CN100355196C

CN100355196C - 小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统

Info

Publication number: CN100355196C
Application number: CNB2006100115778A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 刘平; 刘刚; 张庆荣; 孙津济; 王志强
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: CN1829070A

Abstract

小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，主要由限幅多路切换器、程控放大比较器、电气隔离电路、电流传感器、滤波电路、小电枢电感永磁无刷直流电动机、三相逆变桥和数字控制器等部件组成。本发明根据永磁无刷直流电动机小电枢电感的特点，当PWM占空比较大时，将不导通相端电压与电源电压参考值比较，输出换相信号；当PWM占空比较小时，将不导通相端电压与电枢绕组中点电压比较，输出换相信号；当电枢绕组和逆变桥由于故障断开时，数字控制器仍然能够得到电动机转子的位置信息。本发明有效地解决了小电枢电感高速永磁无刷直流电动机的换相控制问题，提高了驱动部件的可靠性和精度。对要求高可靠、高精度的航天器有重要的应用价值。

Description

小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统

技术领域

本发明涉及小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器的控制技术，可作为卫星、空间站等航天器姿态控制执行机构驱动部件的一种高可靠、高精度的控制方法。

背景技术

卫星、空间站等航天器的姿态控制执行机构的驱动部件要求高可靠、高精度，以保证航天器稳定、高效运行。目前姿态控制执行机构所用的驱动部件，一般采用有位置传感器的永磁无刷直流电动机。而永磁无刷直流电动机的控制系统通过位置传感器获得转子的位置信号后，依据位置信号进行换相和调速。但是，由于位置传感器电源、信号接线较多，只要其中任意一根接线发生故障，都将导致整个无刷直流电动机控制系统停止工作。其次，作为航天器的执行机构驱动部件的一部分，位置传感器很容易受到外界的影响。例如电磁辐射和温度变化都会影响位置传感器的工作性能。当受到干扰使得位置信号产生大的变化时，会导致永磁无刷直流电动机的换相的失误。再次，位置传感器安装精度有限，这样还会影响到永磁直流无刷电动机的调速性能。

综上所述，采用有位置传感器的控制，会降低航天器运行可靠性和精度。故无位置传感器的控制方法更适用于航天器用永磁无刷直流电动机。由于航天器用永磁无刷直流电动机要求具有小电枢电感的特点，以保证高速运转的能力。这样，在一个PWM周期中，电枢绕组相电流就必然存在断续状态；高速时电枢绕组中会产生峰峰值极大、频率很高的反电动势。采用现有的无位置传感器的控制方法，如端电压检测法和转子位置估计法等，将很难得到良好的控制效果，理由如下所述：

首先，无刷直流电机要求在极高的转速(几万转/分)下运转。现有的端电压检测法，是对三相绕组进行分压阻容滤波，计算出不导通相反电动势的过零点，再延后一定时间进行换相。但是，这样得到的反电动势过零点会因为永磁无刷直流电机高速运转而产生过大的相移，导致当检测到反电动势过零点后，真正的换相点已经过去，从而造成换相失误。另外，现有的转子位置估计法，在高速时必须以极高的采样频率对永磁无刷直流电机中多个物理量进行测量，然后运行复杂的算法估计出转子位置，这样即使采用主频较高的控制器也很难实时得到精确的位置信号。并且，由于位置估计算法及其复杂，所以对于高速情况而言难以实现。

其次，现有的永磁无刷直流电动机无位置传感器的控制方法一般只适用于绕组相电流不存在断续状态的情况。而小电枢电感高速永磁无刷直流电动机由于具有小电枢电感的特点。因此，在一个PWM周期中，绕组相电流就必然存在两相导通、续流和断续这三种状态。当相电流从续流状态向断流状态突变时，由于三相逆变桥中功率管的寄生电容和电枢绕组中的电感和电阻相互作用，端电压会存在二阶阻尼振荡过程。在振荡过程中，将检测到的电枢绕组端电压应用于无位置传感器的换相中，会得到不正确的结果。因此，使用现有无位置传感器的控制方法，应用于小电枢电感永磁无刷直流电动机上，都无法得到良好的控制效果。

