CN105141195A - 一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，主控制器接收经过内外转子霍尔位置信号采集及处理电路处理的位置信号，经过内外转子转动角度计算后进行换相控制，输出6路驱动信号，再对6路驱动信号进行H_PWM_L_ON方式的PWM调制，输入到驱动电路中，驱动故障检测电路用于监测IGBT工作状态，RCD吸收电路可以保护IGBT，滤波去耦电路、电流检测及过流保护电路、母线电压检测电路可以实现电机运行中的实时保护。控制系统与水下航行器主控中心通过CAN和RS422通信，接收转速、启动、停机指令，发送电机转速、PWM占空比、电机电流等数据。本发明具有运行稳定、调速实时性好、响应速度快、可靠性高等优点，已经通过试验验证可以满足水下航行器实际使用要求。

Description

一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统

技术领域

本发明属于水下航行器和无刷直流电机控制领域，涉及一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统。

背景技术

自主水下航行器作为一种自主水下运载工具，具有大潜深、智能化和多用途等优点，在海洋资源开发、海底地貌探测、海洋科学探索、海洋工程建设以及维护国家海洋权益等诸多方面发挥着极其重要的作用。

大功率无刷直流电机具有运行效率高、调速性能好、可靠性高等优点，在航空、航天、航海等众多领域，均可使用大功率无刷直流电机作为推进执行机构。大功率双转无刷直流电机是基于作用力和反作用力原理设计的，在电磁转矩的推动下内外两个转子同时向相反方向旋转。这种双转无刷直流电机主要应用于水下双轴对转推进系统中，可以有效防止发生横滚现象，显著提高水下航行器的推进效率。

大功率双转无刷直流电机由于内外转子都在转动、额定电流较大、额定转速较高、额定转矩较大，系统运行更加复杂，增加了电机换相控制、转矩抑制和电流检测与过流保护的难度，同时也对整个电机控制系统稳定性、控制效果、响应速度和使用寿命提出了更高的要求。因此发明一种运行稳定、及时保护、转速调节效果好、精度高、响应快的大功率双转无刷直流电机控制系统显得极为重要。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统。

技术方案

一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，其特征在于包括电源转换电路、CAN通讯电路、RS485通讯电路、内转子霍尔位置信号采集电路、外转子霍尔位置信号采集电路、内转子霍尔位置信号处理电路、外转子霍尔位置信号处理电路、主控制器、驱动故障检测电路、驱动逆变装置、过流保护装置、限流保护装置和母线电压检测电路；电源转换电路将24V电源转换后，分别将+15V送至过流保护装置和限流保护装置，+3.3V和+5V送至主控制器，±15V送至驱动故障检测电路；内转子霍尔位置信号采集电路与双转无刷直流电机内转子霍尔盘连接，其输出连接内转子霍尔位置信号处理电路和主控制器，将内转子霍尔盘发出的内转子霍尔位置信号输入至主控制器；外转子霍尔位置信号采集电路与双转无刷直流电机外转子霍尔盘连接，其输出连接外转子霍尔位置信号处理电路和主控制器，将外转子霍尔盘发出的外转子霍尔位置信号输入至主控制器；CAN通讯电路和RS485通讯电路连接在主控制器与上位机之间，实现主控制器发送电机内外转子实时转速、PWM占空比和电机实时电流数据给上位机，同时接收由上位机发送的设定转速、启动和停机指令；主控制器的输出连接驱动逆变装置，驱动逆变装置连接双转无刷直流电机本体，主控制器输出的6路驱动信号通过驱动逆变装置控制双转无刷直流电机本体；驱动故障检测电路连接在驱动逆变装置与主控制器之间，监测IGBT工作状态；母线电压检测电路连接在双转无刷直流电机本体母线与主控制器之间，监测母线电压；过流保护装置和限流保护装置连接在双转无刷直流电机本体三相与主控制器之间，检测电机相电流并判断系统是否进行限流或停机处理，完成电机运行中的实时保护。

所述驱动逆变装置包括1个滤波去耦电路和6组驱动单元；所述滤波去耦电路包括电容C1、电容C2和电容C3；连接关系为：电容C1、电容C2和电容C3以并联方式连接在母线正负两端，第一驱动单元1与第二驱动单元2串联形式连接在母线正负两端，第三驱动单元3与第四驱动单元4串联形式连接在母线正负两端，第五驱动单元5与第六驱动单元6串联形式连接在母线正负两端；六个驱动单元内部结构相同，包括一个IGBT、一个驱动电路和一个RCD电路，驱动电路直接安装在IGBT上，RCD电路以并联形式连接在IGBT两端；所述RCD电路是电阻R与二极管D并联后再与电容C串联搭建；6路驱动信号直接连接在驱动电路的信号输入端，第一驱动单元1、第三驱动单元3、第五驱动单元5的的下端分别与双转无刷直流电机的U、V、W三相连接，实现电机控制系统中的驱动逆变功能。

所述驱动故障检测电路包括两个驱动信号光电隔离和放大电路、光纤发送电路、光纤接收电路和驱动电路；第一驱动信号光电隔离和放大电路的输入端接收无刷直流电机控制系统换相控制DSP输出的6路IGBT驱动信号UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN和WN_IN，其输出端通过光纤发送电路连接驱动电路的IGBT驱动电路的输入端，6路IGBT驱动信号通过光纤发送电路将电信号转换为光信号；IGBT驱动电路产生6路驱动反馈信号FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN和FK_WN_IN，IGBT驱动电路的输出端通过光纤接收电路连接接收的第二驱动信号光电隔离和放大电路的输入端，其输出端连接无刷直流电机控制系统的复杂可编程逻辑器件CPLD，CPLD输出驱动故障检测信号到DSP中，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作正常，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作异常，无刷直流电机控制系统进行停机处理，实现对IGBT工作状态的实时监测，进而实现大功率无刷直流电机的驱动控制。

