CN101873094A - 多余度高压永磁无刷直流电机控制系统 - Google Patents

多余度高压永磁无刷直流电机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多余度高压永磁无刷直流电机控制系统，控制系统发出路数与余度一致的多路PWM脉冲送入驱动电路；驱动电路采用多套完全对称的三相全桥式电路，与电机的U、V、W三相连接来驱动电机；检测电路包括多套位置检测电路，将电机的霍尔位置传感器信号送入DSP中；检测保护电路分别包括套数与余度一致的多套电压检测保护电路和电流检测保护电路，实时检测加载在电机上的电流值和电压值，送入DSP中；一旦电机发生短路或者断路等故障，DSP自动切除该路控制信号，并发出警报信号，保证其他余度的正常运行。本发明既保证了系统的可靠性，又有效地减小了系统的体积重量，降低了成本。

Description

多余度高压永磁无刷直流电机控制系统
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机控制系统，特别涉及一种多余度高压永磁无刷直流电机的控制系统。
背景技术
随着多电飞机的快速发展，用电力驱动系统取代复杂的液压、气压系统，将是未来的发展方向。现代飞机的主电源系统主要经历了低压直流电源、恒速恒频交流电源、变速恒频交流电源及高压直流电源四个发展过程。270V高压直流电源具有重量轻、效率高、更容易实现不间断供电等优点，已经在国外一些先进飞机上得到了应用。随着电力电子技术和新型稀土材料的快速发展，电力驱动系统普遍采用稀土永磁无刷直流电机。
在飞行控制系统中，为了提高系统的可靠性，一般采用余度配置方式。传统控制系统中实现余度控制通常做法是一台控制器作为一个通道，采用多台控制器并联运行，这种方案的缺点是结构复杂、成本高、体积大。而将冗余技术引入到控制系统中，控制器中采用高性能处理器，编写冗余式的软件控制系统，功率控制电路采用冗余式结构设计，每套功率控制电路分别与控制系统构成独立的通道，可在一台控制器上实现多台电机的控制，该方案的特点是：结构简单、成本低、体积小。在搜索到的相关论文中，有一些学者对双余度无刷直流电机控制系统进行了研究，且一般为低压，但在飞行控制系统中，双余度并不能满足系统要求，普遍采用多余度控制系统；双余度控制系统是通过两个独立通道对电机进行管理控制，对于故障只能通过人为判定等方法；而多余度控制系统需要对多个通道进行管理控制，每个通道间还要有通讯功能，故障判定通过表决制判定。而对于多余度高压永磁无刷直流电机控制系统，则没有检索到相关文献。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多余度高压永磁无刷直流电机的控制系统，结构简单，能够有效地减小系统的体积和重量，降低成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括控制电路、驱动电路、检测电路和检测保护电路；控制系统采用DSP作为主控芯片，发出路数与余度一致的多路PWM脉冲送入驱动电路；驱动电路采用多套完全对称的三相全桥式电路，电路套数与余度一致，每套三相全桥式电路分别与一台电机的U、V、W三相连接来驱动电机；检测电路包括多套位置检测电路，每一套位置检测电路负责将一台电机的霍尔位置传感器信号送入DSP中；检测保护电路分别包括套数与余度一致的多套电压检测保护电路和电流检测保护电路，分别通过电流传感器和电压传感器实时检测加载在电机上的电流值和电压值，送入DSP中。一旦电机发生短路或者断路等故障，DSP自动切除该路控制信号，并发出警报信号，保证其他余度的正常运行。
本发明的有益效果是：本发明针对飞行控制系统，设计了一套基于DSP的多余度高压永磁无刷直流电机控制系统。在系统工作过程中，通过对各种故障的实时检测，当一路控制信号发生故障，系统会自动切除该路信号，而其他余度仍可正常工作，既保证了系统的可靠性，又有效地减小了系统的体积重量，降低了成本。经实验验证，本发明所述的控制器可以实现单余度和多余度等不同模式下运行，在每种模式下，均可以实现电机的正转和反转。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明控制电路图；