最后，现有的无位置传感器控制方法，均是先对转子进行初始位置的估计或者把转子固定在一个确定的初始位置上，然后进行起动加速，而之后电动机的换相过程均是基于这个初始位置的。由于端电压的检测信号是由加载在三相逆变桥上的直流稳压电源提供的，一旦电枢绕组和三相逆变桥由于故障完全断开后，将无法再检测到端电压信号，也就无法再获得此阶段的位置信息。当三相电枢绕组再重新接回三相逆变桥，由于此时刻的位置信息无法得到，也就无法知道当前哪一相电枢绕组处于不导通状态，也就无法继续采用无位置传感器的方法继续进行换相控制。这对于作为卫星、空间站姿态控制执行机构的高可靠性驱动部件，是不适合的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有的无位置传感器控制技术应用于小电枢电感高速永磁无刷直流电动机时，无法在过高转速下获得精确的转子位置信息，从而进行有效换向控制的缺点；以及克服了在电枢绕组和三相逆变桥发生故障断开后，无法继续检测到换向信号的缺点，提供一种小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，该系统具有高可靠、高精度的优点。

本发明的技术解决方案是：一种小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，包括稳恒直流电源、电流传感器、三相逆变桥、永磁无刷直流电动机、电气隔离电路、数字控制器和滤波电路，稳恒直流电源给三相逆变桥一个恒定的电压，三相逆变桥根据换向信号对永磁无刷直流电动机进行换向和调速，电流传感器检测电源母线电流，将传感器信号送入数字控制器，经电气隔离电路隔离后的换向信号送入到数字控制器，数字控制器输出六路PWM信号给三相逆变桥，滤波电路对电流传感器所检测到的电源母线电流信号进行低通滤波处理，将处理后的电流信号直接送入数字控制器进行采样，其特点在于：还包括限幅多路切换器、程控放大比较器，限幅多路切换器将永磁无刷直流电动机不导通相的端电压选出，进行幅值限制后输出至程控放大比较器，由程控放大比较器将经过限幅的端电压信号放大后和电压参考值比较，输出电动机无位置传感器控制系统的换向信号给电气隔离电路；所述的电压参考值当PWM占空比大于10％时为电源电压的一半，限幅多路切换器将不导通相的端电压限幅后与电源电压参考值通过程控放大比较器进行比较，输出无位置传感器控制系统所必需的换向信号；在永磁无刷直流电动机进行速度控制导致PWM占空比小于10％时，可在一个PWM周期中，绕组相电流处于续流状态时，电压参考值为电机中点电压，该电机中点电压与不导通相的端电压进行比较，输出换向信号。

在运行过程中，当PWM为高电平时，通过电流传感器检测电源母线电流，如果发现了电枢绕组和三相逆变桥完全断开的故障，那么，此时可先检测断开之前不导通相的端电压，如果发现其数值过零，则马上换到下一相，在持续地检测其端电压的过零点，直到三相逆变桥和电枢绕组恢复连接，将当前所检测的电枢绕组作为不导通相，继续采用三相逆变桥和电枢绕组正常连接时无位置传感器的控制系统进行控制。

本发明的原理是：小电枢电感永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统中的三相逆变桥包括六个自关断功率器件，采用上管恒通、下管PWM调制的方法，对永磁无刷直流电动机进行换向和调速。在一个PWM周期中，电枢绕组相电流存在连续、续流和断续三种状态，会在高速运转时电枢绕组中会产生峰峰值极大、频率很高的反电动势。当检测到不导通相电枢绕组的反电动势数值上过零的时刻，再延后电动机转子运行30度电角度的时间就是永磁无刷直流电动机的换向点。这里设R、L为各相电枢绕组相电阻、相电感；Va、Vb、Vc和Vn分别为三相电枢绕组端电压和电枢绕组中点电压；Ea、Eb和Ec分别为三相电枢绕组的反电动势；Ia、Ib和Ic为三相电流。这里假设A、B相绕组为导通相、C相为不导通相、V_D为电源电压值。当PWM为高电平时有如下关系：

V_{n} = V_{D} - I_{a} R - L \frac{{dI}_{a}}{dt} - E_{a} - - - (1)

V_{n} = I_{b} R + L \frac{{dI}_{b}}{dt} - E_{b} - - - (2)

由于两相导通时两相电流大小相等方向相反，因此将上两式相加有：

V_{n} = \frac{V_{D}}{a} - \frac{E_{a} + E_{b}}{2} - - - (3)

因为永磁直流无刷电动机三相绕组是对称的，所以有：

E_a+E_b+E_c＝0 (4)

故

V_{n} = \frac{V_{D}}{2} + \frac{E_{c}}{2} - - - (5)

这样对于不导通相电枢绕组端电压，其值为：

V_{c} = \frac{V_{D}}{2} + \frac{{3 E}_{c}}{2} - - - (6)

