CN109450317B - 电动装甲车永磁容错轮毂电机用驱动控制器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
电动装甲车永磁容错轮毂电机用驱动控制器,包括DSP系统、FPGA系统、隔离驱动电路、容错功率驱动器以及信号调理电路;控制器利用霍尔电流传感器采集电机的相绕组电流信号,旋转变压器采集电机转子的位置和转速信号,同时根据电机的非故障两相绕组电流信号,利用无传感器控制方法估计电机转子的位置和转速信号,电机转子位置和转速的两种检测方法互为冗余备份的方式,提高电机位置/速度检测的可靠性;本发明具有良好的故障隔离能力和容错运行性能,系统转换效率高,可有效地满足电动装甲车辆轮毂驱动高可靠、大功率、高效率、体积小的性能要求。
Description
技术领域
本发明属于高可靠永磁同步电动机驱动控制技术领域,具体涉及一种电动装甲车永磁容错轮毂电机用轻质高可靠的驱动控制器及控制方法。
背景技术
随着多电/全电技术的不断引领和推动,电力驱动系统被越来越多的应用于电动装甲车辆传动系统领域,取代传统基于离合器、变速器、减速器、传动轴等的机械传动系统,大大简化了装甲车辆底盘结构的复杂性,提高了车体空间的利用率、系统的能量利用率以及传动效率。因此,电力驱动系统成为现代电动装甲车辆传动系统的重要发展方向。
装甲车对电机系统的要求是大功率、高可靠性、高效率、小体积,所以为了提高可靠性,采用容错电机结构;装甲车辆对轮毂电机及其驱动控制器和控制方法提出了较高的要求;轮毂电机系统作为装甲车辆电力驱动系统的核心关键部件,其性能优劣直接影响整个电动装甲车辆的综合作战性能和可靠性。随着高磁能积永磁材料、大功率驱动技术、以及电机控制技术的发展,永磁容错电机系统具有可靠性高、容错能力强、功率密度高、效率高、振动和噪声小、转矩脉动小、控制简单等优势,这些优势适合应用于装甲车辆用轮毂驱动电机。
然而,永磁容错轮毂电机属于多相电机,其驱动控制不同于传统的三相电机,结构更加复杂,体积重量更大,难以满足电动装甲车对其体积的要求;同时,随着永磁容错轮毂电机相数增加,驱动控制器所需功率开关管的数量急剧增加,导致系统效率显著下降,严重影响装甲车辆的作战性能;此外,永磁容错轮毂电机位置和速度检测是实现永磁容错轮毂电机系统控制的前提。位置/速度传感器的可靠性会直接影响整个系统的可靠性。而传统的机械式位置/速度传感器体积重量大,难以通过冗余备份的方式以提高电机位置/速度检测的可靠性。
发明内容
针对上述存在的问题,本发明的目的在于提供一种电动装甲车永磁容错轮毂电机用轻质高可靠驱动控制器的控制方法,通过对驱动控制结构、关键部件尤其是控制方法的设计创新,使所设计的永磁容错轮毂电机驱动控制器具有良好的容错性能;通过无传感器控制方法和机械式传感器互为冗余备份的方式,提高电机位置/速度检测的可靠性;通过采用新型的宽禁带半导体器件SiC MOSFET,减小功率管的开关损耗,提高系统的效率。
本发明提供了一种电动装甲车永磁容错轮毂电机用驱动控制器,所述驱动控制器采用DSP和FPGA控制架构、每相绕组H桥独立供电的驱动控制方式:所述驱动控制器包括DSP系统、FPGA系统、隔离驱动电路、容错功率驱动器以及信号调理电路;所述的DSP系统包括速度环控制器、容错控制器、无传感器控制模块和切换开关模块;所述DSP系统用于承担永磁容错轮毂电机系统速度环控制器和容错控制器计算、以及基于非故障两相绕组的无传感器控制算法的计算;正常情况下利用机械式传感器实现电机的位置和速度检测;所述的机械式传感器包括霍尔电流传感器和旋转变压器;当机械式传感器出现故障时,由切换开关模块切换到无传感器检测模式,利用无传感器控制模块实现电机的位置和速度检测。
所述的FPGA系统包括电流环控制器、PWM生成模块、故障诊断模块、A/D采样控制模块和旋变控制模块;所述FPGA系统用于承担对A/D采样控制模块和RDC轴角变换器的控制、系统故障诊断、电机电流环控制器的计算、以及PWM信号的生成。
