CN107241035B - 一种具有导电环故障容错功能的无刷直流电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有导电环故障容错功能的无刷直流电机驱动系统，属于航天用高速电机的容错控制领域。包括霍尔位置传感器换相控制模块、无位置传感器换相控制模块、转速容错检测模块、信号故障诊断模块；所述霍尔位置传感器换相控制模块，根据导电环输入的三相霍尔位置信号，生成电机三相换相信号；所述无位置传感器换相控制模块，根据输入的电机绕组端电压信号，生成电机三相换相信号；所述转速容错检测模块，获取当前电机转子的转速信息；所述信号故障诊断模块，获取电机当前的故障检测结果，根据电机当前的故障检测结果和所述转速容错检测模块获取的当前电机转子的转速信息，从所述两路换相信号中，选择一路信号作为电机的驱动信号。

Description

一种具有导电环故障容错功能的无刷直流电机驱动系统

技术领域

本发明属于航天用高速电机的容错控制领域，涉及一种具有导电环故障容错功能的无刷直流电机驱动系统。

背景技术

在调整航天器姿态时，通常是通过控制力矩陀螺靠改变转子角动量的方向输出力矩实现的。而控制力矩陀螺高速转子是采用无刷直流电机进行驱动的，其中，驱动电路通常采用半桥形式。

目前，在进行电机驱动时，在一个电角度周期内，通常是通过一路霍尔位置信号用来实现功率管的准确换相后，将该路换相信号作为电机的驱动信号。其中，转子转速采集的输入为一路霍尔位置信号。然而由于框架驱动转子系统360度旋转，需要通过导电环将高速转子的功率、控制及遥测信号等霍尔位置信号进行传递。导电环作为决定产品寿命的关键组件，在长期工作过程中，由于磨损以及温度交变会出现瞬断故障，当转速检测对应的霍尔位置信号出现瞬断时，会造成整个高速转子系统的控制失效。而当转子换相信号出现瞬断时，会产生的巨大制动电流将烧毁产品，造成现有电机驱动系统存在较大的安全隐患。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，结合无刷直流电机控制的特点，电机绕组信号发生瞬断故障时，不会出现存在过电流，位置信号瞬断故障时，错误的换相逻辑会产生足以烧毁产品的过电压和过电流，从而采用无位置传感器驱动和有位置传感器驱动的混合控制方法，减少对导电环传输信号的依赖，可以有效解决导电环故障导致CMG高速无刷直流电机驱动失效的难题，以及CMG高速无刷电机驱动系统导电环信号传输的瞬断故障问题。

本发明的技术方案是：一种具有导电环故障容错功能的无刷直流电机驱动系统，包括：

霍尔位置传感器换相控制模块、无位置传感器换相控制模块、转速容错检测模块、信号故障诊断模块；

所述霍尔位置传感器换相控制模块，根据导电环输入的三相霍尔位置信号，生成电机三相换相信号，并送至所述信号故障诊断模块；

所述无位置传感器换相控制模块，根据输入的电机绕组端电压信号，生成电机三相换相信号，并送至所述信号故障诊断模块；

所述转速容错检测模块，获取当前电机转子的转速信息，并送至所述信号故障诊断模块；

所述信号故障诊断模块，实时监测电机当前是否存在故障，根据电机当前的实时监测结果和所述转速容错检测模块传来的当前电机转子的转速信息，从所述霍尔位置传感器换相控制模块和所述无位置传感器换相控制模块传来的三相换相信号中，选择一个三相换相信号作为电机的驱动信号送至电机。

进一步地，

所述信号故障诊断模块包括：周期计数单元、基准比较单元和控制模式切换单元；

所述周期计数单元，对输入的三相换相信号一个周期内的上升沿计时，得到计数时长；

所述基准比较单元，将所述计数时长与预置计数周期基准值进行比较，当计数时长大于预置计数周期基准值的0.8倍，小于预置计数周期基准值的1.2倍时，确认电机当前运行正常，否则确认存在故障；