因此，当PWM为高电平时，将电源电压的一半即V_D/2作为电压参考值与不导通相电枢绕组的端电压经过电压比较器进行比较，如果输出的比较信号发生了跳变，就说明此时不导通相的反电动势数值发生了过零，再延后电动机转子运行30度电角度的时间，就可进行换向。例如，当A、B相绕组为导通相、C相为不导通相时，在PWM为高电平，将C相端电压和电源电压的一半进行比较，通过程控放大比较器后输出换向信号，当此换向信号发生跳变时，由主控制器进行相应的延时，改变输出给三相逆变桥的六路PWM信号，将导通的电枢绕组从A相和B相换成A相和C相。

根据电动机稳速或者调速的要求，当数字控制器输出的PWM占空比很小时，就不能采用上述的方法来进行换向。这是因为高电平时间很短，三相逆变桥中功率管会很快的进行开关动作。由于功率管所存在的寄生电容会和电枢绕组的电感以及电阻发生作用，使不导通相的端电压出现一段时间的RLC阻尼振荡，因而控制系统就会把错误的不导通相端电压和电源电压参考值进行比较，从而输出错误的换向信号。

当PWM占空比很小，相电流处于断续状态的时间会大大超过PWM处于高电平的时间。这样就可避免由于功率管所存在的寄生电容和电枢绕组的电感以及电阻造成的振荡而引起错误的不导通相端电压的检测，在相电流处于断续状态的振荡后的某一时刻把不导通相端电压和电源电压参考值进行比较，从而保证换向控制的正确。相电流结束续流状态而进入断续状态时，有：

V_c＝E_c+V_n (7)

因此，在一个PWM周期中，相电流将大部分维持在断续状态。这就可以在PWM周期中相电流断续状态时，直接将不导通相的端电压和电枢绕组中点的电压通过电压比较器进行比较，输出换向信号，当此信号发生电平跳变时，即是反电动势的过零点。

如果电枢绕组和三相逆变桥由于故障完全断开，因为没有电源电压供电，将无法应用以上的方法进行无位置传感器的控制。但是，此时永磁无刷直流电动机三相电枢绕组已经具有一定大小的反电动势。而且，三相电枢绕组端电压的检测精密电阻是相同的。这样，断开的三相绕组和三相电枢绕组端电压的检测电路构成了一个对称的三相发电机，相邻两相电枢绕组的电压和电流在相位上超前或滞后了120度。因此，电枢绕组各相是彼此独立、相互无关的。只要计算出三相电枢绕组中的任意一相的电压电流，其他两相就能对称得到。

此时，可先检测断开之前不导通相的端电压，如果发现其数值过零，则马上开始检测相邻滞后120度电枢绕组的端电压的过零点。例如，如断开前不导通相为C相，当检测到C相的端电压值发生了过零，就开始检测A相的端电压。这样循环下去直到三相逆变桥和电枢绕组恢复连接。再将当前所检测的A相电枢绕组作为不导通相，继续采用三相逆变桥和电枢绕组正常连接时无位置传感器的控制方法进行控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：(1)利用了小电枢电感永磁无刷直流电动机PWM高电平状态和相电流断续状态，通过程控放大比较电路可以直接地检测到不导通相反电动势的过零点，能从低速到高速范围下进行准确的换向控制，从而保证了小电枢电感高速永磁无刷直流电动机较高的换向精度。(2)实现了故障处理后系统恢复时的无位置传感器的控制，从而大大提高了航天器姿态控制执行机构运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统图；

图2为本发明所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统的数字控制器图；

图3为本发明所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统的数字控制器软件流程和模块图；

图4为本发明所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统的限幅多路切换器图；

图5为本发明所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统的程控放大比较器图；

图6为本发明所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统的电枢绕组相电流和端电压波形图；

图7为本发明所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统三相电枢绕组与三相逆变桥由于故障断开后电枢绕组反电动势与负载电路图。

具体实施方式

如图1所示为小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，稳恒直流电源1与三相逆变桥3之间直接串联电流传感器2以检测电源母线电流，将传感器信号送入滤波电路进行低通滤波和去除PWM斩波频率干扰，经过滤波后的信号送入数字控制器8进行采样，电流采样值用于永磁无刷直流电动机4速度控制，经过数字控制器8内部控制算法后输出六路PWM信号给三相逆变桥3，对永磁无刷直流电动机4进行换向和调速，限幅多路切换器5将不导通相电压限幅后输出。程控放大比较器6将根据当前电动机转速对其相应放大后和电压参考值进行比较，当其输出的信号发生电平跳变时，即是反电动势的过零点，从而进行相应的换向控制。

