RU2627493C2 - Control unit for control flywheel motor with control channel reservation - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention can be used as a part of control flywheel motors (CFM) for spacecraft orientation and stabilization systems and in areas, where high-precision control of brushless electric motors and fault tolerance of control unit components are required. The brushless electric motor control unit includes two independent feed channels equipped with an automatic key for protecting against the excess current leakage, a control channel on the microcontroller and a control channel on the programmable logic integrated circuit (PLIC), and is configured to combine independent control channels to enhance computing performance, wherein each independent control channel is provided with a corresponding group of sensors comprising a rotor position sensor and as well as temperature sensors and the current sensors for self serviceability connected respectively to the input of the microcontroller and the PLIC, the outputs of which are connected with a respective group of inverters, wherein the microcontroller of the control channel and the PLIC are interconnected to, at least, one respective microcontroller, which provides communication with the external control device. The control unit is equipped with the ROM, to which the PLIC has a direct access, and the microcontroller of the control channel has an access mediated through the PLIC. Hall sensors can be used as rotor position sensors. Two independent control channels are capable of operating as a single channel with enhanced computational performance, the element base is selected, and the circuit components are protected with automatic keys.

EFFECT: improving the accuracy of brushless motor control, providing endurance to destructive factors and technical failures, creating a control unit adapted to a wide range of supply voltages.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области систем ориентации и стабилизации космических аппаратов (КА) и может быть использовано в составе управляющих двигателей-маховиков (УДМ), представляющих собой трехфазные бесколлекторные электродвигатели постоянного тока.The invention relates to the field of spacecraft orientation and stabilization systems (SC) and can be used as part of flywheel control engines (UDM), which are three-phase brushless DC motors.

Также устройство может найти применение в областях, где требуется высокоточное управление бесколлекторными электрическими двигателями и устойчивость к сбоям компонентов блока управления.The device can also find application in areas where high-precision control of brushless electric motors and resistance to failures of components of the control unit are required.

Известно техническое решение (RU 2008147082 А, опубл. 10.06.2010, Способ управления вентильным электроприводом), в котором электродвигатель с ротором на постоянных магнитах, статорные обмотки которого подсоединены к выводам переменного тока мостового инвертора, выводами постоянного тока подключенного к источнику электропитания и емкостному накопителю. Недостатком такого решения является отсутствие измерения тока, протекающего через каждую фазу мостового инвертора, что не дает возможности диагностировать выход из строя двигателя. Также в данном решении не предполагается использование датчика положения ротора, что приводит к ухудшению качества регулирования при низких скоростях вращения ротора.A technical solution is known (RU 2008147082 A, publ. 06/10/2010, Method of controlling a valve actuator), in which an electric motor with a rotor with permanent magnets, the stator windings of which are connected to the AC terminals of the bridge inverter, the DC terminals connected to the power source and capacitive storage . The disadvantage of this solution is the lack of measurement of the current flowing through each phase of the bridge inverter, which makes it impossible to diagnose a motor failure. Also, in this solution, it is not intended to use a rotor position sensor, which leads to a deterioration in the quality of regulation at low rotor speeds.

Решение (RU 93033592 А, опубл. 27.08.1995, Вентильный электропривод), в котором для расширения технических и эксплуатационных возможностей путем расширения арсенала средств управления моментом двигателя применяют механическое управление путем поворота основных частей двигателя (статора или ротора). Предложены двигатели с поворотом ротора датчика положения или разворота роторов датчика положения и собственно двигателя, а также двигатели с непосредственным поворотом и разворотом статоров или с сопряжением ротора со статором с помощью редуктора. Недостатком такого решения является механическое управление датчиком положения ротора.Solution (RU 93033592 A, publ. 08.27.1995, Valve actuator), in which to expand the technical and operational capabilities by expanding the arsenal of engine torque controls, mechanical control is used by turning the main parts of the engine (stator or rotor). Motors with rotation of the rotor of a position sensor or a turn of rotors of a position sensor and the motor proper are proposed, as well as engines with direct rotation and rotation of the stators or with the coupling of the rotor with the stator using a gearbox. The disadvantage of this solution is the mechanical control of the rotor position sensor.