所述的隔离驱动电路包括隔离的DC-DC开关电源、光耦隔离变换器和功率放大器,其用于实现电机数字控制器PWM控制弱电信号与容错功率驱动器强电信号之间的电气隔离,以及对电机数字控制器PWM控制弱电信号进行功率放大。
所述的容错功率驱动器包括采用宽禁带半导体器件SiC MOSFET的H桥型功率驱动电路,每个所述H桥型功率驱动电路为永磁容错轮毂电机的一相绕组供电。
所述的信号调理电路包括霍尔电流传感器、A/D模数转换器、旋转变压器、RDC轴角变换器以及相关的运算放大电路;其中,霍尔电流传感器用于检测永磁容错轮毂电机每相绕组的电流,将每相绕组的电流转换成相应的电压信号输出,经过运算放大电路的滤波、电平变换后送给A/D模数转换器;A/D模数转换器将霍尔电流传感器输出的电压信号转换成相应的数字信号,并送入FPGA系统中的A/D采集控制模块;旋转变压器用于检测电机转子的位置和转速,输出两相正交的正余弦电压信号给RDC轴角变换器;RDC轴角变换器对两相正交的正余弦电压信号进行解调,将电机转子的位置和转速转换成相应的数字信号,并送入FPGA系统的旋变控制模块。
DSP系统根据上位机的控制指令信号以及FPGA送给DSP的电机位置和速度反馈信号,完成驱动轮毂电机系统速度环控制器的计算,求解电机的电磁转矩指令给定值;根据电机系统的故障模式和电机的电磁转矩指令给定值,完成容错轮毂电机系统的容错控制器计算,求解电机非故障相绕组的电流指令,并将电机每相绕组电流指令送入FPGA系统;利用A/D采样控制模块得到的电机系统非故障两相绕组的电流反馈值,完成电机无传感器控制算法的计算,实时估计永磁容错轮毂电机系统非故障情况和故障情况时中高速段电机转子的位置和速度。
优选的,所述的DSP采用浮点型高速DSP TMS320F28335,主频150MHz,具有32位浮点处理单元。
优选的,所述的FPGA采用EP2C35F484,主频高100MHz,具有35个乘法器,322个可配置I/O引脚。
优选的,所述的容错驱动器SiC MOSFET采用CAS300M17BM2半桥模块,耐压1700V,额定电流325A,开关频率高。
本发明还提供了一种根据上述的驱动控制器所实现的冗余备份控制方法,该控制方法包括:该驱动控制器利用所述霍尔电流传感器采集电机的相绕组电流信号,旋转变压器采集电机转子的位置和转速信号,同时根据电机的非故障两相绕组电流信号,利用无传感器控制方法估计电机转子的位置和转速信号,两种电机转子位置和速度检测方法互为冗余备份的方式,以提高电机位置/速度检测的可靠性。
该永磁容错轮毂电机系统中高速段的无传感器控制算法如下:
步骤1:建立永磁容错轮毂电机的鲁棒观测器模型;
根据永磁容错轮毂电机的数学模型可知,非故障相绕组的电压方程为
式中R和L表示轮毂电机的相绕组电阻和电感,iA和iB表示非故障相绕组A和B中的电流,eA=emsinθ和eB=emsin(θ+Δθ)表示相绕组A和B的反电动势,em表示电机的峰值反电动势,θ表示电机转子实际位置,Δθ表示B相绕组和A相绕组的电角度差,uA和uB表示施加在电机两相绕组端部的电压;
根据式(1),建立永磁容错轮毂电机的鲁棒观测器模型为:
步骤3:利用霍尔电流传感器采集永磁容错电机非故障A和B相绕组的实际电流值iA和iB;
根据式(1)和(2),得到永磁容错轮毂电机的鲁棒控制率为:
优选的,所述的无传感器控制算法基于非正交的两相绕组。
优选的,所述的无传感器控制算法基于非正交两相绕组的反电动势。
优选的,所述电机的故障模式为相绕组开路故障和/或短路故障。
本发明的有益效果和创新之处在于:
(1)本发明一种电动装甲车永磁容错轮毂电机用轻质高可靠驱动控制器采用DSP和FPGA控制架构、每相绕组H桥独立供电的驱动结构,提高电机系统的故障隔离能力和容错控制性能。
