CN105375830B - 一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置，控制器位于电机本体的一侧并联形成一体化结构，采用循油冷却方式；所述控制器与电机本体相邻的一个侧边上设有散热底面，布局遵从原则弱电与强电隔离；散热底面上固定有IPM功率模块、母线电容和上电限流开关管，IPM驱动板通过IPM矩形电连接器固定在IPM功率模块上方，电流传感器固定在上电限流开关管的上方，上电限流电阻固定在上电限流开关管的上方的侧边，滤波电容板倒挂固定在电流传感器的上方；主控制板和信号调理板垂直位于散热底面的一侧。本发明无需额外散热装置，电机与控制器一体化设计的高压、大功率、快响应燃油泵驱动装置，保证燃油供应的稳定性、快速性和可靠性。

Description

一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置

技术领域

本发明属于电动燃油泵用无刷直流电机控制领域，具体涉及一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置。

背景技术

飞行器燃油系统用于储存燃油和可靠地将燃油按所需的压力和流量输送到其发动机,以获得所需的发动机推力，地位特殊，作用重大，是飞行器的关键部件。随着现代航空航天飞行器向多电化、全电化、易维护等方向发展，传统燃油泵用有刷直流电机，因其固有的机械电刷和换向器会带来换向火花、电磁噪声、电磁干扰和机械磨损以及维修性差等问题,因而这类电机寿命短、可靠性低，已很难满足应用要求。

稀土永磁无刷直流电机，体积小、重量轻、可靠性高，既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便、运行寿命长等优点，还具有直流电动机调速性能好，控制方法灵活多变、效率高、启动转距大、过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损耗等优点，正顺应了航空航天技术进步对减轻重量、提高可靠性、改善性能或降低寿命期成本的追求，且在很多领域的应用己经比较成熟，特别适合于对性能、体积、重量要求特殊的航空航天领域。

目前，多数无刷直流电机控制器，均采用控制器与无刷直流电机独立设计，各自引出线在外部采用电连接器连接。同时采用自然冷却、外接散热风扇或设计独立冷却散热装置等方式，保证燃油供应系统的长时间运行。前两种冷却方式散热效果较差，并且额外增加控制器体积用以散热结构设计或者需额外耗能；独立散热装置需额外装置辅助工作，结构复杂、可靠性降低，同时增加额外能耗。

从控制方式的角度，传统无刷直流电机控制装置考虑对驱动电路的保护，限制工作电流过大，多采用软启动技术，用以降低电机启动、调速过程中电流冲击，保证控制器可靠性，但牺牲控制器系统响应性能，不能满足燃油供应系统频繁的流量调节需求。

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，本发明提出一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置，提高无刷直流电机控制装置功率密度，优化散热结构，提高装置指令响应性能，同时保证长时运行的可靠性。

技术方案

一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置，包括电机本体和其控制器；其特征在于：控制器位于电机本体的一侧并联形成一体化结构，采用循油冷却方式；所述控制器与电机本体相邻的一个侧边上设有散热底面，布局遵从原则弱电与强电隔离；散热底面上固定有IPM功率模块5、母线电容和上电限流开关管4，IPM驱动板6通过IPM矩形电连接器固定在IPM功率模块5上方，电流传感器3固定在上电限流开关管4的上方，上电限流电阻2固定在上电限流开关管4的上方的侧边，滤波电容板1倒挂固定在IPM功率模块5的上方；主控制板9和信号调理板8垂直固定在母板7上，且位于散热底面的一侧；所述循油冷却方式的形成是：在控制器散热底面上设有冷却油口C，控制器与电机本体相衔接的侧边上设有冷却油通孔A，电机本体设有冷却油口B，电机驱动齿轮泵连接于冷却油口C和冷却油口B之间；循环时，电机驱动齿轮泵的冷却油先通入电机本体，经电机本体的螺旋槽冷却油路，通过冷却油通孔A流入控制器散热底面，流经冷却槽道后由冷却油口C回到电机驱动齿轮泵内；上述所有模块的电路连接关系遵从控制器原有的连接关系。