Электропривод автономного объекта с вентильным двигателем (RU 2537957, опубл. 10.01.2015) расширяет функциональные возможности электропривода с вентильным двигателем за счет дополнительного управления в зависимости от режима работы, следствием чего является повышение энергоэффективности за счет оптимизации в режиме пуска и использование режима рекуперативного торможения. При подключении данного устройства к общей шине питания переход в рекуперативный режим может приводить к возникновению помех.The electric drive of an autonomous object with a valve motor (RU 2537957, publ. 10.01.2015) expands the functionality of an electric drive with a valve motor due to additional control depending on the operating mode, which results in increased energy efficiency due to optimization in the start-up mode and the use of regenerative braking mode. When this unit is connected to a common power bus, switching to regenerative mode may cause interference.

Наиболее близким является техническое решение (патент RU 2366069 С1, опубл. 27.08.2007, Вентильный электропривод), в котором электропривод содержит электродвигатель, устройство формирования цифрового сигнала скорости, преобразователь «код-ШИМ», коммутатор, устройство формирования направления вращения, датчик положения, преобразователь сигнала обратной связи по положению в код, устройство определения ошибки по положению и устройство определения рассогласования по скорости, устройство выделения модуля и наблюдатель скорости, составленный из двух сумматоров, интегратора, устройства выделения модуля, функционального преобразователя и устройства умножения. Наблюдатель скорости по сигналу вырабатывает сигнал оценки, используемый в электроприводе в качестве обратной связи. К недостаткам данной схемы можно отнести программную реализацию алгоритма управления, в то время как реализация с использованием ПЛИС может увеличить надежность и быстродействие данного решения.The closest is the technical solution (patent RU 2366069 C1, publ. 08.27.2007, Valve actuator), in which the actuator contains an electric motor, a digital speed signal generating device, a code-PWM converter, a switch, a rotation direction forming device, a position sensor, a position feedback feedback signal converter into a code, a position error determination device and a speed mismatch determination device, a module isolation device and a speed observer composed of two x adders, integrator module isolation device functional converter and a multiplier. A signal speed observer generates an evaluation signal, which is used as feedback in the drive. The disadvantages of this scheme include the software implementation of the control algorithm, while the implementation using FPGAs can increase the reliability and speed of this solution.

Кроме того, стоит отметить, что ни одна из вышеупомянутых схем не предполагает резервирования канала управления, что грозит потерей контроля над двигателем при выходе из строя управляющего элемента. Также в данных схемах перепрограммирование управляющих элементов возможно только при очном участии оператора, что в некоторых условиях неприемлемо.In addition, it is worth noting that none of the aforementioned schemes involves redundancy of the control channel, which threatens to lose control of the engine in case of failure of the control element. Also in these schemes, reprogramming of control elements is possible only with the full-time participation of the operator, which in some conditions is unacceptable.

Для автономной работы двигателей также важна способность схемы управления к автоматической самодиагностике и принятию моментальных мер в случае сбоя.For the autonomous operation of engines, the ability of the control circuit to automatically self-diagnose and take immediate action in the event of a failure is also important.

Задачей изобретения является создание блока управления управляющим двигателем-маховиком с резервированием управляющего канала, направленного на решение упомянутых проблем и устранение недостатков известных из уровня техники устройств.The objective of the invention is the creation of a control unit for a control engine-flywheel with redundancy of the control channel, aimed at solving these problems and eliminating the disadvantages of devices known from the prior art.

Техническим результатом изобретения является повышение точности управления бесколлекторными электродвигателями, входящими в состав систем ориентации и стабилизации космических аппаратов, обеспечение выносливости к разрушающим факторам и техническим сбоям, создание блока управления, адаптированного под широкий спектр питающего напряжения. Для достижения поставленной задачи были реализованы: два независимых канала управления, способные работать как единый канал с повышенной производительностью вычислений, подбор элементной базы, защита компонентов схемы автоматическими ключами.The technical result of the invention is to increase the control accuracy of brushless electric motors that are part of the spacecraft orientation and stabilization systems, provide endurance to destructive factors and technical failures, create a control unit adapted for a wide range of supply voltage. To achieve this goal, we implemented: two independent control channels capable of working as a single channel with increased computing performance, selection of the element base, protection of circuit components with automatic keys.

