CN111769766B - 一种小型化航空高压电机控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型化航空高压电机控制器，包括直流滤波电路、电源外场可更换模块、功率外场可更换模块和控制外场可更换模块，功率外场可更换模块包括软开启电路、三相全桥驱动电路和逆变滤波电路；控制外场可更换模块包括CPU电路、软开关控制电路、PWM控制电路、保护电路、反电势过零检测电路、霍尔采集电路、维护通信电路、信息存储电路、电压采集及调理电路、电流采集及调理电路，本发明能够实现电机控制器长时间可靠运行，可以减少产品的体积重量，提升产品效率和功率密度，完成产品小型化、集成化的设计目标，同时能兼有良好的电磁兼容性，可满足不同功率等级电机的驱动控制需求，适用于对尺寸、重量和使用环境要求高的航空航天领域。

Description

一种小型化航空高压电机控制器
技术领域
本发明涉及航空机电控制技术领域，尤其涉及一种小型化航空高压电机控制器。
背景技术
目前在汽车、电子和航空航天领域，电机驱动控制技术应用广泛，现有的技术方案大多数采用了传统的半导体Si基器件搭建主功率逆变桥，这些硅基MOSFET、IGBT产品，一定程度上改善了电机驱动控制产品的特性，但Si基半导体产品使用中仍然存在一些无法解决的问题。典型问题如下：
1、耐温等级较低，无法适应较高的环境温度，应用场合受限，温度可靠性低。
2、击穿场强低、夹断电压低，导致器件的耐压等级较低，承受电压冲击能力弱，失效概率相对较大，无法在高压大功率的产品中使用。
3、半导体器件导通损耗与其击穿场强成反比，在相同的功率等级下，Si基器件导通损耗比新型功率器件大很多，随着温度升高，其导通损耗会进一步增大，相较于新型功率器件、传统Si基器件的温度特性较差。
4、Si基器件导热系数较低，饱和电子温漂率低，无法提高工作频率，不利于改善负载控制特性。
为解决上述问题，需要采用新型功率器件，实现电机驱动控制领域产品的跨越式发展。
发明内容
本发明的目的：发明一种基于新型功率器件的小型化航空高压电机控制器，以解决目前产品无法持续高温工作、损耗大、效率低、体积重量大、可靠性低的技术问题。
本发明的技术方案：
一种小型化航空高压电机控制器，包括直流滤波电路、电源外场可更换模块、功率外场可更换模块和控制外场可更换模块，
所述的功率外场可更换模块包括软开启电路、三相全桥驱动电路和逆变滤波电路；
所述的控制外场可更换模块包括CPU电路、软开关控制电路、PWM控制电路、保护电路、反电势过零检测电路、霍尔采集电路、维护通信电路、信息存储电路、电压采集及调理电路、电流采集及调理电路；
所述的直流滤波电路与所述的电源外场可更换模块以及软开启电路连接，所述的电源外场可更换模块与控制外场可更换模块连接，给控制外场可更换模块供电，所述的软开启电路分别与三相全桥驱动电路以及软开关控制电路连接，所述的三相全桥驱动电路分别与逆变滤波电路、保护电路以及PWM控制电路连接，所述的逆变滤波电路分别与保护电路以及反电势过零检测电路连接，所述的软开关控制电路、PWM控制电路、保护电路、反电势过零检测电路、霍尔采集电路、维护通信电路、信息存储电路、电压采集及调理电路、电流采集及调理电路均与CPU电路连接。
所述的直流滤波电路与外部的270V直流电源连接。
所述的逆变滤波电路以及霍尔采集电路均与被控制的电机连接。
所述的直流滤波电路包括二极管D1、D2，电容C15、C16、C17、C18、C19、C20，差模电感L3、L4，所述的二极管D1的阳极与270V直流电源的正极连接，二极管D1的阴极与二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极与270V直流电源的负极连接，电容C16一端与二极管D2阴极连接，另一端与电容C20的一端以及地电位连接，电容C20另一端与二极管D2阳极连接，电容C18两端分别与差模电感L3的首端连接，且电容C18与电容C16、C20串联成的支路以及二极管D2并联，差模电感L3的尾端与差模电感L4首端连接，差模电感L4尾端连接分别连接至电容C15两端，电容C17一端与差模电感L3尾端连接，另一端与电容C19的一端以及地电位连接，电容C20另一端与差模电感L3尾端连接。
所述的电源外场可更换模块包括四个子模块，即
270V转28V电源模块，输出功率最大30W，其中28V为控制外场可更换模块的弱电系统供电；
28V转15VIPM/5VIPM电源模块，为三相全桥驱动电路、霍尔采集电路供电；