图2是本发明驱动电路图；
图3是本发明上电延时电路图；
图4是本发明电压检测保护电路图。
具体实施方式
装置实施例：本发明所述的系统主要由控制电路、驱动电路、上电延时电路和检测保护电路等组成，本实施例以3余度高压永磁无刷直流电机控制系统进行说明。
控制电路采用TMS320F28235作为主控芯片，该芯片具有低功耗和高性能的处理能力，特别适用于有大量数据处理的场合，控制电路如图1所示。三台电机发出HALL1、HALL2和HALL3三路位置信号送入DSP TMS320F28235的CAP1、CAP2和CAP3模块中，根据这三路位置信号，DSP发出PWM1、PWM2和PWM3三路控制信号送入三个IR2130中，经IR2130放大后，三个IR2130分别发出控制信号送入三相全桥式电路中，3个三相全桥式电路驱动3台电机运行，在电机运行过程中，通过电压传感器和电流传感器实时检测电机电压和电流，送入DSP的AD转换模块中进行处理，检测是否有过流、过压、欠压等故障的出现。
驱动电路采用专用三相桥驱动的集成电路IR2130，它的内部设计有过电流保护、欠电压封锁等功能，一个余度的驱动电路如图2所示。内带三个独立的高压侧和低压侧输出通道，分别与H1N1、H1N2、H1N3、L1N1、L1N2、L1N3相连接，可输出六路驱动脉冲，驱动电流的拉灌能力为2A，而且仅需一路直流供电电源，同时该器件可对同一桥臂上下两只功率MOS器件的栅极驱动信号产生2微秒的互锁延时时间，以防止同一桥臂上下两功率管直通短路。当其六个输入信号中任何一个为逻辑低电平时，相应的输出为高电平，以驱动功率MOSFET。考虑到系统母线额定电压为270V直流高压，主电路逆变桥采用N沟道增强型MOS场效应管IRFP460，其漏源极电压可达500V，漏极电流可达20A。
系统采用270V高压设计，为了保护电路，设计了上电延时电路，如图3所示，上电瞬间，母线电压经电阻R44向母线电容C64充电，防止了突加电压对电容的冲击。+15Q电源建立后，一方面经电阻R40向电容C63充电，同时Q2立刻饱和导通，Q1的栅源极间近似短路，Q1处于截止状态，电容C63充电并达到稳压管D9的击穿电压所需的延时时间，已经足够控制器所需电源电压的建立，D9击穿后，Q3导通，Q2截止，电阻R42、R43串联分压，使Q1的栅极电压近似为+15V，Q1导通，电阻R44被短路，+270V电压直接加到了功率桥上。
系统采用霍尔传感器实现母线电压及电流的实时检测，两套检测保护电路类似，以电压检测保护电路为例说明，如图4所示。母线电压检测采用霍尔电压传感器HNV025A，由于该传感器原边没有串连电阻，因此需要计算进行电阻配合，其中R23为原边串联电阻，主要是将被检测的电压信号转换成传感器敏感的弱电流信号，R13将副边弱电流信号转换成弱电压信号，经D6限幅后输入到LM358，再经过电压跟随和阻容滤波后输入到DSP的AD模块。母线电流检测采用闭环霍尔电流传感器HNC-05SY，同样采用±15V供电，额定测量电流If＝5A，线性范围0-7.5A，额定输出电压Vh＝4V，免去了副边采用电阻将弱电流信号转换成弱电压信号的环节。

Claims (1)

1.多余度高压永磁无刷直流电机控制系统，包括控制电路、驱动电路、检测电路和检测保护电路，其特征在于：控制系统采用DSP作为主控芯片，发出路数与余度一致的多路PWM脉冲送入驱动电路；驱动电路采用多套完全对称的三相全桥式电路，电路套数与余度一致，每套三相全桥式电路分别与一台电机的U、V、W三相连接来驱动电机；检测电路包括多套位置检测电路，每一套位置检测电路负责将一台电机的霍尔位置传感器信号送入DSP中；检测保护电路分别包括套数与余度一致的多套电压检测保护电路和电流检测保护电路，分别通过电流传感器和电压传感器实时检测加载在电机上的电流值和电压值，送入DSP中；一旦电机发生短路或者断路等故障，DSP自动切除该路控制信号，并发出警报信号，保证其他余度的正常运行。
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