(2)驱动控制器采用基于非故障两相绕组反电动势的无传感器控制方法,实现电机非故障情况和故障情况中高速段转子位置和速度的估计,与机械式传感器互为冗余备份,以提高电机位置/速度检测的可靠性。
(3)驱动控制器的功率开关管采用新型的宽禁带半导体器件SiC MOSFET,有效地减小功率管的开关损耗,提高电机系统的效率。
本发明提供了一种电动装甲车永磁容错轮毂电机用轻质高可靠驱动控制器的控制方法,通过对控制策略、驱动控制结构以及关键部件的设计创新,使所设计的永磁容错轮毂电机驱动控制器具有良好的故障隔离能力和容错运行性能,系统效率高,可有效地满足电动装甲车辆轮毂驱动高可靠、大功率、高效率、体积小的性能要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种电动装甲车永磁容错轮毂电机用驱动控制器整体结构示意图;
图2为本发明中DSP和FPGA的功能示意图;
图3为本发明中容错功率驱动器结构示意图;
图4为本发明中基于非故障两相绕组的无传感器控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案。
图1所示为本发明提供的电动装甲车永磁容错轮毂电机用轻质高可靠驱动控制器,包括浮点型高速DSP系统、大规模逻辑门阵列FPGA系统、隔离驱动电路、容错功率驱动器以及信号调理电路。电动装甲车永磁容错轮毂电机用轻质高可靠驱动控制器利用霍尔电流传感器采集电机的相绕组电流信号,旋转变压器采集电机转子的位置和转速信号,同时根据电机的两相绕组电流信号,利用无传感器控制方法估计电机转子的位置和转速信号,两种电机转子位置和速度检测方法互为冗余备份的方式,提高电机位置/速度检测的可靠性;驱动控制器在采集到电机的绕组电流、转子位置和转速信号后,经过系统速度环控制器求解得到电机的电磁转矩给定指令,然后根据电机的故障模式(相绕组开路故障和短路故障),通过容错控制器计算电机非故障相电流的给定指令,电流环控制器通过比较相绕组电流给定指令和反馈信号得到PWM生成模块的给定指令,最后PWM生成模块产生控制容错功率驱动器的PWM控制信号,进而控制永磁容错电机非故障情况和故障情况下的平稳运行。
所述的浮点型高速DSP系统主要由32位浮点型高速DSP及其外围电路组成。如图2所示,DSP的主要功能是根据上位机的控制指令信号以及FPGA送给DSP的电机位置和速度反馈信号,完成驱动轮毂电机系统速度环控制器的计算,求解电机的电磁转矩指令给定值;根据电机系统的故障模式和电机的电磁转矩指令给定值,完成容错轮毂电机系统的容错控制器计算,求解电机非故障相绕组的电流指令,并将电机每相绕组电流指令送入FPGA;利用A/D采集模块得到的电机系统非故障两相绕组的电流反馈值,完成电机无传感器控制算法的计算,实时估计永磁容错轮毂电机系统非故障情况和故障情况时中高速段电机转子的位置和速度,如图4所示。
其中,浮点型高速DSP采用美国TI公司的32位浮点型DSP TMS320F28335,主频高达150MHz,具有32位浮点处理单元。
所述的大规模逻辑门阵列FPGA系统主要由大规模逻辑门阵列FPGA及其外围电路组成。如图2所示,FPGA的主要功能是通过A/D采样控制模块完成对A/D模数转换器的控制,将电机每相绕组的电流转换为相应的数字量;通过旋变控制模块完成对RDC轴角变换器的控制,将旋转变压器的输出电压转换成代表电机转子位置和转速的数字量,并将转换后的信号发送给DSP;完成永磁容错轮毂电机系统的故障诊断;根据DSP计算得到的每相绕组的电流指令给定值、A/D采集控制模块得到的电机每相绕组的电流反馈指令以及电机转子的位置信号,完成对电机系统电流环控制器的计算;根据电流环控制器的输出,完成PWM生成模块的计算,求解每相绕组功率开关管的PWM控制信号。