所述控制模式切换单元，当电机当前运行正常时，若当前电机转子的转速信息小于标称转速，则选择霍尔位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号作为当前驱动信号，若当前电机转子的转速信息大于或等于标称转速，则选择无位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号作为当前驱动信号；

所述控制模式切换单元，当电机当前存在故障时，若当前电机转子的转速信息小于标称转速，则选择无位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号作为当前驱动信号，若当前电机转子的转速信息大于或等于标称转速，则选择霍尔位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号作为当前驱动信号。

进一步地，所述信号故障诊断模块还包括：故障定位单元；

所述故障定位单元，当所述计数时长小于或等于预置计数周期基准值0.8倍或者大于或等于预置计数周期基准值的1.2倍时，确认电机当前存在故障，输出故障告警信息。

进一步地，所述霍尔位置传感器换相控制模块包括滤波单元和逻辑变换单元；

所述滤波单元，对导电环输入的三相霍尔位置信号去除在传输途径中产生的高频噪声；

所述逻辑变换单元，对去噪后的三相霍尔位置信号进行逻辑运算，生成三相换相信号。

进一步地，所述无位置传感器换相控制模块包括：反电势过零检测单元、干扰抑制单元、信号移相单元以及逻辑变换单元；

所述反电势过零检测单元，通过比较电机绕组端电压和电机中点电压生成反电势的过零信号；

所述干扰抑制单元，对所述过零信号消除换相过程对所述过零信号的干扰；

所述信号移相单元，对滤除干扰的过零信号进行移相；

所述逻辑变换单元，对移相后的过零信号进行逻辑运算，生成电机三相换相信号。

进一步地，所述转速容错检测模块，根据所述滤波单元滤波后的三相霍尔位置信号和所述反电势过零检测单元生成的反电势的过零信号，获取每一路电机转子的转速信息，从多路电机转子的转速信息中选择变化幅度小于或等于预设阈值的转速信息，并将选择的转速信息的平均值作为当前电机转子的转速信息。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了一种容错驱动控制系统，通过对驱动信号进行备份，有效解决导电环信号传输中的瞬断故障问题，提高转子系统的容错运行能力。

(2)本发明提供的容错驱动控制系统，通过六路位置信号作为转速采集的输入，通过六备份逻辑，可以极大提高转子转速采集的准确性和有效性，并实现导电环传输信号的实时监测。

(3)本发明提出了一种容错驱动控制系统，以逻辑变换后换相信号作为诊断依据，避免干扰造成的误操作，有效识别导电环故障，对转子系统进行可靠保护。

(4)本发明提供的一种容错驱动控制系统，结合无刷电机半桥驱动方式的特点，将无位置传感器控制模式和霍尔位置信号换相控制模式结合，即可解决无位置传感器开环启动困难的问题，又可在稳速后减少对传输信号的依赖，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的导电环故障容错功能的CMG高速无刷直流电机驱动系统总体原理框图；

图2为本发明提供的换相信号与电机反电势信号逻辑关系图；

图3为本发明提供的换相信号周期计数流程图；

图4(a)-图4(c)为本发明提供的换相信号故障诊断流程图；

图5为本发明提供的高速转子冗余备份驱动方案工作模式示意图；

图6为本发明提供的转速备份逻辑示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括四个模块，霍尔位置传感器换相控制模块、无位置传感器换相控制模块、信号故障诊断模块和转速容错检测模块，从而可以生成无刷直流电机三相桥壁的驱动信号，并准确可靠的检测转子转速。

