專利名稱：小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的控制技術(shù)，可作為衛(wèi)星、空間站等航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件的一種高可靠、高精度的控制方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星、空間站等航天器的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件要求高可靠、高精度，以保證航天器穩(wěn)定、高效運(yùn)行。目前姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)所用的驅(qū)動(dòng)部件，一般采用有位置傳感器的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。而永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)通過位置傳感器獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)后，依據(jù)位置信號(hào)進(jìn)行換相和調(diào)速。但是，由于位置傳感器電源、信號(hào)接線較多，只要其中任意一根接線發(fā)生故障，都將導(dǎo)致整個(gè)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)停止工作。其次，作為航天器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部件的一部分，位置傳感器很容易受到外界的影響。例如電磁輻射和溫度變化都會(huì)影響位置傳感器的工作性能。當(dāng)受到干擾使得位置信號(hào)產(chǎn)生大的變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相的失誤。再次，位置傳感器安裝精度有限，這樣還會(huì)影響到永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。
綜上所述，采用有位置傳感器的控制，會(huì)降低航天器運(yùn)行可靠性和精度。故無位置傳感器的控制方法更適用于航天器用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。由于航天器用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)要求具有小電樞電感的特點(diǎn)，以保證高速運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。這樣，在一個(gè)PWM周期中，電樞繞組相電流就必然存在斷續(xù)狀態(tài)；高速時(shí)電樞繞組中會(huì)產(chǎn)生峰峰值極大、頻率很高的反電動(dòng)勢(shì)。采用現(xiàn)有的無位置傳感器的控制方法，如端電壓檢測(cè)法和轉(zhuǎn)子位置估計(jì)法等，將很難得到良好的控制效果，理由如下所述
首先，無刷直流電機(jī)要求在極高的轉(zhuǎn)速(幾萬轉(zhuǎn)/分)下運(yùn)轉(zhuǎn)。現(xiàn)有的端電壓檢測(cè)法，是對(duì)三相繞組進(jìn)行分壓阻容濾波，計(jì)算出不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，再延后一定時(shí)間進(jìn)行換相。但是，這樣得到的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)會(huì)因?yàn)橛来艧o刷直流電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生過大的相移，導(dǎo)致當(dāng)檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后，真正的換相點(diǎn)已經(jīng)過去，從而造成換相失誤。另外，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)法，在高速時(shí)必須以極高的采樣頻率對(duì)永磁無刷直流電機(jī)中多個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)量，然后運(yùn)行復(fù)雜的算法估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置，這樣即使采用主頻較高的控制器也很難實(shí)時(shí)得到精確的位置信號(hào)。并且，由于位置估計(jì)算法及其復(fù)雜，所以對(duì)于高速情況而言難以實(shí)現(xiàn)。
其次，現(xiàn)有的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的控制方法一般只適用于繞組相電流不存在斷續(xù)狀態(tài)的情況。而小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)由于具有小電樞電感的特點(diǎn)。因此，在一個(gè)PWM周期中，繞組相電流就必然存在兩相導(dǎo)通、續(xù)流和斷續(xù)這三種狀態(tài)。當(dāng)相電流從續(xù)流狀態(tài)向斷流狀態(tài)突變時(shí)，由于三相逆變橋中功率管的寄生電容和電樞繞組中的電感和電阻相互作用，端電壓會(huì)存在二階阻尼振蕩過程。在振蕩過程中，將檢測(cè)到的電樞繞組端電壓應(yīng)用于無位置傳感器的換相中，會(huì)得到不正確的結(jié)果。因此，使用現(xiàn)有無位置傳感器的控制方法，應(yīng)用于小電樞電感永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)上，都無法得到良好的控制效果。