其中,大规模逻辑门阵列FPGA采用美国ALTERA公司Cyclone II系列FPGAEP2C35F484,主频高达100MHz,具有33216个逻辑单元,35个乘法器,322个可配置I/O引脚。
如图3所示,所述的容错功率驱动器主要由采用新型的宽禁带半导体器件SiCMOSFET的H桥型功率驱动电路构成,每个H桥型功率驱动电路为永磁容错轮毂电机的一相绕组供电。其中,SiC MOSFET采用美国CREE公司的CAS300M17BM2半桥模块,耐压1700V,额定电流325A,开关频率高。
所述的隔离驱动电路主要由隔离的DC-DC开关电源、光耦隔离变换器和功率放大器等组成。隔离驱动电路的主要功能是实现电机数字控制器PWM控制弱电信号与容错功率驱动器强电信号之间的电气隔离,以及对电机数字控制器PWM控制弱电信号进行功率放大。其中,隔离DC-DC开关电源采用Powerline公司的RP-1205S和RP-1212D,为SIC MOSFET的门极驱动提供隔离电源;光耦隔离变换器采用AVAGO公司的ACPL-4800-300E,实现控制信号强弱电之间的隔离;功率放大器采用IXYS公司的IXDN609SI,实现控制信号的功率放大。
所述的信号调理电路主要包括霍尔式电流传感器、A/D模数转换器、旋转变压器、RDC轴角变换器以及相关的运算放大电路。其中,霍尔电流传感器采用LEM公司的HASS 100-S,测量误差小、频率响应高,主要用于检测永磁容错轮毂电机每相绕组的电流;A/D模数转换器采用ADI公司的8通道同步采样双极性AD转换芯片AD7606,主要功能是将霍尔电流传感器输出的电压信号转换成相应的数字信号,并送入FPGA中的A/D采集控制模块;旋转变压器采用上海赢双多对极旋转变压器YS132XU9736E,主要功能是检测电机转子的位置和转速,输出两相正交的正余弦电压信号给RDC轴角变换器;RDC轴角变换器采用ADI公司的AD2S1210,主要功能是对旋转变压器正余弦电压信号进行解调,将电机转子的位置和转速转换成相应的数字信号,并送入FPGA的旋变控制模块。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种根据电动装甲车永磁容错轮毂电机用驱动控制器实现的冗余备份控制方法,所述驱动控制器采用DSP和FPGA控制架构、每相绕组H桥独立供电的驱动控制方式:所述驱动控制器包括DSP系统、FPGA系统、隔离驱动电路、容错功率驱动器以及信号调理电路;所述的DSP系统包括速度环控制器、容错控制器、无传感器控制模块和切换开关模块;所述DSP系统用于承担永磁容错轮毂电机系统速度环控制器和容错控制器计算、以及基于非故障两相绕组的无传感器控制算法的计算;正常情况下利用机械式传感器实现电机的位置和速度检测;所述的机械式传感器包括霍尔电流传感器和旋转变压器;当机械式传感器出现故障时,由所述DSP系统中的切换开关模块切换到无传感器检测模式,利用所述DSP系统中的无传感器控制模块实现电机的位置和速度检测;其特征在于:
所述的FPGA系统包括电流环控制器、PWM生成模块、故障诊断模块、A/D采样控制模块和旋变控制模块;所述FPGA系统用于承担对A/D采样控制模块和RDC轴角变换器的控制、系统故障诊断、电机电流环控制器的计算、以及PWM信号的生成;
所述的隔离驱动电路包括隔离的DC-DC开关电源、光耦隔离变换器和功率放大器,其用于实现电机数字控制器PWM控制弱电信号与容错功率驱动器强电信号之间的电气隔离,以及对电机数字控制器PWM控制弱电信号进行功率放大;
所述的容错功率驱动器包括采用宽禁带半导体器件SiC MOSFET的H桥型功率驱动电路,每个所述H桥型功率驱动电路为永磁容错轮毂电机的一相绕组供电;
