能耗制动运转控制。
8.根据权利要求6所述的空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，所述第二、第三、第四高侧自举电路均包括二极管和电容，用以实现驱动控制芯片U2～U4的高侧自举供电。
9.根据权利要求2所述的空间飞轮用无刷直流电机驱动***，其特征在于，
所述驱动控制电路U1包括：驱动芯片U1、电阻R4、电阻R7、电容C3、第一高侧自举电路和稳压电路；
所述第一高侧自举电路包括：二极管D2和电容C2；低侧供电与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与电容C2的一端和驱动芯片U1的高端浮置电源电压分别连接；C2的另一端与驱动芯片U1的高端浮置电源偏移电压和开关管Q1源极分别连接；
所述稳压电路包括：电阻R5、电阻R6和稳压管D3；母线电压VCC与R6的一端连接，电阻R6的另一端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与驱动芯片U1的高端浮置电源电压连接，开关管Q1源极与稳压管D3的阳极相连，稳压管D3的阴极和驱动芯片U1的高端浮置电源电压连接；
驱动芯片U1的高端输出通过电阻R4与开关管Q1栅极连接；
驱动芯片U1的低端输出通过电阻R7与开关管Q8栅极连接；
驱动芯片U1的低端固定电源电压和公共端通过电容C3连接；
驱动芯片U1的逻辑电源电压连接5V输入；
驱动芯片U1的逻辑电路地电位端和关断端接地；
驱动芯片U1的逻辑高端输入与PWMQ1连接；
驱动芯片U1的逻辑低端输入与PWMQ8连接。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4093900A (en) * 1976-08-11 1978-06-06 General Electric Company Dynamic brake blending for an inverter propulsion system
US4216417A (en) * 1978-04-21 1980-08-05 Westinghouse Electric Corp. Transit vehicle motor operation control apparatus and method
CN1710801A (zh) * 2005-06-21 2005-12-21 北京航空航天大学 小电枢电感永磁无刷直流电动机低功耗控制***
CN101207349A (zh) * 2006-12-22 2008-06-25 海德堡印刷机械股份公司 用于印刷机的安全的电制动装置
WO2009156195A2 (de) * 2008-06-18 2009-12-30 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zum bremsen eines durch einen permanenterregten synchronmotor angetriebenen fahrzeuges
CN101694979A (zh) * 2009-10-20 2010-04-14 北京航空航天大学 一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7012392B2 (en) * 2004-02-06 2006-03-14 Honeywell International Inc. Multi-stage dynamic braking resistor network

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4093900A (en) * 1976-08-11 1978-06-06 General Electric Company Dynamic brake blending for an inverter propulsion system
US4216417A (en) * 1978-04-21 1980-08-05 Westinghouse Electric Corp. Transit vehicle motor operation control apparatus and method
CN1710801A (zh) * 2005-06-21 2005-12-21 北京航空航天大学 小电枢电感永磁无刷直流电动机低功耗控制***
CN101207349A (zh) * 2006-12-22 2008-06-25 海德堡印刷机械股份公司 用于印刷机的安全的电制动装置
WO2009156195A2 (de) * 2008-06-18 2009-12-30 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zum bremsen eines durch einen permanenterregten synchronmotor angetriebenen fahrzeuges
CN101694979A (zh) * 2009-10-20 2010-04-14 北京航空航天大学 一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HV Floating MOS-Gate Driver ICs;IR WORLD HEADQUARTERS;Application Note AN-978;第22页第1段至第23页最后一段、第26页第1段至第27页第6段 *
交流传动车辆电气制动综述;罗晓峥等;城市轨道交通研究(第1期);第73-75+80页 *
采用BUCK电路的低电感无刷直流电动机转矩脉动与损耗分析;侯红胜;刘卫国;马瑞卿;;微特电机(第07期);第73-75+80页 *

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