Технический результат достигается тем, что блок управления бесколлекторным электрическим двигателем, включающий два независимых канала питания, снабженных автоматическими ключами для защиты от протекания избыточного тока, канал управления на микроконтроллере и канал управления на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), выполнен с возможностью комбинирования независимых каналов управления для повышения производительности вычислений, в котором каждый из независимых каналов управления снабжен соответствующей группой датчиков, включающей датчики положения ротора, а также датчики температуры и датчики силы тока для самодиагностики исправности, подключенные соответственно ко входу микроконтроллера и ПЛИС, выходы которых связаны с соответствующей группой инверторов, при этом микроконтроллер канала управления и ПЛИС взаимосвязаны, по меньшей мере, с одним соответствующим микроконтроллером, обеспечивающим связь с внешним управляющим устройством, причем блок управления снабжен ПЗУ, к которому ПЛИС имеет прямой доступ, а микроконтроллер канала управления имеет доступ, опосредованный через ПЛИС. В качестве датчиков положения ротора могут быть использованы датчики Холла.The technical result is achieved by the fact that the control unit of a brushless electric motor, including two independent power channels, equipped with automatic keys to protect against the flow of excess current, a control channel on the microcontroller and a control channel on a programmable logic integrated circuit (FPGA), is made with the possibility of combining independent channels control to improve computing performance, in which each of the independent control channels is equipped with an appropriate group sensors, including rotor position sensors, as well as temperature sensors and current sensors for self-diagnosis of health, connected respectively to the input of the microcontroller and FPGA, the outputs of which are connected to the corresponding group of inverters, while the microcontroller of the control channel and FPGA are interconnected with at least one the corresponding microcontroller that provides communication with an external control device, and the control unit is equipped with a ROM, to which the FPGA has direct access, and the channel microcontroller is controlled Oia has FPGA mediated access. Hall sensors can be used as rotor position sensors.

Изобретение поясняется структурной схемой блока управления, представленной на фиг. 1. На схеме показаны информационные каналы между компонентами (каналы энергоснабжения не обозначены).The invention is illustrated in the block diagram of the control unit shown in FIG. 1. The diagram shows the information channels between the components (power supply channels are not indicated).

Блок управления бесколлекторным электрическим двигателем, а именно управляющим двигателем-маховиком с резервированием управляющего канала, содержит два независимых канала управления, каждый из которых снабжен соответствующей группой датчиков, включая датчики 1, 2 положения ротора, например датчики Холла, а также датчики 3, 4 температуры и датчики 5, 6 силы тока для самодиагностики исправности, подключенные соответственно ко входу ПЛИС 7 и ко входу микроконтроллера 8. ПЛИС 7 имеет прямой доступ к ПЗУ 9, к которому микроконтроллер 8 имеет доступ, опосредованный через ПЛИС 7.The control unit of a brushless electric motor, namely, a flywheel control motor with redundancy of the control channel, contains two independent control channels, each of which is equipped with an appropriate group of sensors, including rotor position sensors 1, 2, for example, Hall sensors, as well as temperature sensors 3, 4 and current sensors 5, 6 for self-diagnosis of health, respectively connected to the input of the FPGA 7 and to the input of the microcontroller 8. The FPGA 7 has direct access to the ROM 9, to which the microcontroller 8 has access Mediated through 7 FPGA.

Управляющие сигналы с ПЛИС 7 и микроконтроллера 8 поступают на соответствующую группу инверторов 10 и 11 и на группы контроллеров питания и назад к микроконтроллеру 8 и ПЛИС 7 от контроллеров и ключей, входящих в блоки 12, 13 элементов, управляющих питанием. ПЛИС 7 и микроконтроллер 8 также взаимосвязаны с соответствующими микроконтроллерами 14, 15 и 16, 17, обеспечивающим связь с внешним управляющим устройством 18, в качестве которых использованы контроллеры CAN1 и Space Wire в управляющем канале ПЛИС 7, и контроллеры CAN2 и RS422 в управляющем канале микроконтроллера 8.The control signals from the FPGA 7 and the microcontroller 8 are sent to the corresponding group of inverters 10 and 11 and to the group of power controllers and back to the microcontroller 8 and the FPGA 7 from the controllers and keys included in the power supply control units 12, 13. FPGA 7 and microcontroller 8 are also interconnected with corresponding microcontrollers 14, 15 and 16, 17, providing communication with an external control device 18, which are used as CAN1 and Space Wire controllers in the FPGA control channel 7, and CAN2 and RS422 controllers in the control channel of the microcontroller 8.