最后，現(xiàn)有的無位置傳感器控制方法，均是先對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行初始位置的估計(jì)或者把轉(zhuǎn)子固定在一個(gè)確定的初始位置上，然后進(jìn)行起動(dòng)加速，而之后電動(dòng)機(jī)的換相過程均是基于這個(gè)初始位置的。由于端電壓的檢測(cè)信號(hào)是由加載在三相逆變橋上的直流穩(wěn)壓電源提供的，一旦電樞繞組和三相逆變橋由于故障完全斷開后，將無法再檢測(cè)到端電壓信號(hào)，也就無法再獲得此階段的位置信息。當(dāng)三相電樞繞組再重新接回三相逆變橋，由于此時(shí)刻的位置信息無法得到，也就無法知道當(dāng)前哪一相電樞繞組處于不導(dǎo)通狀態(tài)，也就無法繼續(xù)采用無位置傳感器的方法繼續(xù)進(jìn)行換相控制。這對(duì)于作為衛(wèi)星、空間站姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高可靠性驅(qū)動(dòng)部件，是不適合的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有的無位置傳感器控制技術(shù)應(yīng)用于小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，無法在過高轉(zhuǎn)速下獲得精確的轉(zhuǎn)子位置信息，從而進(jìn)行有效換相控制的缺點(diǎn)；以及克服了在電樞繞組和三相逆變橋發(fā)生故障斷開后，無法繼續(xù)檢測(cè)到換相信號(hào)的缺點(diǎn)，提供一種小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高可靠、高精度的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，包括穩(wěn)恒直流電源、電流傳感器、三相逆變橋、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、電氣隔離電路、數(shù)字控制器和濾波電路，穩(wěn)恒直流電源給三相逆變橋一個(gè)恒定的電壓，三相逆變橋根據(jù)換相信號(hào)對(duì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行換相和調(diào)速，電流傳感器檢測(cè)電源母線電流，將傳感器信號(hào)送入數(shù)字控制器，經(jīng)電氣隔離電路隔離后的信號(hào)送入到數(shù)字控制器，數(shù)字控制器輸出六路PWM信號(hào)給三相逆變橋，其特點(diǎn)在于還包括限幅多路切換器程控放大比較器，限幅多路切換器將永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)不導(dǎo)通相的端電壓選出，進(jìn)行幅值限制后輸出至程控放大比較器，由程控放大比較器將不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)放大后和電壓參考值比較，輸出電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的換相信號(hào)給電氣隔離電路。
當(dāng)PWM占空比較大，即大于10％時(shí)，以上所述的電壓參考值為電源電壓的一半，限幅多路切換器將不導(dǎo)通相的端電壓限幅后與電源電壓參考值通過程控放大比較器進(jìn)行比較，輸出無位置傳感器控制系統(tǒng)所必需的換相信號(hào)；在電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制導(dǎo)致PWM占空比很小，即小于等于10％時(shí)，可在一個(gè)PWM周期中，繞組相電流處于斷續(xù)狀態(tài)時(shí)，電壓參考值電機(jī)中點(diǎn)電壓，該電機(jī)中點(diǎn)參考值與不導(dǎo)通相的端電壓進(jìn)行比較，輸出換相信號(hào)。
在運(yùn)行過程中，當(dāng)PWM為高電平時(shí)，通過電流傳感器檢測(cè)電源母線電壓，如果發(fā)現(xiàn)了電樞繞組和三相逆變橋完全斷開的故障，那么，此時(shí)可先檢測(cè)斷開之前不導(dǎo)通相的端電壓，如果發(fā)現(xiàn)其數(shù)值過零，則馬上換到下一相，在持續(xù)地檢測(cè)其端電壓的過零點(diǎn)。直到三相逆變橋和電樞繞組恢復(fù)連接。將當(dāng)前所檢測(cè)的電樞繞組作為不導(dǎo)通相，繼續(xù)采用三相逆變橋和電樞繞組正常連接時(shí)無位置傳感器的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。