其中，霍尔位置传感器换相控制模块输入信号是导电环传输的三相霍尔位置信号，生成电机三相换相信号；无位置传感器换相控制模块输入信号是导电环传输的电机绕组端电压信号，同样生成电机三相换相信号；转速容错检测模块获取当前电机转子的转速信息；两个控制模块生成的换相信号进入信号故障诊断模块，信号故障诊断模块依据故障诊断结果和当前电机转子的转速信息，选择其中一个控制模块的三相换相信号作为三相电机所需的驱动信号。

下面对每一个模块进行详细阐述：

1、霍尔位置传感器换相控制模块

霍尔位置传感器换相控制模块包括滤波单元和逻辑变换单元，滤波单元由有电阻R和电容C组成，用以消除霍尔位置信号在传输途径中引入的干扰。逻辑变换单元是将霍尔位置信号进行逻辑运算，生成半桥驱动电路的驱动信号，其中A相换相信号为：A相霍尔位置信号反相后和B相霍尔位置信号进行与运算；B相换相信号为：B相霍尔位置信号反相后和C相霍尔位置信号进行与运算；C相换相信号为：C相霍尔位置信号反相后和A相霍尔位置信号进行与运算。

2、无位置传感器换相控制模块

无位置传感器换相控制模块包括反电势过零检测单元、干扰抑制单元、信号移相单元以及逻辑变换单元。该模块根据导电环传输的电机功率信号，电机中点电压和电机三相端电压来得到反电势的过零点，然后在进行30度电角度的移相运算，从而得到驱动电路的所需的驱动信号，从而可以不依赖于霍尔位置信号。

例如，以a相导通为例：

假设a相导通，b相和c相断开，可以得到反电势信号eb和ec，eb＝up–ubg，ec＝up–ucg，可以得到b相的过零点TQb和c相的过零点TQc。由图2知，TQb和TQc相差60度电角度，而b相换相点TQ2与b相反电势过零点TQb相差30度电角度，故b相换相点TQ2可以根据公式计算得到：

同理，可以得到a相换相点TQ1和c相换相点TQ3。

干扰抑制单元可以消除三相信号中换相干扰，经过30度电角度的移相运算，可以得到三相位置信号，经逻辑变换后得到三相驱动信号。

3、信号故障诊断模块

信号故障诊断模块包括周期计数单元、基准比较单元、故障定位单元和控制模式切换单元。

3.1、周期计数单元，逻辑变换后的换相信号上升沿开始计时，下降沿结束计时，可以得到计数时长。

3.2、基准比较单元

如图3所示，周期计数时长，其与预置计数周期基准值进行比较，当计数值大于基准值的0.8倍，小于基准值的1.2倍时，更新预置计数周期基准值，否则保持预置计数周期基准值不变，并进行故障定位。其中，预置计数周期基准值为毫秒级，如3毫秒。

3.3、故障定位单元

故障定位单元流程图如图4所示，实时定位故障位置。以A相工作为例，周期计数时长于基准值比较，当小于基准值的0.8倍时，a相位置信号出现瞬断故障，当大于基准值的1.2倍时，b相位置信号出现瞬断故障，否则，位置信号无故障。

3.4、控制模式切换单元

如图5所示，高速转子容错驱动默认的工作模式为，利用霍尔传感器换相实现高速转子加速启动，无位置传感器换相作为备份方案，即当前驱动信号为霍尔位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号，备份驱动信号为无位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号；到达标称转速后切换为无位置传感器换相，霍尔传感器换相作为备份方案，即当前驱动信号为无位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号，备份驱动信号为霍尔位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号。

其它情况下，控制模式切换的判据：(1)周期计数值大于基准值的1.2倍；(2)周期计数值在一段时间内，连续5次小于0.8倍基准值时，两条判据满足其一时，将当前驱动信号切换为备份驱动信号。