如图2所示，数字控制器8采用DSP芯片作为主控制器，硬件上由CPU、存储器、数字I/O、PWM模块和A/D模块组成，A/D模块对电枢绕组相电流进行采样；PWM模块产生6路PWM信号用于永磁无刷直流电动机的换向和调速；数字I/O口有六路信号输出，其中两路用作限幅多路切换器的不导通相选择、两路用作程控放大比较器的放大倍数选择、其余两路用作换向信号输出使能，数字I/O口还有两路信号输入，是程控放大比较器给数字控制器的换向信号。软件上包括系统初始化模块、起动加速模块、转速计算模块、换向控制模块、速度控制模块和电枢绕组连接检测模块。系统初始化模块分配存储器空间和各个程序变量。转速计算模块根据换向信号计算出电动机的转速值；速度控制模块根据调速要求计算输出PWM的占空比；换向控制模块根据换向信号的电平跳变，进行相应的换向。而换向控制模块又可分为低速PWM高电平换向、高速断流状态换向和故障处理换向三个子模块；电枢绕组连接检测模块每隔一段时间被调用，以检测是否发生电枢绕组和三相逆变桥断路的故障。整个软件流程和模块图如图3所示。

如图4所示，限幅多路切换器5包括检测精密电阻、限幅电路、模拟多路开关，检测精密电阻将三相电枢绕组的端电压Va、Vb和Vc分别进行分压，将分压后的端电压信号输出到限幅电路上，以保证它们的上限不超高Vref。之后输出到模拟多路开关上，由数字控制器输出的控制信号将不导通相的端电压和电压参考值选出送到程控放大比较器。当PWM占空比大于10％时，限幅多路切换器将不导通相的端电压限幅后，与稳恒直流电源电压的一半经过程控放大比较器进行比较，输出无位置传感器控制系统所必需的换向信号；在永磁无刷直流电动机进行速度控制致使PWM占空比小于10％时，可在一个PWM周期中，绕组相电流处于续流状态时，将不导通相的端电压与电机中点电压进行比较，输出换向信号。当永磁无刷直流电动机根据换向信号进行换向操作后，数字控制器通过改变控制信号选出新的不导通相的端电压继续进行无位置传感器的控制。

如图5所示，程控放大比较器6包括仪周放大器、可编程放大器、电压比较器、上升沿D触发器和总线驱动器。仪用放大器将电压参考值和不导通相端电压进行比较后输出两者差值，其值为不导通相的反电动势，当反电动势较小时，可通过可编程放大器将这个差值放大，送入电压比较器和电压参考值进行比较输出换向信号。换向信号经过上升沿D触发器和电气隔离之后输入数字控制器，由数字控制器对其进行检测，而上升沿D触发器上升沿使能信号由数字控制器提供。

如图6所示，在一个PWM周期中，电枢绕组相电流存在连续、续流和断续三个状态。当PWM占空大于10％，那么在PWM为高电平时，将电源电压的一半作为电压参考值与不导通相的端电压进行比较，如果输出的比较信号发生了跳变，就说明此时不导通相的反电动势值发生了过零，再延后转子运行30度电角度的时间后，就可进行换向。当PWM占空小于10％、相电流在断续状态时，在端电压RLC振荡结束后，将电动机中点电压作为电压参考值与不导通相的端电压进行比较。当输出的换向信号发生电平跳变时，即是反电动势的过零点，延时后进行换向。

如图7所示，在永磁无刷直流电动机运行过程中，如果三相电枢绕组和三相逆变桥发生故障断开，由于没有电源供电，将无法应用以上的方法进行无位置传感器的控制。但是，由于此时永磁无刷直流电动机三相电枢绕组已经具有一定大小的反电动势，而且是三相对称的。这样，断开的三相电枢绕组绕组和端电压的检测电路构成了一个三相发电机，图中Ea、Eb和Ec为三相电枢绕组的反电动势，Z为三相电枢绕组由相电阻和相电感组成的阻抗，而Zg为检测精密电阻所组成的阻抗。因此，此时三相电枢绕组阻抗均是对称的。且各相彼此独立、相互无关。只要计算出三相中的任意一相的电压和电流，其他两相也能对称写出。对于此时无位置传感器的控制，可以采用以下方法。首先，在PWM为高电平的时候检测电枢绕组中的相电流，如果发现相电流为零，则认为电枢绕组和三相逆变桥发生故障而断开。这时，对执行机构进行故障处理。在故障处理阶段，首先检测断开之前不导通相的端电压，如果发现数值上发生过零，则换到相邻滞后120度的电枢绕组，同样检测其端电压的过零点。这样循环下去，直到三相逆变桥和电枢绕组恢复连接。将当前所检测的电枢绕组作为不导通相，继续采用三相逆变桥和电枢绕组正常连接时所述的控制系统进行控制。