28V转VDD5V电源模块，为电压采集及调理电路、电流采集及调理电路、CPU电路、信息存储电路、维护通信电路供电；
28V转15V/5V电源模块为软启动电路供电。
所述的CPU电路为JDSPF28335芯片。
所述的软开启电路包括MOS管M8、电阻R58，电阻R58的两端分别连接MOS管M8的源极和漏极。
所述的逆变滤波电路包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6，电阻R65、R63、R64、R68、R66、R67，电容C48、C33、C34、C65、C53、C54，MOS管M1、M3、M5的漏极连在一起，MOS管M2、M4、M6的源极连在一起，MOS管M1的源极与MOS管M2的漏极连接，MOS管M3的源极与MOS管M4的漏极连接，MOS管M5的源极与MOS管M6的漏极连接，电容C48、电阻R65串联形成支路一，支路一的两端分别连接到MOS管M1的漏极和源极，电容C33、电阻R63串联形成支路三，支路三的两端分别连接到MOS管M3的漏极和源极，电容C34、电阻R64串联形成支路五，支路五的两端分别连接到MOS管M5的漏极和源极，电容C65、电阻R68串联形成支路二，支路二的两端分别连接到MOS管M2的漏极和源极，电容C53、电阻R66串联形成支路四，支路四的两端分别连接到MOS管M4的漏极和源极，电容C54、电阻R67串联形成支路六，支路六的两端分别连接到MOS管M6的漏极和源极。
所述的功率外场可更换模块还包括快速泄放电路，所述的快速泄放电路包括MOS管M7、电容CT5，电阻R59、R60，二极管D3没电容CT5的两端分别连接MOS管M7的漏极和源极，MOS管M7的漏极还分别与电阻R59的一端、电阻R60的一端以及二极管D3的阳极连接，电阻R59的另一端、电阻R60的另一端以及二极管D3的阴极连接在一起。
所述的功率外场可更换模块还包括防反接电路，所述的防反接电路包络MOS管M9，电阻R57、R61、R62，电容C32、定制电容C，电阻R57与MOS管M9的栅极连接，电容C32的两端分别连接MOS管M9的源极和漏极，电阻R61、R62形成并联支路，所述的并联支路一端连接MOS管M9的漏极，另一端连接－270V直流电源，定制电容C一端连接MOS管M9的漏极，另一端连接－270V直流电源。
所述的功率外场可更换模块还包括支撑电容C49、C50、CT4，支撑电容C49一端、C50一端、CT4一端均与MOS管M9的漏极连接，支撑电容C49另一端、C50另一端、CT4另一端均与－270V直流电源连接。
本发明的优点：提出一种小型化航空高压电机控制器，采用本发明的控制器，能够实现电机控制器长时间可靠运行，可以显著减少产品的体积重量，提升产品效率和功率密度，完成产品小型化、集成化的设计目标，同时能兼有良好的电磁兼容性。技术通用性强，可满足不同功率等级电机的驱动控制需求，适用于对尺寸、重量和使用环境要求很高的航空航天领域，本发明优势如下：
1、宽功率使用范围，可灵活应用于0～5KW等级的电机驱动控制产品。
2、高开关频率，可实现50kHZ的开关频率运行。
3、高产品效率，比同类Si基器件效率提高20％以上，整机效率可达95％以上。
4、较小体积重量，比同等级Si基器件体积重量减小30％以上。
5、元器件国产化率达到98％，满足军品需求。
附图说明：
图1是本发明的结构原理框图；
图2是直流滤波电路原理图；
图3是电源外场可更换模块结构原理图；
图4是软开启电路原理图；
图5是防反接电路原理图；
图6是支撑电容电路原理图；
图7是逆变滤波电路原理图；
图8是快速泄放电路原理图。
具体实施方式：
本发明的原理是：电机的速度和位置检测主要通过无刷直流电机内部安装的耐高温霍尔位置传感器，即霍尔采集电路，由CPU电路的捕获口或I/O口检测电机位置信号的边沿时间，计算实时转速，控制电路中反电势过零检测电路作为转速和位置检测的热备份，电压采集及调理电路采样电机绕组端电压，经过滤波电路后检测反电势过零点，结合滤波器的延时特性计算得到电机转子位置和转速，用校对霍尔采集电路中霍尔传感器的位置输出，判定霍尔传感器的正常和故障状态，在霍尔传感器故障后自动切换至无位置传感器控制方案，实现无位置传感器控制的热备份。
本发明的电机采用三相六状态控制方式，每120°状态两相绕组开通，对应三相桥式逆变滤波电路，该电路采用HPWM－LON斩波方式，即120°导通状态下，对应变换器的工作桥臂上管斩波，工作桥臂的下桥臂的三个MOS管恒通，以实现电流斩波限幅控制，并降低MOS管的开关次数和损耗，提高驱动控制器的运行效率。