所述一体化结构为L型结构，控制器的长度短于电机本体。

在主控制板、信号调理板和底面连接母板与IPM驱动及功率模块间加入一层铝板屏蔽层。

有益效果

本发明提出的一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置，采用电机与控制器一体化设计思路，提高了整体控制装置的功率密度，优化传统控制装置结构布局，提升了空间使用率，同时采用驱动的燃油泵自身载体用于装置散热冷却，简化了结构。

附图说明

图1：控制装置结构示意图

1-电容板，2-限流电阻，3-电流传感器，4-上电限流开关，5-IPM功率模块，6-IPM驱动板，7-母板，8-信号调理板，9-主控制板

图2：一体化控制装置外形结构

图3：自冷却散热结构

A-控制装置冷却油出口(电机冷却油入口)，B-电机冷却油出口(泵入口)，C-油路入口。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采取了如下具体技术方案：

控制装置采用大功率稀土永磁无刷直流电机与其控制器的一体化结构设计，采用循油冷却方式。通入电机驱动齿轮泵的燃油，经预增压后，先通入无刷直流电机，经螺旋槽冷却油路后的燃油流入控制器功率驱动模块散热底面。流经冷却槽道后的燃油送入驱动齿轮泵内。

控制装置结构设计以弱电与强电可靠隔离为原则，同时结合控制装置体积的不规则性限制，并考虑到了控制装置空间的充分利用。将全部控制电路主要分为四块PCB板：即主控制板，信号调理板，底面连接母板和IPM智能功率驱动模块的驱动板。

其它器件，如IPM、母线电容、电流传感器、上电限流电阻和上电限流开关管均安装在控制器壳体上，其中IPM、上电限流开关管安装在控制装置带有油路冷却的底面。

控制装置循油冷却底面上固定IPM功率模块、上电母线电容充电限流开关管等主要发热器件。

电机与其控制装置整体为L型设计，长边侧为电机本体，短边侧为电机控制装置，电机绕组和位置传感器引出线从电机后端盖处引出，连接至控制装置IPM功率模块。

IPM功率模块固定在散热底面上，三相绕组引出接口侧留出位置放置用以测量绕组电流的霍尔电流传感器，电机绕组引出线穿过传感器与其连接。

IPM功率模块上固定其驱动板，由控制IPM所需的四路隔离电源模块，隔离驱动信号的高速光耦电路等构成，PCB驱动板通过IPM专用接口插件，安装在IPM上方，控制信号通过矩形电连接器经由底面连接母板与主控制板连通。

在IPM功率模块上方，倒挂安装母线滤波电容板，由平波电容、母线电流传感器、母线电压传感器和上电限流开关驱动电路等构成。电路板设计留有豁口，用以电源引入航插接口预留，电源航插从豁口处引出，穿过母线电流传感器，连接固定在散热底面的上电限流开关管，同时并联固定在内侧面的限流电阻。

绕组电流传感器，母线电流、电压传感器测量信号均采用电流信号传输，避免电磁干扰，测量信号外加上电功率驱动开关信号汇总后，通过矩形连接器经由底面连接母板与主控制板连通。

底面母板上安装信号调理板、主控制板、IPM驱动信号矩形连接器接口和测量信号矩形连接器接口，用以实现控制装置所有信号的通路连接。

信号调理板固定在底面连接母板上，其上主要设置有相关DC/DC电源模块，信号调理电路，A/D转换芯片等。主要用以对电机的参数采样传送至主控制板。

主控制板主要由电源管理电路，主控芯片最小系统电路，通信接口电路和电机位置传感器信号处理电路等构成。

同时，为了减小电磁干扰，可在主控制板、信号调理板和底面连接母板与IPM驱动及功率模块间加入一层铝板屏蔽层。

具体实施例：

外形接口如图2所示。控制装置主要技术指标：

反馈信号：供电电压、驱动电流、转速等主要参数；

控制方式：转速/电流闭环控制；

转速控制误差：≯1％；

额定转速响应时间：≯0.5s；

通讯接口：RS422总线串行通信接口

如图1所示，电机绕组引出线穿过电流传感器3连接IPM功率模块5上的绕组连接接口，IPM驱动板6固定在IPM功率模块5上，控制信号通过矩形电连接器经由底面连接母板7。电容板1倒装在IPM功率模块5上部，包括平波电容、母线电流传感器、母线电压传感器和上电限流开关驱动电路等。引入的电源航插通过电容板1的豁口穿过电流传感器3，连接至固定在散热底面的上电限流开关4，同时并联限流电阻2。