所述过流保护装置包括相电流差分线性隔离放大电路、相电流求取电路、停机电压产生电路和停机信号产生电路；所述相电流差分线性隔离放大电路包括霍尔电流传感器和差分隔离运放电路；所述相电流求取电路包括直流偏置电路和限幅滤波电路；所述停机信号产生电路为比较器及其偏置电路；连接关系为：霍尔电流传感器的输入端为相电流信号，其输出端串行连接差分隔离运放电路、直流偏置电路和限幅滤波电路，限幅滤波电路的输出端串行连接比较器及其偏置电路，比较器及其偏置电路的另一个输入端连接停机电压产生电路的输出端；工作过程：电机绕组中的相电流信号经过霍尔电流传感器线性转换为的0-4V电压信号，经过差分隔离运放电路后输出幅值±5V的电压信号，再输入到直流偏置电路，输出产生0-4V的直流偏置电压信号，再经过限幅滤波电路，输出为电机实时电流检测信号，与停机电压产生电路产生的停机电压并行输入到停机信号产生电路，停机电压产生电路的停机电压信号与电机实时电流检测信号进行比较产生停机信号，当电机工作正常时，停机信号为高电平；当电机处于堵转等异常情况下，停机信号为低电平，电机控制系统进行停机控制。

所述限流保护装置包括高精度相电流半波整流电路、相电流求取电路、限流电压产生电路和限流信号产生电路；所述高精度相电流半波整流电路包括霍尔传感器、第一求和电路1、反相电路、半波整流电路；所述相电流求取电路包括第二求和电路2、限幅滤波电路；所述限流信号产生电路为比较器及其偏置电路；连接关系为：霍尔电流传感器A的输入端为A相电流，霍尔电流传感器C的输入端为C相电流，两个霍尔电流传感器的输出端并行输入到第一求和电路1，第一求和电路1的输出端连接在反相电路的输入端，霍尔电流传感器A输出端、霍尔电流传感器C输出端与反相电路的输出端分别输入到第一半波整流电路1、第二半波整流电路2和第三半波整流电路3中，三个半波整流电路的输出并行连接到第二求和电路2的输入端，求和电路输出端与限幅滤波电路的输入端相连，限幅滤波电路的输出端一共有三路，其中一路输入到比较器及其偏置电路，另外两路作为采样电流，比较器及其偏置电路的另一个输入端连接限流电压产生电路的输出端；工作过程：电机A相和C相电流信号经过精密霍尔电流传感器可以线性转换为0-4V小电压信号，通过加法电路1和反相电路，输出为电机中除去A相和C相两相外的另外一相经过霍尔电流传感器转换的0-4V小电压信号，经过第一半波整流电路1、第二半波整流电路2和第三半波整流电路3，输出3路半波电压信号，再并行输入到第二求和电路2中，经过限幅滤波电路，可得到波动较小、近似于一条直线的实时反映电机电流的检测信号，该信号与限流电压产生电路产生的限流电压并行输入到限流信号产生电路，限流电压产生电路的限流电压信号与电机实时电流检测信号进行比较产生限流信号，当电机电流处于正常范围内时，限流信号为高电平；当电机电流过大或工作异常时，限流信号为低电平，此时电机控制系统进行限流处理。

有益效果

本发明提出的一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，主控制器接收经过内外转子霍尔位置信号采集及处理电路处理的位置信号，经过内外转子转动角度计算后进行换相控制，输出6路驱动信号，再对6路驱动信号进行H_PWM_L_ON方式的PWM调制，输入到驱动电路中，驱动故障检测电路用于监测IGBT工作状态，RCD吸收电路可以保护IGBT，滤波去耦电路、电流检测及过流保护电路、母线电压检测电路可以实现电机运行中的实时保护。控制系统与水下航行器主控中心通过CAN和RS422通信，接收转速、启动、停机指令，发送电机转速、PWM占空比、电机电流等数据。本发明具有运行稳定、调速实时性好、响应速度快、可靠性高等优点，已经通过试验验证可以满足水下航行器实际使用要求。

附图说明

图1：大功率双转无刷直流电机控制系统框图

图2：驱动逆变装置结构框图

图3：实施例的双转无刷直流电机结构示意图

1内轴，2外轴，3漆包线，4内转子，5外转子，6磁钢，7外转子霍尔盘，8滑环，9内转子霍尔盘；

图4：无刷直流电机控制系统及光电隔离式驱动装置框图

图5：驱动信号光电隔离和放大电路原理图

图6：光纤发送电路原理图

图7：光纤接收电路原理图

图8：IGBT驱动反馈信号时序逻辑图

图9：IGBT驱动反馈模块原理图

图10：过流保护装置原理框图

图11：相电流差分线性隔离放大电路图

图12：相电流求取电路图

图13：停机电压产生电路图

图14：停机信号产生电路图

图15：本发明限流保护装置原理框图

图16：相电流半波高精度整流电路图

图17：相电流求取电路图

图18：限流电压产生电路图

图19：限流信号产生电路图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参照附图3，双转无刷直流电机由内转子、外转子、内转子霍尔盘、外转子霍尔盘、内轴、外轴、滑环等构成。