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解：
如图1所示，一种小型化航空高压电机控制器，包括直流滤波电路、电源外场可更换模块(电源LRM)、功率外场可更换模块(功率LRM)和控制外场可更换模块(控制LRM)，
所述的功率外场可更换模块包括软开启电路、三相全桥驱动电路和逆变滤波电路；
所述的控制外场可更换模块包括CPU电路、软开关控制电路、PWM控制电路、保护电路、反电势过零检测电路、霍尔采集电路、维护通信电路、信息存储电路、电压采集及调理电路、电流采集及调理电路；
所述的直流滤波电路与所述的电源外场可更换模块以及软开启电路连接，所述的电源外场可更换模块与控制外场可更换模块连接，给控制外场可更换模块供电，所述的软开启电路分别与三相全桥驱动电路以及软开关控制电路连接，所述的三相全桥驱动电路分别与逆变滤波电路、保护电路以及PWM控制电路连接，所述的逆变滤波电路分别与保护电路以及反电势过零检测电路连接，所述的软开关控制电路、PWM控制电路、保护电路、反电势过零检测电路、霍尔采集电路、维护通信电路、信息存储电路、电压采集及调理电路、电流采集及调理电路均与CPU电路连接，所述的直流滤波电路与外部的270V直流电源连接，所述的逆变滤波电路以及霍尔采集电路均与被控制的电机连接。
控制外场可更换模块(控制LRM)
本发明的控制器外场可更换模块部分采用LRM的架构，整个LRM的功能和架构设计特点包括：
(1)具备硬件电流换控制和逻辑综合管理；
(2)具备隔离的母线电压采集功能；
(3)三相电流和母线电流的采集功能；
(4)具有霍尔位置传感器信号预处理功能；
(5)具备LRM内部电源的监控功能；
(6)具备BIT功能；
(7)具备故障等状态参数记录功能。
功率外场可更换模块(功率LRM)
功率LRM的主要功能是将270V高压直流电通过控制电路输出的PWM波驱动给你功率MOS管的开通和关断，转换为无刷直流电机驱动所需的三相电源，功率电路由软开启电路、防反接电路、快速泄放电路、支撑电容和三相逆变滤波电路及驱动和电流检测电路组成，支撑电容的功能主要有：(1)吸收功率回路中斩波控制产生的脉动电流，抑制母线回路中的电压波动，使得电源侧电压波动维持在允许的范围内，防止直流电压过冲和瞬时过电压对后级电路的影响；(2)在电机驱动的动态过程中向电机侧功率回路提供瞬间的大电流输出。
如图2所示，所述的直流滤波电路包括二极管D1、D2，电容C15、C16、C17、C18、C19、C20，差模电感L3、L4，所述的二极管D1的阳极与270V直流电源的正极连接，二极管D1的阴极与二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极与270V直流电源的负极连接，电容C16一端与二极管D2阴极连接，另一端与电容C20的一端以及地电位连接，电容C20另一端与二极管D2阳极连接，电容C18两端分别与差模电感L3的首端连接，且电容C18与电容C16、C20串联成的支路以及二极管D2并联，差模电感L3的尾端与差模电感L4首端连接，差模电感L4尾端连接分别连接至电容C15两端，电容C17一端与差模电感L3尾端连接，另一端与电容C19的一端以及地电位连接，电容C20另一端与差模电感L3尾端连接。
直流滤波电路主要功能有：1)防止电源输入反接导致产品损坏，2)抑制电源输入尖峰，3)对电源进行EMI滤波。
在电源输入端首先设计防反接功能，D1为整流二极管，利用二极管的单向导电性防止电路反向导通，D2为瞬态电压抑制二极管，抑制尖峰对后级电路的影响。
直流滤波电路主要功能为滤除电源线干扰，提高电磁兼容性，滤波器采用两级共模电感滤波设计，并设计对地电容，分别滤除电源线间及电源线与地之间的差模噪声和共模噪声，同时对逆变输入进行滤波，滤除输入电压的高频谐波。
如图3所示，所述的电源外场可更换模块包括四个子模块，即
270V转28V电源模块，输出功率最大30W，其中28V为控制外场可更换模块的弱电系统供电；
28V转15VIPM/5VIPM电源模块，为三相全桥驱动电路、霍尔采集电路供电；
28V转VDD5V电源模块，为电压采集及调理电路、电流采集及调理电路、CPU电路、信息存储电路、维护通信电路供电；
28V转15V/5V电源模块为软启动电路供电。
所述的CPU电路为JDSPF28335芯片。