所述的信号调理电路包括霍尔电流传感器、A/D模数转换器、旋转变压器、RDC轴角变换器以及相关的运算放大电路;其中,霍尔电流传感器用于检测永磁容错轮毂电机每相绕组的电流,将每相绕组的电流转换成相应的电压信号输出,经过运算放大电路的滤波、电平变换后送给A/D模数转换器;A/D模数转换器将霍尔电流传感器输出的电压信号转换成相应的数字信号,并送入FPGA系统中的A/D采集控制模块;旋转变压器用于检测电机转子的位置和转速,输出两相正交的正余弦电压信号给RDC轴角变换器;RDC轴角变换器对两相正交的正余弦电压信号进行解调,将电机转子的位置和转速转换成相应的数字信号,并送入FPGA系统的旋变控制模块;
DSP系统根据上位机的控制指令信号以及FPGA送给DSP的电机位置和速度反馈信号,完成驱动轮毂电机系统速度环控制器的计算,求解电机的电磁转矩指令给定值;根据电机系统的故障模式和电机的电磁转矩指令给定值,完成容错轮毂电机系统的容错控制器计算,求解电机非故障相绕组的电流指令,并将电机每相绕组电流指令送入FPGA系统;利用A/D采样控制模块得到的电机系统非故障两相绕组的电流反馈值,完成电机无传感器控制算法的计算,实时估计永磁容错轮毂电机系统非故障情况和故障情况时中高速段电机转子的位置和速度;
该控制方法包括:该驱动控制器利用所述霍尔电流传感器采集电机的相绕组电流信号,旋转变压器采集电机转子的位置和转速信号,同时根据电机的非故障两相绕组电流信号,利用无传感器控制方法估计电机转子的位置和转速信号,两种电机转子位置和速度检测方法互为冗余备份的方式,以提高电机位置/速度检测的可靠性;
该永磁容错轮毂电机系统中高速段的无传感器控制算法如下:
步骤1:建立永磁容错轮毂电机的鲁棒观测器模型;
根据永磁容错轮毂电机的数学模型可知,非故障相绕组的电压方程为
式中R和L表示轮毂电机的相绕组电阻和电感,iA和iB表示非故障相绕组A和B中的电流,eA=emsinθ和eB=emsin(θ+Δθ)表示相绕组A和B的反电动势,em表示电机的峰值反电动势,θ表示电机转子实际位置,Δθ表示B相绕组和A相绕组的电角度差,uA和uB表示施加在电机两相绕组端部的电压;
根据式(1),建立永磁容错轮毂电机的鲁棒观测器模型为:
步骤3:利用霍尔电流传感器采集永磁容错轮毂电机非故障A和B相绕组的实际电流值iA和iB;
根据式(1)和(2),得到永磁容错轮毂电机的鲁棒控制率为:
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述的无传感器控制算法基于非正交的两相绕组。
3.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述的无传感器控制算法基于非正交两相绕组的反电动势。
4.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述电机的故障模式为相绕组开路故障和/或短路故障。
5.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述的DSP采用浮点型高速DSPTMS320F28335,主频150MHz,具有32位浮点处理单元。
6.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述的FPGA采用EP2C35F484,主频高100MHz,具有35个乘法器,322个可配置I/O引脚。
7.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述的容错驱动器SiC MOSFET采用CAS300M17BM2半桥模块,耐压1700V,额定电流325A,开关频率高。
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GR01 | Patent grant | ||
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