参照附图1，一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，包括电源转换电路、CAN通讯电路、RS485通讯电路、内转子霍尔位置信号采集电路、外转子霍尔位置信号采集电路、内转子霍尔位置信号处理电路、外转子霍尔位置信号处理电路、主控制器、驱动故障检测电路、驱动逆变装置、过流保护装置、限流保护装置和母线电压检测电路；电源转换电路将24V电源转换后，分别将+15V送至过流保护装置和限流保护装置，+3.3V和+5V送至主控制器，±15V送至驱动故障检测电路；内转子霍尔位置信号采集电路与双转无刷直流电机内转子霍尔盘连接，其输出连接内转子霍尔位置信号处理电路和主控制器，将内转子霍尔盘发出的内转子霍尔位置信号输入至主控制器；外转子霍尔位置信号采集电路与双转无刷直流电机外转子霍尔盘连接，其输出连接外转子霍尔位置信号处理电路和主控制器，将外转子霍尔盘发出的外转子霍尔位置信号输入至主控制器；CAN通讯电路和RS485通讯电路连接在主控制器与上位机之间，实现主控制器发送电机内外转子实时转速、PWM占空比和电机实时电流数据给上位机，同时接收由上位机发送的设定转速、启动和停机指令；主控制器的输出连接驱动逆变装置，驱动逆变装置连接双转无刷直流电机本体，主控制器输出的6路驱动信号通过驱动逆变装置控制双转无刷直流电机本体；驱动故障检测电路连接在驱动逆变装置与主控制器之间，监测IGBT工作状态；母线电压检测电路连接在双转无刷直流电机本体母线与主控制器之间，监测母线电压；过流保护装置和限流保护装置连接在双转无刷直流电机本体三相与主控制器之间，检测电机相电流并判断系统是否进行限流或停机处理，完成电机运行中的实时保护。

见图2，所述驱动逆变装置包括1个滤波去耦电路和6组驱动单元；所述滤波去耦电路包括电容C1、电容C2和电容C3；连接关系为：电容C1、电容C2和电容C3以并联方式连接在母线正负两端，第一驱动单元1与第二驱动单元2串联形式连接在母线正负两端，第三驱动单元3与第四驱动单元4串联形式连接在母线正负两端，第五驱动单元5与第六驱动单元6串联形式连接在母线正负两端；六个驱动单元内部结构相同，包括一个IGBT、一个驱动电路和一个RCD电路，驱动电路直接安装在IGBT上，RCD电路以并联形式连接在IGBT两端；所述RCD电路是电阻R与二极管D并联后再与电容C串联搭建；6路驱动信号直接连接在驱动电路的信号输入端，第一驱动单元1、第三驱动单元3、第五驱动单元5的的下端分别与双转无刷直流电机的U、V、W三相连接，实现电机控制系统中的驱动逆变功能。

其中电源转换电路，通过将输入电源24V转换成+5V、+3.3V、±15V、±15VA给主控制器DSP、复杂可编程逻辑器件CPLD、驱动电路、驱动故障检测电路、电流检测电路、限流保护电路、停机保护电路供电。CAN通讯电路和RS485通讯电路实现主控制器DSP发送电机内外转子实时转速、PWM占空比、电机实时电流等数据给上位机，同时接收由上位机发送的设定转速、启动、停机等指令功能。内外转子霍尔位置信号采集电路和内外转子霍尔位置信号处理电路是采集双转无刷直流电机内转子霍尔盘和外转子霍尔盘发出的内外转子霍尔位置信号D_H_U、D_H_V、D_H_W、D_H_A1、D_H_B1、D_H_C1、D_H_Z、Z_H_U、Z_H_V、Z_H_W、Z_H_A1、Z_H_B1、Z_H_C1、Z_H_Z，进行光电隔离与驱动放大处理后输入到DSP中。

主控制器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD实现电机启动、停止、初始启动、换相控制、转速调节、电流调节、H_PWM_L_ON调制、输出6路驱动信号UP、UN、VP、VN、WP、WN等功能。

母线电压检测电路监测母线电压，当母线电压波动在可接受范围内时，电机正常运转，当母线电压出现欠压、过压等等情况时，对电机进行停机保护处理。

所述驱动装置见图4，包括两个驱动信号光电隔离和放大电路、光纤发送电路、光纤接收电路和驱动电路；第一驱动信号光电隔离和放大电路的输入端接收无刷直流电机控制系统换相控制DSP输出的6路IGBT驱动信号UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN和WN_IN，其输出端通过光纤发送电路连接驱动电路的IGBT驱动电路的输入端，6路IGBT驱动信号通过光纤发送电路将电信号转换为光信号；IGBT驱动电路产生6路驱动反馈信号FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN和FK_WN_IN，IGBT驱动电路的输出端通过光纤接收电路连接接收的第二驱动信号光电隔离和放大电路的输入端，其输出端连接无刷直流电机控制系统的复杂可编程逻辑器件CPLD，CPLD输出驱动故障检测信号到DSP中，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作正常，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作异常，无刷直流电机控制系统进行停机处理，实现对IGBT工作状态的实时监测，进而实现大功率无刷直流电机的驱动控制。