如图4所示，所述的软开启电路包括MOS管M8、电阻R58，电阻R58的两端分别连接MOS管M8的源极和漏极。
如图7所示，所述的逆变滤波电路包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6，电阻R65、R63、R64、R68、R66、R67，电容C48、C33、C34、C65、C53、C54，MOS管M1、M3、M5的漏极连在一起，MOS管M2、M4、M6的源极连在一起，MOS管M1的源极与MOS管M2的漏极连接，MOS管M3的源极与MOS管M4的漏极连接，MOS管M5的源极与MOS管M6的漏极连接，电容C48、电阻R65串联形成支路一，支路一的两端分别连接到MOS管M1的漏极和源极，电容C33、电阻R63串联形成支路三，支路三的两端分别连接到MOS管M3的漏极和源极，电容C34、电阻R64串联形成支路五，支路五的两端分别连接到MOS管M5的漏极和源极，电容C65、电阻R68串联形成支路二，支路二的两端分别连接到MOS管M2的漏极和源极，电容C53、电阻R66串联形成支路四，支路四的两端分别连接到MOS管M4的漏极和源极，电容C54、电阻R67串联形成支路六，支路六的两端分别连接到MOS管M6的漏极和源极。
如图8所示的快速泄放电路，所述的快速泄放电路包括MOS管M7、电容CT5，电阻R59、R60，二极管D3没电容CT5的两端分别连接MOS管M7的漏极和源极，MOS管M7的漏极还分别与电阻R59的一端、电阻R60的一端以及二极管D3的阳极连接，电阻R59的另一端、电阻R60的另一端以及二极管D3的阴极连接在一起。
如图6所示的防反接电路，所述的防反接电路包络MOS管M9，电阻R57、R61、R62，电容C32、定制电容C，电阻R57与MOS管M9的栅极连接，电容C32的两端分别连接MOS管M9的源极和漏极，电阻R61、R62形成并联支路，所述的并联支路一端连接MOS管M9的漏极，另一端连接－270V直流电源，定制电容C一端连接MOS管M9的漏极，另一端连接－270V直流电源。
如图6所示的支撑电容C49、C50、CT4，支撑电容C49一端、C50一端、CT4一端均与MOS管M9的漏极连接，支撑电容C49另一端、C50另一端、CT4另一端均与－270V直流电源连接。
本发明的控制器的软件设计部分：
软件部分主要包括以下五个部分：电机控制软件、上电BIT软件、周期BIT软件、串口程序烧写、故障处理软件。
控制装置上电后，应当对其内部的硬件、软件资源进行系统初始化。系统初始化包括：软件数据初始化、事件管理器初始化、系统时钟初始化、系统定时器初始化、PIE中断初始化、GPIO接口初始化，SCI/SPI接口初始化、CAP接口初始化等。
电机控制软件主要在主控CPU电路内完成，实现如下功能：1)速度指令接收；2)霍尔信号捕获；3)转速计算；4)转速环调节；5)电流给定输出；6)通过DSP交互数据；7)反电势过零点法实现无位置控制的热备份。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小型化航空高压电机控制器，包括直流滤波电路、电源外场可更换模块、功率外场可更换模块和控制外场可更换模块，
所述的功率外场可更换模块包括软开启电路、三相全桥驱动电路和逆变滤波电路；
所述的控制外场可更换模块包括CPU电路、软开关控制电路、PWM控制电路、保护电路、反电势过零检测电路、霍尔采集电路、维护通信电路、信息存储电路、电压采集及调理电路、电流采集及调理电路；
所述的直流滤波电路与所述的电源外场可更换模块以及软开启电路连接，所述的电源外场可更换模块与控制外场可更换模块连接，给控制外场可更换模块供电，所述的软开启电路分别与三相全桥驱动电路以及软开关控制电路连接，所述的三相全桥驱动电路分别与逆变滤波电路、保护电路以及PWM控制电路连接，所述的逆变滤波电路分别与保护电路以及反电势过零检测电路连接，所述的软开关控制电路、PWM控制电路、保护电路、反电势过零检测电路、霍尔采集电路、维护通信电路、信息存储电路、电压采集及调理电路、电流采集及调理电路均与CPU电路连接；