底面母板7上安装信号调理板8、主控制板9、IPM驱动信号矩形连接器接口和测量信号矩形连接器接口，用以实现控制装置所有信号的通路连接。

信号调理板8主要由电源变换电路、模拟信号采样电路和硬件保护电路等组成。

其中，电源变换电路将28.5VDC控制电源转换为各级控制电路各自需要的供电电压；模拟信号采样电路通过不同的传感器检测控制装置需要的电流、电压、位置等模拟信号，再经过信号调理电路及ADC芯片实现各个模拟量的数字采样；硬件保护电路与主控制板9的控制芯片CPLD联合，通过运放、比较器的模拟器件实现控制装置电压、电流等硬件保护。

主控制板9主要由数字信号处理和通信接口组成。

数字信号处理电路由DSP和CPLD组成，构成电控器的控制核心单元。DSP选用TMS320F28335型数字信号处理器，主频高达150MHz，处理速度快。通过地址、数据总线可向CPLD高速读写系统的转速、电流、电压以及通信信息，用于实现闭环控制算法，发挥了DSP计算能力强的优点。

CPLD采用MAX II系列新一代CPLD芯片，用于采集ADC输出的各参量的数据，通过数据、地址总线、内部寄存器与DSP实现高速数据传输，减轻DSP中断开销，同时用于实现电机直流母线电压过/欠压、相电流过流、电机及逆变器过温等故障保护，实时监控系统状态，并输出PWM驱动信号给功率电路。

通信接口电路选择隔离收发器模块，芯片采用完全电气隔离的RS-485/RS-422数据通信接口芯片，整合了收发器、光耦和变压器构成的完整的隔离接口。采用逻辑侧的单一3.3V电源同时为隔离两侧的电路供电，其电磁辐射EMI极低，减小了因电缆不良匹配所造成的反射，在高达1Mbps的数据速率下可进行无差错数据传输。

Claims (3)

1.一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置，包括电机本体和其控制器；其特征在于：控制器位于电机本体的一侧并联形成一体化结构，采用循油冷却方式；所述控制器与电机本体相邻的一个侧边上设有散热底面，布局遵从原则弱电与强电隔离；散热底面上固定有IPM功率模块(5)和上电限流开关管(4)，IPM驱动板(6)通过IPM矩形电连接器固定在IPM功率模块(5)上方，电流传感器(3)固定在上电限流开关管(4)的上方，上电限流电阻(2)固定在上电限流开关管(4)的上方的侧边，滤波电容板(1)倒挂固定在IPM功率模块(5)的上方；主控制板(9)和信号调理板(8)垂直固定在母板(7)上，且位于散热底面的一侧；所述循油冷却方式的形成是：在控制器散热底面上设有冷却油口C，控制器与电机本体相衔接的侧边上设有冷却油通孔A，电机本体设有冷却油口B，电机驱动齿轮泵连接于冷却油口C和冷却油口B之间；循环时，电机驱动齿轮泵的冷却油先通入电机本体，经电机本体的螺旋槽冷却油路，通过冷却油通孔A流入控制器散热底面，流经冷却槽道后由冷却油口C回到电机驱动齿轮泵内；上述所有模块的电路连接关系遵从控制器原有的连接关系。

2.根据权利要求1所述自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置，其特征在于：所述一体化结构为L型结构，控制器的长度短于电机本体。

3.根据权利要求1所述自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置，其特征在于：在主控制板、信号调理板和底面连接母板与IPM驱动及功率模块间加入一层铝板屏蔽层。