参照附图5，驱动信号光电隔离和放大电路由高速光耦N18、电阻R27和R28组成，连接关系为：UP_IN是无刷直流电机控制系统DSP和CPLD控制器经过换相控制输出6路IGBT驱动信号中的一路，UP_IN信号通过电阻R27上拉至+5V，与高速光耦N18的IN0引脚间串联有电阻R29，高速光耦N18的IN引脚与+5V电源相接，OUT0引脚与GND_IGBT连接，OUT1引脚与UP信号连接，UP信号是经过光电隔离和放大处理后的IGBT驱动信号，UP信号与5VIGBT电源间串联有电阻R28，其中高速光耦采用hcpl0466。

工作原理：UP_IN是无刷直流电机控制系统MCU控制器经过换相控制输出6路IGBT驱动信号中的一路，UP_IN信号通过电阻R27上拉至+5V，与高速光耦N18的IN0引脚间串联有电阻R29，高速光耦N18的IN引脚与+5V电源相接，OUT0引脚与GND_IGBT连接，OUT1引脚与UP信号连接，UP信号是经过光电隔离和放大处理后的IGBT驱动信号，UP信号与5VIGBT电源间串联有电阻R28，其中高速光耦采用hcpl0466。

参照附图6，光纤发送电路由三极管Q1、发光二极管和电阻R6组成，连接关系为：UP信号连接在三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极与5VIGBT间串联一个电阻R6，三极管Q1的发射极与基极这间连接有发光二极管，其集电极与GND_IGBT连接在一起。

工作原理：UP信号连接在三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极与5VIGBT间串联一个电阻R6，三极管Q1的发射极与基极这间连接有发光二极管，其集电极与GND_IGBT连接在一起，当UP为高电平时，Q1不导通，发光二极管导通，有光发出；当UP为低电平时，Q1导通，发光二极管不导通，不发光。

参照附图7，光纤接收电路由感光二极管、运算放大器U3B、电阻R48、电容C15和三极管组成。连接关系为：感光二极管连接在运算放大器U3B的输入端，StatusFeedback为驱动电路反馈信号，StatusFeedback信号与+5V电源间串联有电阻R48，并连接在三极管的集电极，三极管的发射极与GND连接，其基极连接在运算放大器U3B的输出端。

工作原理：感光二极管连接在运算放大器U3B的输入端，StatusFeedback为驱动电路反馈信号，StatusFeedback信号与+5V电源间串联有电阻R48，并连接在三极管的集电极，三极管的发射极与GND连接，其基极连接在运算放大器U3B的输出端。

参照附图9，驱动反馈模块由倍频器inst5、单路检测模块inst15、inst16、inst17、inst18、inst19、inst20和6路信号输入的与门inst4组成，clk信号是复杂可编程逻辑器件CPLD的时钟信号，经过倍频器inst5放大得到30倍频的clk1信号，clk1输入到单路检测模块inst15、inst16、inst17、inst18、inst19、inst20中，作为计数时钟信号，FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN、FK_WN_IN信号作为IGBT驱动电路的反馈信号，其时序逻辑可参照附图5，这6路信号分别输入到单路检测模块inst15、inst16、inst17、inst18、inst19、inst20中，完成对驱动反馈信号的处理，输出alarm1、alarm2、alarm3、alarm4、alarm5、alarm6信号是判断6个IGBT是否发生故障的信号，其正常情况下为高电平信号，当某个IGBT发生故障时，对应的alarm信号变为低电平，alarm1、alarm2、alarm3、alarm4、alarm5、alarm6信号再经过与门inst4处理后，输出是alarm信号，alarm信号输入到无刷直流电机控制系统MCU控制器中，用于判断IGBT其否发生故障情况，当6个IGBT都工作正常时，alarm信号为高电平，当一个或多个IGBT发生故障时，alarm信号将由高电平变成低电平，无刷直流电机控制系统MCU控制器中检测到这一变化后，将进行停机处理。

所述过流保护装置见图10，由相电流差分线性隔离放大电路、相电流求取电路、停机电压产生电路、停机信号产生电路组成。其中相电流差分线性隔离放大电路包括很大的相电流信号线性转换为0-4V小电压的精密霍尔电流传感器、差分线性隔离放大电路，相电流求取电路包括直流偏置电路、滤波电路、限幅电路。

连接关系为：霍尔电流传感器的输入端为相电流信号，其输出端串行连接差分隔离运放电路、直流偏置电路和限幅滤波电路，限幅滤波电路的输出端串行连接比较器及其偏置电路，比较器及其偏置电路的另一个输入端连接停机电压产生电路的输出端；工作过程：电机绕组中的相电流信号经过霍尔电流传感器线性转换为的0-4V电压信号，经过差分隔离运放电路后输出幅值±5V的电压信号，再输入到直流偏置电路，输出产生0-4V的直流偏置电压信号，再经过限幅滤波电路，输出为电机实时电流检测信号，与停机电压产生电路产生的停机电压并行输入到停机信号产生电路，停机电压产生电路的停机电压信号与电机实时电流检测信号进行比较产生停机信号，当电机工作正常时，停机信号为高电平；当电机处于堵转等异常情况下，停机信号为低电平，电机控制系统进行停机控制。