所述的逆变滤波电路包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6，电阻R65、R63、R64、R68、R66、R67，电容C48、C33、C34、C65、C53、C54，MOS管M1、M3、M5的漏极连在一起，MOS管M2、M4、M6的源极连在一起，MOS管M1的源极与MOS管M2的漏极连接，MOS管M3的源极与MOS管M4的漏极连接，MOS管M5的源极与MOS管M6的漏极连接，电容C48、电阻R65串联形成支路一，支路一的两端分别连接到MOS管M1的漏极和源极，电容C33、电阻R63串联形成支路三，支路三的两端分别连接到MOS管M3的漏极和源极，电容C34、电阻R64串联形成支路五，支路五的两端分别连接到MOS管M5的漏极和源极，电容C65、电阻R68串联形成支路二，支路二的两端分别连接到MOS管M2的漏极和源极，电容C53、电阻R66串联形成支路四，支路四的两端分别连接到MOS管M4的漏极和源极，电容C54、电阻R67串联形成支路六，支路六的两端分别连接到MOS管M6的漏极和源极。
2.根据权利要求1所述的一种小型化航空高压电机控制器，其特征在于：所述的直流滤波电路与外部的270V直流电源连接。
3.根据权利要求1所述的一种小型化航空高压电机控制器，其特征在于：所述的逆变滤波电路以及霍尔采集电路均与被控制的电机连接。
4.根据权利要求1所述的一种小型化航空高压电机控制器，其特征在于：所述的直流滤波电路包括二极管D1、D2，电容C15、C16、C17、C18、C19、C20，差模电感L3、L4，所述的二极管D1的阳极与270V直流电源的正极连接，二极管D1的阴极与二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极与270V直流电源的负极连接，电容C16一端与二极管D2阴极连接，另一端与电容C20的一端以及地电位连接，电容C20另一端与二极管D2阳极连接，电容C18两端分别与差模电感L3的第一首端和第二首端对应连接，且电容C18与电容C16、C20串联成的支路以及二极管D2并联，差模电感L3的第一尾端、第二尾端分别与差模电感L4第一首端、第二首段对应连接，差模电感L4的第一尾端、第二尾端分别连接至电容C15两端，电容C17一端与差模电感L3第一尾端连接，另一端与电容C19的一端以及地电位连接，电容C19另一端与差模电感L3第二尾端连接。
5.根据权利要求1所述的一种小型化航空高压电机控制器，其特征在于：所述的电源外场可更换模块包括四个子模块，即
270V转28V电源模块，输出功率最大30W，其中28V为控制外场可更换模块的弱电系统供电；
28V转15VIPM/5VIPM电源模块，为三相全桥驱动电路、霍尔采集电路供电；
28V转VDD5V电源模块，为电压采集及调理电路、电流采集及调理电路、CPU电路、信息存储电路、维护通信电路供电；
28V转15V/5V电源模块为软启动电路供电。
6.根据权利要求1所述的一种小型化航空高压电机控制器，其特征在于：所述的CPU电路为JDSPF28335芯片。
7.根据权利要求1所述的一种小型化航空高压电机控制器，其特征在于：所述的软开启电路包括MOS管M8、电阻R58，电阻R58的两端分别连接MOS管M8的源极和漏极，MOS管M8的栅极连接软开关控制电路。
8.根据权利要求1所述的一种小型化航空高压电机控制器，其特征在于：所述的功率外场可更换模块还包括快速泄放电路，所述的快速泄放电路包括MOS管M7、电容CT5，电阻R59、R60，二极管D3；电容CT5的两端分别连接MOS管M7的漏极和源极，MOS管M7的漏极还分别与电阻R59的一端、电阻R60的一端以及二极管D3的阳极连接，MOS管M7的栅极连接软开关控制电路，电阻R59的另一端、电阻R60的另一端以及二极管D3的阴极连接在一起，功率外场可更换模块还包括防反接电路，
所述的功率外场可更换模块还包括防反接电路，所述的防反接电路包括MOS管M9，电阻R57、R61、R62，电容C32、定制电容C，电阻R57一端与MOS管M9的栅极连接，电阻R57另一端与外部电源VC连接，电容C32的两端分别连接MOS管M9的源极和漏极，电阻R61、R62形成并联支路，所述的并联支路一端连接MOS管M9的漏极，另一端连接－270V直流电源，定制电容C一端连接MOS管M9的漏极，另一端连接－270V直流电源。
9.根据权利要求8所述的一种小型化航空高压电机控制器，其特征在于：所述的功率外场可更换模块还包括支撑电容C49、C50、CT4，支撑电容C49一端、C50一端、CT4一端均与MOS管M9的漏极连接，支撑电容C49另一端、C50另一端、CT4另一端均与－270V直流电源连接。
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