Claims

1、一种小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，包括稳恒直流电源(1)、电流传感器(2)、三相逆变桥(3)、永磁无刷直流电动机(4)、电气隔离电路(7)、数字控制器(8)和滤波电路(9)，稳恒直流电源(1)给三相逆变桥(3)一个恒定的电压，三相逆变桥(3)根据换向信号对永磁无刷直流电动机(4)进行换向和调速，电流传感器(2)检测电源母线电流，将传感器信号送入数字控制器(8)，经电气隔离电路(7)隔离后的换向信号送入到数字控制器(8)，数字控制器(8)输出六路PWM信号给三相逆变桥(3)，滤波电路(9)对电流传感器(2)所检测到的电源母线电流信号进行低通滤波处理，将处理后的电流信号直接送入数字控制器(8)进行采样，其特征在于：还包括限幅多路切换器(5)、程控放大比较器(6)，限幅多路切换器(5)将永磁无刷直流电动机(4)不导通相的端电压选出，进行幅值限制后输出至程控放大比较器(6)，由程控放大比较器(6)将经过限幅后的不导通相的端电压信号放大后和电压参考值比较，输出电动机无位置传感器控制系统的换向信号给电气隔离电路(7)；所述的电压参考值当PWM占空比大于10％时为电源电压的一半，限幅多路切换器(5)将不导通相的端电压限幅后与所述电压参考值通过程控放大比较器(6)进行比较，输出无位置传感器控制系统所必需的换向信号；在永磁无刷直流电动机(4)进行速度控制导致PWM占空比小于10％时，可在一个PWM周期中，绕组相电流处于续流状态时，电压参考值为电机中点电压。

2、根据权利要求1所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，其特征在于：所述的限幅多路切换器(5)包括检测精密电阻、限幅电路、模拟多路开关，检测精密电阻将永磁无刷直流电动机(4)三相绕组端电压进行分压后得到三个电压信号，限幅电路将这三个电压信号进行限幅后输出给模拟多路开关，模拟多路开关从这三个电压信号中选出不导通相的端电压，输出至程控放大比较器(6)。

3、根据权利要求1所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，其特征在于：所述的程控放大比较器(6)包括仪用放大器、可编程放大器、电压比较器、上升沿D触发器和总线驱动器，仪用放大器得到经过限幅后的不导通相端电压和电压参考值的差值，这个差值即为不导通相的反电动势信号，根据永磁无刷直流电动机(4)的转速，可编程放大器对反电动势电压信号进行相应的放大，并将放大信号输出给电压比较器和参考电压进行比较，输出比较信号给上升沿D触发器，上升沿D触发器根据数字控制器(8)输出的上升沿使能信号，将比较信号的输出经总线驱动器输出至电气隔离电路(7)。

4、根据权利要求1所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，其特征在于：所述的数字控制器(8)采用DSP、或FPGA芯片实现，主要包括CPU、存储器、数字I/O、PWM模块和A/D模块，其中A/D转换模块对稳恒直流电源(1)母线电流进行采样，PWM模块产生6路PWM信号用作永磁无刷直流电动机(4)的换向和调速，数字I/O口有六路信号输出，其中两路用作限幅多路切换器(5)的不导通相选择、两路用作程控放大比较器(6)的放大倍数选择、其余两路用作换向信号输出使能，数字I/O口还有两路信号输入，是程控放大比较器(6)输出给数字控制器的换向信号。

5、根据权利要求1所述的小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，其特征在于：所述的永磁无刷直流电动机(4)在运行过程中，PWM为高电平时，通过电流传感器(2)检测电源母线电流，如果发现了电枢绕组和三相逆变桥(3)完全断开的故障，此时数字控制器(8)先检测断开之前不导通相的端电压，如果发现运行过程中在数字控制器(8)有PWM信号输出的情况下电流传感器(2)输出信号为零，则换到下一相，再继续地检测端电压的过零点，这样循环下去，直到三相逆变桥和电枢绕组恢复连接，然后将当前所检测的电枢绕组作为不导通相，继续采用三相逆变桥(3)和电枢绕组正常连接时的所述控制系统进行控制。