参照附图11，相电流差分线性隔离放大电路原理：包括霍尔电流传感器、差分隔离运放HCPL7800、运算放大器U1A、串联电阻R15、电阻R18、电阻R23、电阻R24、电阻R27、电阻R31、电容C37、电容C40、电容C43、电容C46和电容C49；连接关系为：霍尔电流传感器对电机相电流进行转换得到0-4V电压信号U_IN，U_IN信号经过串联电阻R15后连接在差分隔离运放HCPL7800的输入正端，HCPL7800的输入负端接地，其输入正端与输入负端之间并联有电阻R18和电容C37，HCPL7800的输出负端与运算放大器U1A的A路运放的输入间串联电阻R24，HCPL7800的输出正端通过串联电阻R23连接到运算放大器U1A的A路运放的输入正端；运算放大器U1A的A路运放的输入正端与AGND之间并联有电阻R31和电容C46，在运算放大器U1A的A路运放的输入负端与单端输出引脚之间并联有电阻R27和电容C49，选择匹配电阻使得输出信号U_1为±5V的模拟电压信号。

U_IN是经过霍尔电流传感器对电机相电流进行转换的0-4V小电压信号，U_IN串联电阻R15后连接在差分隔离运放HCPL7800的输入正端，HCPL7800的输入负端接地，其输入正端与输入负端之间并联有电阻R18和电容C37，HCPL7800的输出负端与运算放大器TL082ID的A路运放的输入间串联电阻R24，HCPL7800的输出正端通过串联电阻R23连接到运算放大器TL082ID的A路运放的输入正端。

TL082ID的A路运放的输入正端与AGND之间并联有电阻R31和电容C46，在TL082ID的A路运放的输入负端与单端输出引脚之间并联有电阻R27和电容C49，通过合理的匹配电阻，可以输出信号U_1为±5V的模拟电压信号。

输出的U_1表达式为：

$B-C=\frac{R_{18}}{R_{15}+R_{18}}*U\_IN$

$U\_1=\frac{(R_{24}+R_{27})\·R_{31}\·B-(R_{23}+R_{31})\·R_{27}\·C}{(R_{23}+R_{31})\·R_{24}}$

其中：B、C为附图11中标注点的电势；

在本实施例中选取R15为阻值2k的精密电阻，R18、R27、R31为阻值5k的精密电阻，R23和R24为阻值10k的精密电阻，由于U_IN的±4V的霍尔电流信号，代入上式可以得到信号U_1为±5V的模拟电压信号。

参照附图12，所述相电流求取电路包括运算放大器U1B、运算放大器U2A、电阻R45、电阻R55、电阻R32、电阻R33、电阻R35、电阻R50、电阻R37、二极管D1、二极管D2和电容C22；连接关系为：U_1信号通过电阻R45后输入到运算放大器U1B的B路运放的输入负端，其输入正端串联电阻R55后接地，同时其输入正端串联电阻R32与+5VA相接，运算放大器U1B的B路运放的输出端与输入端之间串联电阻R33，输出端再串联电阻R35连接到运算放大器U2A的输入负端，运算放大器U2A的输入正端通过电阻R50与AGND相连，U2A输入负端与输出端连接电阻R37构成比例反相电路，输出信号再经过由二极管D1、D2构成的限幅电路，输出为0-4V的电机实时电流检测信号。

U_1信号连接电阻R45后输入到运算放大器TL082ID的B路运放的输入负端，其输入正端串联电阻R55后接地，同时其输入正端串联电阻R32与+5VA相接，TL082ID的B路运放的输出端与输入端之间串联电阻R33，其输出端再串联电阻R35连接到运算放大器U2A的输入负端，运算放大器U2A的输入正端通过电阻R50与AGND相连，U2A输入负端与输出端连接电阻R37构成比例反相电路，输出信号再经过由二极管D1、D2构成的限幅电路，可以将其幅值限制在DSP的A/D采样单元可以接受的3.3V以下，最终在DSP中的A/D采样单元完成对电机实时电流的采样。

$U_{\_OUT}=(\frac{5}{R_{32}}+\frac{U\_1}{R_{45}})\·R_{33}\·\frac{R_{37}}{R_{35}}$

在本实施例中，R50、R55为阻值5k精密电阻，R32、R37、R45为阻值10k精密电阻。

参照附图13，所述停机电压产生电路包括精密基准电压源REF195、D/A转换芯片、电容C75、电容C96、电容C97、电容C99、电容C100、电容C101、电阻R55、电阻R56和电阻R90；连接关系为：精密基准电压源REF195的out引脚输出与D/A转换芯片的REF引脚相连，D/A转换芯片通过接收无刷直流电机DSP控制器的SPI串行接口发送的停机数值进行D/A转换，生成系统所需要的停机电压；REF5V为较稳定的5V，通过C75与地相连，D/A转换芯片的SCLK、DIN、CS引脚分别与双转无刷直流电机控制系统DSP控制器的SPI接口相连，VCC、SHND、BNI/BIP和CLR连接+5V电源，VDD的引脚接有+15V电源，D/A转换芯片的out引脚输出为tingji信号。

精密基准电压源REF195的out引脚输出与MAX5312的REF引脚相连，MAX5312通过接收无刷直流电机DSP控制器的SPI串行接口发送的停机数值进行D/A转换，生成系统所需要的停机电压；REF5V为较稳定的5V，通过C75与地相连，MAX5312的SCLK、DIN、CS引脚分别与双转无刷直流电机控制系统DSP控制器的SPI接口相连，VCC、SHND、BNI/BIP和CLR连接+5V电源，VDD的引脚接有+15V电源，MAX5312的out引脚输出为tingji信号。