Предлагаемое устройство подразумевает два независимых канала управления. При сбое одного из каналов задачи обработки данных датчиков и формирования токов на обмотках статора целиком берет на себя другой, исправный. Микроконтроллер 8 обеспечивает так называемое векторное управление, ПЛИС 7 - синусоидальное. При этом в полностью исправном состоянии ПЛИС берет на себя рутинные операции по фильтрации данных и обработке команд управления, что позволяет экономить процессорное время микроконтроллера и, как следствие, улучшить качество регулирования. Обмен данными осуществляется через двухпортовую память, реализованную в ПЛИС. Такой способ обмена позволяет реализовать работу каждого из каналов в супервизорном режиме, отслеживая работоспособность системы. При этом важно отметить, что реализация управления на ПЛИС в общем случае надежнее реализации на микроконтроллере ввиду меньшей вероятности сбоя микросхемы (но в то же время габариты ПЛИС меньше, чем при использовании дискретного набора компонент). Также несомненным плюсом схемы является возможность программировать ПЛИС непосредственно с микроконтроллера, т.е. без необходимости очного участия оператора.The proposed device implies two independent control channels. If one of the channels fails, the task of processing the sensor data and generating currents on the stator windings takes on the whole another, serviceable. The microcontroller 8 provides the so-called vector control, FPGA 7 - sinusoidal. At the same time, in a fully operational state, the FPGA takes on routine data filtering and processing control commands, which saves the processor time of the microcontroller and, as a result, improves the quality of regulation. Data is exchanged via dual-port memory implemented in the FPGA. This method of exchange allows you to implement the work of each of the channels in supervisor mode, monitoring the health of the system. It is important to note that the implementation of control on the FPGA is generally more reliable than the implementation on the microcontroller due to the lower likelihood of a chip failure (but at the same time, the dimensions of the FPGA are smaller than when using a discrete set of components). An undoubted advantage of the circuit is the ability to program the FPGA directly from the microcontroller, i.e. without the need for full-time operator participation.

Положение ротора в каждый момент времени определяется по сигналу датчиков 1, 2 положения, расположенных на плате блока управления, т.е. неподвижных относительно статора, вокруг вала ротора. Сигналы от датчиков, проходя через операционные усилители (ОУ), поступают на блок аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), отдельно для микроконтроллера 8 и ПЛИС 7.The position of the rotor at each moment of time is determined by the signal of the position sensors 1, 2 located on the control unit board, i.e. motionless relative to the stator, around the rotor shaft. The signals from the sensors, passing through operational amplifiers (op amps), are fed to the block of analog-to-digital converters (ADC), separately for microcontroller 8 and FPGA 7.

Также устройство имеет разъемы для подключения датчиков 3, 4 температуры. Данное техническое решений позволяет контролировать тепловой режим работы двигателя и предотвращать перегрев устройства, что особенно важно в управлении двигателем-маховиком космического аппарата.The device also has connectors for connecting temperature sensors 3, 4. This technical solution allows you to control the thermal mode of the engine and prevent overheating of the device, which is especially important in controlling the flywheel engine of the spacecraft.

Еще одна группа датчиков, обработка сигналов с которых проводится для контроля правильной работы схемы - датчики 5, 6 силы тока. Независимые группы датчиков, соответствующие разным каналам управления, замеряют силу тока на обмотках статора, на отдельных каналах электропитания.Another group of sensors, the processing of signals from which is carried out to monitor the correct operation of the circuit - current sensors 5, 6. Independent groups of sensors corresponding to different control channels measure the current strength on the stator windings, on individual power supply channels.

Ток на обмотках двигателя определяется работой двух групп широтно-импульсных модуляторов (ШИМ). Драйверы одной группы ШИМ управляются сигналами микроконтроллера 8, драйверы второй - сигналами ПЛИС 7. Как было отмечено выше, каждая группа по отдельности обеспечивает управление двигателем при неисправности второй группы.The current on the motor windings is determined by the work of two groups of pulse-width modulators (PWM). The drivers of one PWM group are controlled by the signals of the microcontroller 8, the drivers of the second one are controlled by the FPGA signals 7. As noted above, each group individually provides motor control in the event of a malfunction of the second group.