4、转速容错检测模块

转速容错检测模块，输入为滤波后的三路霍尔位置信号和三路反电势信号，输出为转子转速值和导电环传输状况。

具体地，三路霍尔位置信号和三路反电势信号经M测速法后，可得到六路转速值，单位为r/min，将每路转速计算值与上一拍的准确值进行比较，若差值的绝对值大于5，该路信号传输异常；若差值的绝对值小于5，该路信号传输正常，转子转速计算值正确，可取用。转速六备份逻辑示意图如图6所示，将正确的转速计算值取平均值，得到准确的转子转速检测值，输入到信号故障诊断模块中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种具有导电环故障容错功能的无刷直流电机驱动系统，其特征在于，包括：霍尔位置传感器换相控制模块、无位置传感器换相控制模块、转速容错检测模块、信号故障诊断模块；

所述霍尔位置传感器换相控制模块，根据导电环输入的三相霍尔位置信号，生成电机三相换相信号，并送至所述信号故障诊断模块；

其中，所述霍尔位置传感器换相控制模块包括滤波单元和逻辑变换单元；

所述滤波单元，对导电环输入的三相霍尔位置信号去除在传输途径中产生的高频噪声；

所述霍尔位置传感器换相控制模块的逻辑变换单元，对去噪后的三相霍尔位置信号进行逻辑运算，生成三相换相信号；

所述无位置传感器换相控制模块，根据输入的电机绕组端电压信号，生成电机三相换相信号，并送至所述信号故障诊断模块；

其中，所述无位置传感器换相控制模块包括：反电势过零检测单元、干扰抑制单元、信号移相单元以及逻辑变换单元；

所述反电势过零检测单元，通过比较电机绕组端电压和电机中点电压生成反电势的过零信号；

所述干扰抑制单元，对所述过零信号消除换相过程对所述过零信号的干扰；

所述信号移相单元，对滤除干扰的过零信号进行移相；

所述无位置传感器换相控制模块的逻辑变换单元，对移相后的过零信号进行逻辑运算，生成电机三相换相信号；

所述转速容错检测模块，获取当前电机转子的转速信息，并送至所述信号故障诊断模块；

其中，所述转速容错检测模块，根据所述滤波单元滤波后的三相霍尔位置信号和所述反电势过零检测单元生成的反电势的过零信号，获取每一路电机转子的转速信息，从多路电机转子的转速信息中选择变化幅度小于或等于预设阈值的转速信息，并将选择的转速信息的平均值作为当前电机转子的转速信息；

所述信号故障诊断模块，实时监测电机当前是否存在故障，根据电机当前的实时监测结果和所述转速容错检测模块传来的当前电机转子的转速信息，从所述霍尔位置传感器换相控制模块和所述无位置传感器换相控制模块传来的三相换相信号中，选择一个三相换相信号作为电机的驱动信号送至电机；

其中，所述信号故障诊断模块包括：周期计数单元、基准比较单元和控制模式切换单元；

所述周期计数单元，对输入的三相换相信号一个周期内的上升沿计时，得到计数时长；

所述基准比较单元，将所述计数时长与预置计数周期基准值进行比较，当计数时长大于预置计数周期基准值的0.8倍，小于预置计数周期基准值的1.2倍时，确认电机当前运行正常，否则确认存在故障；

所述控制模式切换单元，当电机当前运行正常时，若当前电机转子的转速信息小于标称转速，则选择霍尔位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号作为当前驱动信号，若当前电机转子的转速信息大于或等于标称转速，则选择无位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号作为当前驱动信号；

所述控制模式切换单元，当电机当前存在故障时，若当前电机转子的转速信息小于标称转速，则选择无位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号作为当前驱动信号，若当前电机转子的转速信息大于或等于标称转速，则选择霍尔位置传感器换相控制模块生成的三相换相信号作为当前驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种具有导电环故障容错功能的无刷直流电机驱动系统，其特征在于，所述信号故障诊断模块还包括：故障定位单元；

所述故障定位单元的计数时长小于或等于预置计数周期基准值0.8倍或者大于或等于预置计数周期基准值的1.2倍时，确认电机当前存在故障，输出故障告警信息。