其中MAX5312的电压输出V_{out_UNI}为：

$V_{\mathrm{out}\_\mathrm{UNI}}=\frac{2\·V_{\mathrm{REF}}}{2^{12}}\·\mathrm{CODE}$

其中V_REF为输入到MAX5312的参考电压，CODE为DSP的SPI串行接口发送给MAX5312停机数据；

在本实施例中通过合理设置停机数据CODE，将tingji信号设为3.2V。

参照附图14，所述停机信号产生电路包括运算放大器LM393、电阻R61、电阻R66、电阻R67、电阻R71、电容C81和电容C83；连接关系为：输入信号tingji经过串联电阻R67连接运算放大器U1A的正端，U_out与运算放大器LM393的负端串联两个电阻R66和R71，R66和R71之间是通过电容C83与地相接，运算放大器的输出端串联一个电阻R61上拉至+5V，输出信号97为停机信号。

输入信号tingji与运算放大器U1A的正端串联一个电阻R67，U_out与运算放大器U1A的负端串联两个电阻R66和R71，R66和R71之间是通过电容C83与地相接，运算放大器的输出端串联一个电阻R61上拉至+5V，输出信号97为停机信号。

所述限流保护装置见图15，包括相电流半波高精度整流电路、相电流求取电路、限流电压产生电路、限流信号产生电路。其中相电流半波高精度整流电路包括将电机中的很大相电流线性转换为0-4V小电压的精密霍尔电流传感器、加法电路、反相电路、半波整流电路，相电流求取电路由加法电路、滤波电路和限幅电路组成。

连接关系为：霍尔电流传感器A的输入端为A相电流，霍尔电流传感器C的输入端为C相电流，两个霍尔电流传感器的输出端并行输入到第一求和电路1，第一求和电路1的输出端连接在反相电路的输入端，霍尔电流传感器A输出端、霍尔电流传感器C输出端与反相电路的输出端分别输入到第一半波整流电路1、第二半波整流电路2和第三半波整流电路3中，三个半波整流电路的输出并行连接到第二求和电路2的输入端，求和电路输出端与限幅滤波电路的输入端相连，限幅滤波电路的输出端一共有三路，其中一路输入到比较器及其偏置电路，另外两路作为采样电流，比较器及其偏置电路的另一个输入端连接限流电压产生电路的输出端；工作过程：电机A相和C相电流信号经过精密霍尔电流传感器可以线性转换为0-4V小电压信号，通过加法电路1和反相电路，输出为电机中除去A相和C相两相外的另外一相经过霍尔电流传感器转换的0-4V小电压信号，经过第一半波整流电路1、第二半波整流电路2和第三半波整流电路3，输出3路半波电压信号，再并行输入到第二求和电路2中，经过限幅滤波电路，可得到波动较小、近似于一条直线的实时反映电机电流的检测信号，该信号与限流电压产生电路产生的限流电压并行输入到限流信号产生电路，限流电压产生电路的限流电压信号与电机实时电流检测信号进行比较产生限流信号，当电机电流处于正常范围内时，限流信号为高电平；当电机电流过大或工作异常时，限流信号为低电平，此时电机控制系统进行限流处理。

参照附图16，相电流半波高精度整流电路：包括运算放大器U7B、运算放大器U6B、运算放大器U7A、运算放大器U6A、电阻R77、电阻R80、电阻R81、电阻R82、电阻R83、电阻R84、电阻R85、电阻R86、电阻R87、电阻R88、电阻R89、二极管V3、二极管V4、二极管V5、二极管V6、二极管V7、二极管V8、电容C84和电容C85；连接关系为：input_U1和input_W1是霍尔电流传感器对其中两相电流进行转换的电压信号，分别通过电阻R88、电容C84和电阻R89、电容C85接地；两相电流转换的电压信号input_U1和input_W1分别通过电阻R84和电阻R85接到运算放大器U6A的正端，将运算放大器U6A的正端接地，运算放大器U6A的输出端通过电阻R81与其负端相接，输出信号为电机除去input_U1和input_W1两相外的另外一相电流经霍尔电流传感器转换的电压信号input_V1；input_U1、input_V1和input_W1信号分别通过电阻R86、电阻R80和电阻R87接到运算放大器U7B、运算放大器U6B和运算放大器U7A的负端，运算放大器U7B、运算放大器U6B和运算放大器U7A的正端接地，运算放大器U7B、运算放大器U6B和运算放大器U7A的输出端与负端之间分别用快恢复二极管V7、快恢复二极管V4和快恢复二极管V8相连，再分别连接快恢复二极管V5、快恢复二极管V3和快恢复二极管V6，输出为经过高精度半波整流、幅值为0-4V、相位相差120°的电流信号a、电流信号b和电流信号c，在电流信号a、电流信号b、电流信号c和运算放大器U7B、运算放大器U6B和运算放大器U7A的负端通过电阻R82、电阻R77和电阻R83连接。

工作原理：电机各相绕组中的电流经过霍尔电流传感器可以将大电流信号线性转换为0-4V小电压信号，input_U1和input_W1是霍尔电流传感器对其中两相电流进行转换的电压信号，分别通过R88、C84和R89、C85接地；