本發(fā)明的原理是小電樞電感永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)中的三相逆變橋包括六個(gè)自關(guān)斷功率器件，采用上管恒通、下管PWM調(diào)制的方法，對(duì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行換相和調(diào)速。在一個(gè)PWM周期中，電樞繞組相電流存在連續(xù)、續(xù)流和斷續(xù)三種狀態(tài)，會(huì)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電樞繞組中會(huì)產(chǎn)生峰峰值極大、頻率很高的反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)檢測(cè)到不導(dǎo)通相電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)數(shù)值上過零的時(shí)刻，再延后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行30度電角度的時(shí)間就是永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相點(diǎn)。這里設(shè)R、L為各相電樞繞組相電阻、相電感；Va、Vb、Vc和Vn分別為三相電樞繞組端電壓和電樞繞組中點(diǎn)電壓；Ea、Eb和Ec分別為三相電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)；Ia、Ib和Ic為三相電流。這里假設(shè)A、B相繞組為導(dǎo)通相、C相為不導(dǎo)通相、VD為電源電壓值。當(dāng)PWM為高電平時(shí)有如下關(guān)系Vn=VD-IaR-LdIadt-Ea---(1)]]>Vn=IbR+LdIbdt-Eb---(2)]]>由于兩相導(dǎo)通時(shí)兩相電流大小相等方向相反，因此將上兩式相加有Vn=VD2-Ea+Eb2---(3)]]>因?yàn)橛来胖绷鳠o刷電動(dòng)機(jī)三相繞組是對(duì)稱的，所以有Ea+Eb+Ec＝0 (4)
故Vn=VD2+Ec2---(5)]]>這樣對(duì)于不導(dǎo)通相電樞繞組端電壓，其值為Vc=VD2+3Ec2---(6)]]>因此，當(dāng)PWM為高電平時(shí)，將電源電壓的一半即VD/2作為電壓參考值與不導(dǎo)通相電樞繞組的端電壓經(jīng)過電壓比較器進(jìn)行比較，如果輸出的比較信號(hào)發(fā)生了跳變，就說明此時(shí)不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)數(shù)值發(fā)生了過零，再延后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行30度電角度的時(shí)間，就可進(jìn)行換相。例如，當(dāng)A、B相繞組為導(dǎo)通相、C相為不導(dǎo)通相時(shí)，在PWM為高電平，將C相端電壓和電源電壓的一半進(jìn)行比較，通過程控放大比較器后輸出換相信號(hào)，當(dāng)此換相信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，由主控制器進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)，改變輸出給三相逆變橋的六路PWM信號(hào)，將導(dǎo)通的電樞繞組從A相和B相換成A相和C相。
根據(jù)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)速或者調(diào)速的要求，當(dāng)數(shù)字控制器輸出的PWM占空比很小時(shí)，就不能采用上述的方法來進(jìn)行換相。這是因?yàn)楦唠娖綍r(shí)間很短，三相逆變橋中功率管會(huì)很快的進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。由于功率管所存在的寄生電容會(huì)和電樞繞組的電感以及電阻發(fā)生作用，使不導(dǎo)通相的端電壓出現(xiàn)一段時(shí)間的RLC阻尼振蕩，因而控制系統(tǒng)就會(huì)把錯(cuò)誤的不導(dǎo)通相端電壓和電源電壓參考值進(jìn)行比較，從而輸出錯(cuò)誤的換相信號(hào)。
當(dāng)PWM占空比很小，相電流處于斷續(xù)狀態(tài)的時(shí)間會(huì)大大超過PWM處于高電平的時(shí)間。這樣就可避免由于功率管所存在的寄生電容和電樞繞組的電感以及電阻造成的振蕩而引起錯(cuò)誤的不導(dǎo)通相端電壓的檢測(cè)，在相電流處于斷續(xù)狀態(tài)的振蕩后的某一時(shí)刻把不導(dǎo)通相端電壓和電源電壓參考值進(jìn)行比較，從而保證換相控制的正確。相電流結(jié)束續(xù)流狀態(tài)而進(jìn)入斷續(xù)狀態(tài)時(shí)，有Vc＝Ec+Vn(7)
因此，在一個(gè)PWM周期中，相電流將大部分維持在斷續(xù)狀態(tài)。這就可以在PWM周期中相電流斷續(xù)狀態(tài)時(shí)，直接將不導(dǎo)通相的端電壓和電樞繞組中點(diǎn)的電壓通過電壓比較器進(jìn)行比較，輸出換相信號(hào)，當(dāng)此信號(hào)發(fā)生電平跳變時(shí)，即是反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)。