Связь блока управления с внешними системами 18 (например, с бортовым компьютером КА) организована по нескольким интерфейсам. Использование различных групп контроллеров 14, 15 (CAN1 и Space Wire) и 16, 17 (CAN2 и RS422) обеспечивает независимое взаимодействие соответственно с обоими управляющими каналами на ПЛИС 7 и на микроконтроллере 8. Таким образом, CAN канал является полностью резервированным, а остальные используются для расширения функциональности изделия.The communication of the control unit with external systems 18 (for example, with the on-board computer of the spacecraft) is organized via several interfaces. Using different groups of controllers 14, 15 (CAN1 and Space Wire) and 16, 17 (CAN2 and RS422) provides independent interaction with both control channels on FPGA 7 and microcontroller 8. Thus, the CAN channel is completely redundant, and the rest are used to expand the functionality of the product.

Схема электропитания блока управления также построена из соображений сохранения максимально возможной работоспособности схемы при сбоях. Два независимых канала питания рассчитаны на работу от 10 В до 32 В. С помощью импульсных преобразователей напряжения разделяется на множество каналов разного напряжения. Питание всех компонентов схемы происходит через массив автоматических ключей с индикацией неисправности. Таким образом, блок управления защищен от протекания избыточных токов в случае короткого замыкания на каком-либо из элементов схемы.The power supply circuit of the control unit is also built out of considerations of maintaining the maximum possible operability of the circuit in case of failures. Two independent power channels are designed to operate from 10 V to 32 V. Using pulsed voltage converters, it is divided into many channels of different voltages. All components of the circuit are powered through an array of automatic keys with an indication of a malfunction. Thus, the control unit is protected against excessive currents in the event of a short circuit on any of the circuit elements.

Устройство рассчитано на работу в системах с шинной архитектурой питания, поэтому по умолчанию рекуперативное торможение запрещено, так как может ухудшить совместимость устройств на шине. В качестве устройств, ограничивающих обратный ток, используются полевые транзисторы с контролем направления протекания тока - супер-диоды.The device is designed to work in systems with a bus power architecture, therefore, by default, regenerative braking is prohibited, as it may impair the compatibility of devices on the bus. As devices limiting the reverse current, field-effect transistors are used with control of the direction of current flow - super-diodes.

Claims (2)

1. Блок управления бесколлекторным электрическим двигателем, включающий два независимых канала питания, снабженных автоматическими ключами для защиты от протекания избыточного тока, канал управления на микроконтроллере и канал управления на ПЛИС, выполненный с возможностью комбинирования независимых каналов управления для повышения производительности вычислений, в котором каждый из независимых каналов управления снабжен соответствующей группой датчиков, включающей датчики положения ротора, а также датчики температуры и датчики силы тока для самодиагностики исправности, подключенные соответственно ко входу микроконтроллера и ПЛИС, выходы которых связаны с соответствующей группой инверторов, при этом микроконтроллер канала управления и ПЛИС взаимосвязаны, по меньшей мере, с одним соответствующим микроконтроллером, обеспечивающим связь с внешним управляющим устройством, причем блок управления снабжен ПЗУ, к которому ПЛИС имеет прямой доступ, а микроконтроллер канала управления имеет доступ, опосредованный через ПЛИС.1. The control unit of a brushless electric motor, including two independent power channels, equipped with automatic keys to protect against the flow of excess current, a control channel on the microcontroller and a control channel on the FPGA, made with the possibility of combining independent control channels to increase computing performance, in which each of independent control channels is equipped with an appropriate group of sensors, including rotor position sensors, as well as temperature sensors and sensors current channels for self-diagnosis of health, connected respectively to the input of the microcontroller and FPGA, the outputs of which are connected to the corresponding group of inverters, while the microcontroller of the control channel and the FPGA are interconnected with at least one corresponding microcontroller that provides communication with an external control device, and the control unit equipped with ROM, to which the FPGA has direct access, and the microcontroller of the control channel has access mediated through the FPGA. 2. Блок управления по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчиков положения ротора использованы датчики Холла.2. The control unit according to claim 1, characterized in that Hall sensors are used as rotor position sensors.

Images