两相电流转换的电压信号input_U1和input_W1分别通过电阻R84和R85接到运算放大器U6A的正端，将运算放大器U6A的正端接地，运算放大器U6A的输出端通过电阻R81与其负端相接，输出信号为电机除去input_U1和input_W1两相外的另外一相电流经霍尔电流传感器转换的电压信号input_V1；

input_U1、input_V1和input_W1信号分别通过电阻R86、R80和R87接到运算放大器U7B、U6B和U7A的负端，运算放大器U7B、U6B和U7A的正端接地，U7B、U6B和U7A的输出端与负端之间分别用快恢复二极管V7、V4和V8相连，再分别连接快恢复二极管V5、V3和V6，输出为经过高精度半波整流、幅值为0-4V、相位相差120°的电流信号a、b和c，在a、b、c和运算放大器U7B、U6B和U7A的负端通过精密电阻R82、R77和R83连接。

参照附图17，相电流求取电路包括运算放大器U3A、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R59、电阻R60、电阻R63、电阻R74、电容C80、二极管V1和二极管V2；连接关系为：电流信号a、电流信号b和电流信号c分别通过电阻R6、电阻R7和电阻R8与运算放大器U3A的负端相连，运算放大器U3A的正端接地，其输出端与负端之间串联有一个电阻R74，输出信号out为电机电流的检测信号，out信号通过二极管V2、电容C80与地相接，通过二极管V1与AVDD相接，然后连接电阻R59、电阻R60输出信号ADCINA2和ADCINA3。

a、b和c分别通过电阻R6、R7和R8与运算放大器U3A的负端相连，U3A的正端接地，其输出端与负端之间串联有一个电阻R74，输出信号out为波动较小、近似于一条直线的电机电流的检测信号；

out信号通过快恢复二极管V2、电容C80与地相接，通过快恢复二极管V1与AVDD相接，然后连接精密电阻R59、R60输出信号ADCINA2和ADCINA3。

参照附图18：所述限流电压产生电路包括三端可调分流基准电源TL431、电阻R72、电阻R75、电位器R73；连接关系为：三端可调分流基准电源TL431的Vin引脚通过电阻R72与+15V电源相接，Vout引脚通过电阻R75与地相接，Vin引脚与Vout引脚连接一个电阻R73，输出信号与Vout引脚连接；通过合理配置电阻R73、电阻R75和电阻R72，将限流电压设置为3V。

三端可调分流基准电源TL431的Vin引脚通过电阻R72与+15V电源相接，Vout引脚通过电阻R75与地相接，Vin引脚与Vout引脚连接一个电阻R73，输出信号与Vout引脚连接。

$xianliu=(1+\frac{R_{73}}{R_{75}})\·2.5$

在本实施例中通过合理配置电阻R73、R75和R72，将限流电压设置为3V。

参照附图19，所述限流信号产生电路包括运算放大器U1B、电阻R58、电阻R62、电阻R64、电阻R65、电容C82；连接关系为：输入信号xianliu与运算放大器U1B的正端串联一个电阻R65，输入信号out与运算放大器U1B的负端串联一个电阻R64，out与地之间串联一个电容C82，运算放大器U1B的输出端与正端之间串联一个大阻值电阻R62，输出信号98为限流信号。

输入信号xianliu与运算放大器U1B的正端串联一个电阻R65，输入信号out与运算放大器U1B的负端串联一个电阻R64，out与地之间串联一个电容C82，运算放大器U1B的输出端与正端之间串联一个大阻值电阻R62，输出信号98为限流信号，当电机电流处于正常范围内时，限流信号为高电平；当电机电流过大或工作异常时，限流信号为低电平，电机控制系统将会进行限流处理。

本发明提出一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，具有运行稳定、效率高、转矩脉动小、调速实时性好、响应速度快、可靠性高等优点，已经通过试验验证，能够满足水下航行器实际使用要求。

Claims (5)

1.一种水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，其特征在于包括电源转换电路、CAN通讯电路、RS485通讯电路、内转子霍尔位置信号采集电路、外转子霍尔位置信号采集电路、内转子霍尔位置信号处理电路、外转子霍尔位置信号处理电路、主控制器、驱动故障检测电路、驱动逆变装置、过流保护装置、限流保护装置和母线电压检测电路；电源转换电路将24V电源转换后，分别将+15V送至过流保护装置和限流保护装置，+3.3V和+5V送至主控制器，±15V送至驱动故障检测电路；内转子霍尔位置信号采集电路与双转无刷直流电机内转子霍尔盘连接，其输出连接内转子霍尔位置信号处理电路和主控制器，将内转子霍尔盘发出的内转子霍尔位置信号输入至主控制器；外转子霍尔位置信号采集电路与双转无刷直流电机外转子霍尔盘连接，其输出连接外转子霍尔位置信号处理电路和主控制器，将外转子霍尔盘发出的外转子霍尔位置信号输入至主控制器；CAN通讯电路和RS485通讯电路连接在主控制器与上位机之间，实现主控制器发送电机内外转子实时转速、PWM占空比和电机实时电流数据给上位机，同时接收由上位机发送的设定转速、启动和停机指令；主控制器的输出连接驱动逆变装置，驱动逆变装置连接双转无刷直流电机本体，主控制器输出的6路驱动信号通过驱动逆变装置控制双转无刷直流电机本体；驱动故障检测电路连接在驱动逆变装置与主控制器之间，监测IGBT工作状态；母线电压检测电路连接在双转无刷直流电机本体母线与主控制器之间，监测母线电压；过流保护装置和限流保护装置连接在双转无刷直流电机本体三相与主控制器之间，检测电机相电流并判断系统是否进行限流或停机处理，完成电机运行中的实时保护。

2.根据权利要求1所述水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述驱动逆变装置包括1个滤波去耦电路和6组驱动单元；所述滤波去耦电路包括电容C1、电容C2和电容C3；连接关系为：电容C1、电容C2和电容C3以并联方式连接在母线正负两端，第一驱动单元1与第二驱动单元2串联形式连接在母线正负两端，第三驱动单元3与第四驱动单元4串联形式连接在母线正负两端，第五驱动单元5与第六驱动单元6串联形式连接在母线正负两端；六个驱动单元内部结构相同，包括一个IGBT、一个驱动电路和一个RCD电路，驱动电路直接安装在IGBT上，RCD电路以并联形式连接在IGBT两端；所述RCD电路是电阻R与二极管D并联后再与电容C串联搭建；6路驱动信号直接连接在驱动电路的信号输入端，第一驱动单元1、第三驱动单元3、第五驱动单元5的的下端分别与双转无刷直流电机的U、V、W三相连接，实现电机控制系统中的驱动逆变功能。

3.根据权利要求1所述水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述驱动故障检测电路包括两个驱动信号光电隔离和放大电路、光纤发送电路、光纤接收电路和驱动电路；第一驱动信号光电隔离和放大电路的输入端接收无刷直流电机控制系统换相控制DSP输出的6路IGBT驱动信号UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN和WN_IN，其输出端通过光纤发送电路连接驱动电路的IGBT驱动电路的输入端，6路IGBT驱动信号通过光纤发送电路将电信号转换为光信号；IGBT驱动电路产生6路驱动反馈信号FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN和FK_WN_IN，IGBT驱动电路的输出端通过光纤接收电路连接接收的第二驱动信号光电隔离和放大电路的输入端，其输出端连接无刷直流电机控制系统的复杂可编程逻辑器件CPLD，CPLD输出驱动故障检测信号到DSP中，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作正常，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作异常，无刷直流电机控制系统进行停机处理，实现对IGBT工作状态的实时监测，进而实现大功率无刷直流电机的驱动控制。

4.根据权利要求1所述水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述过流保护装置包括相电流差分线性隔离放大电路、相电流求取电路、停机电压产生电路和停机信号产生电路；所述相电流差分线性隔离放大电路包括霍尔电流传感器和差分隔离运放电路；所述相电流求取电路包括直流偏置电路和限幅滤波电路；所述停机信号产生电路为比较器及其偏置电路；连接关系为：霍尔电流传感器的输入端为相电流信号，其输出端串行连接差分隔离运放电路、直流偏置电路和限幅滤波电路，限幅滤波电路的输出端串行连接比较器及其偏置电路，比较器及其偏置电路的另一个输入端连接停机电压产生电路的输出端；工作过程：电机绕组中的相电流信号经过霍尔电流传感器线性转换为的0-4V电压信号，经过差分隔离运放电路后输出幅值±5V的电压信号，再输入到直流偏置电路，输出产生0-4V的直流偏置电压信号，再经过限幅滤波电路，输出为电机实时电流检测信号，与停机电压产生电路产生的停机电压并行输入到停机信号产生电路，停机电压产生电路的停机电压信号与电机实时电流检测信号进行比较产生停机信号，当电机工作正常时，停机信号为高电平；当电机处于堵转等异常情况下，停机信号为低电平，电机控制系统进行停机控制。

5.根据权利要求1所述水下航行器用大功率双转无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述限流保护装置包括高精度相电流半波整流电路、相电流求取电路、限流电压产生电路和限流信号产生电路；所述高精度相电流半波整流电路包括霍尔传感器、第一求和电路1、反相电路、半波整流电路；所述相电流求取电路包括第二求和电路2、限幅滤波电路；所述限流信号产生电路为比较器及其偏置电路；连接关系为：霍尔电流传感器A的输入端为A相电流，霍尔电流传感器C的输入端为C相电流，两个霍尔电流传感器的输出端并行输入到第一求和电路1，第一求和电路1的输出端连接在反相电路的输入端，霍尔电流传感器A输出端、霍尔电流传感器C输出端与反相电路的输出端分别输入到第一半波整流电路1、第二半波整流电路2和第三半波整流电路3中，三个半波整流电路的输出并行连接到第二求和电路2的输入端，求和电路输出端与限幅滤波电路的输入端相连，限幅滤波电路的输出端一共有三路，其中一路输入到比较器及其偏置电路，另外两路作为采样电流，比较器及其偏置电路的另一个输入端连接限流电压产生电路的输出端；工作过程：电机A相和C相电流信号经过精密霍尔电流传感器可以线性转换为0-4V小电压信号，通过加法电路1和反相电路，输出为电机中除去A相和C相两相外的另外一相经过霍尔电流传感器转换的0-4V小电压信号，经过第一半波整流电路1、第二半波整流电路2和第三半波整流电路3，输出3路半波电压信号，再并行输入到第二求和电路2中，经过限幅滤波电路，可得到波动较小、近似于一条直线的实时反映电机电流的检测信号，该信号与限流电压产生电路产生的限流电压并行输入到限流信号产生电路，限流电压产生电路的限流电压信号与电机实时电流检测信号进行比较产生限流信号，当电机电流处于正常范围内时，限流信号为高电平；当电机电流过大或工作异常时，限流信号为低电平，此时电机控制系统进行限流处理。