如果電樞繞組和三相逆變橋由于故障完全斷開，因?yàn)闆]有電源電壓供電，將無法應(yīng)用以上的方法進(jìn)行無位置傳感器的控制。但是，此時(shí)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)三相電樞繞組已經(jīng)具有一定大小的反電動(dòng)勢(shì)。而且，三相電樞繞組端電壓的檢測(cè)精密電阻是相同的。這樣，斷開的三相繞組和三相電樞繞組端電壓的檢測(cè)電路構(gòu)成了一個(gè)對(duì)稱的三相發(fā)電機(jī)，相鄰兩相電樞繞組的電壓和電流在相位上超前或滯后了120度。因此，電樞繞組各相是彼此獨(dú)立、相互無關(guān)的。只要計(jì)算出三相電樞繞組中的任意一相的電壓電流，其他兩相就能對(duì)稱得到。
此時(shí)，可先檢測(cè)斷開之前不導(dǎo)通相的端電壓，如果發(fā)現(xiàn)其數(shù)值過零，則馬上開始檢測(cè)相鄰滯后120度電樞繞組的端電壓的過零點(diǎn)。例如，如斷開前不導(dǎo)通相為C相，當(dāng)檢測(cè)到C相的端電壓值發(fā)生了過零，就開始檢測(cè)A相的端電壓。這樣循環(huán)下去直到三相逆變橋和電樞繞組恢復(fù)連接。再將當(dāng)前所檢測(cè)的A相電樞繞組作為不導(dǎo)通相，繼續(xù)采用三相逆變橋和電樞繞組正常連接時(shí)無位置傳感器的控制方法進(jìn)行控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)利用了小電樞電感永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)PWM高電平狀態(tài)和相電流斷續(xù)狀態(tài)，通過程控放大比較電路可以直接地檢測(cè)到不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，能從低速到高速范圍下進(jìn)行準(zhǔn)確的換相控制，從而保證了小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)較高的換相精度。(2)實(shí)現(xiàn)了故障處理后系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)的無位置傳感器的控制，從而大大提高了航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。


圖1為本發(fā)明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)圖；圖2為本發(fā)明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器圖；圖3為本發(fā)明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器軟件流程和模塊圖；圖4為本發(fā)明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的限幅多路切換器圖；圖5為本發(fā)明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的程控放大比較器圖；圖6為本發(fā)明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的電樞繞組相電流和端電壓波形圖；圖7為本發(fā)明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)三相電樞繞組與三相逆變橋由于故障斷開后電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)與負(fù)載電路圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示為小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，其中電流傳感器2檢測(cè)電源母線電流，將傳感器信號(hào)送入濾波電路進(jìn)行低通濾波和去除PWM斬波頻率干擾，經(jīng)過濾波后的信號(hào)送入數(shù)字控制器8進(jìn)行采樣，電流采樣值用于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)4速度控制，經(jīng)過數(shù)字控制器8內(nèi)部控制算法后輸出六路PWM信號(hào)給三相逆變橋3，對(duì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)4進(jìn)行換相和調(diào)速，限幅多路切換器5將不導(dǎo)通相電壓限幅后輸出。程控放大比較器6將根據(jù)當(dāng)前電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)其相應(yīng)放大后和電壓參考值進(jìn)行比較，當(dāng)其輸出的信號(hào)發(fā)生電平跳變時(shí)，即是反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，從而進(jìn)行相應(yīng)的換相控制。
如圖2所示，數(shù)字控制器8采用DSP芯片作為主控制器，硬件上由CPU、存儲(chǔ)器、數(shù)字I/O、PWM模塊和A/D模塊組成，A/D模塊對(duì)電樞繞組相電流進(jìn)行采樣；PWM模塊產(chǎn)生6路PWM信號(hào)用于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相和調(diào)速；數(shù)字I/O口有六路信號(hào)輸出，其中兩路用作限幅多路切換器的不導(dǎo)通相選擇、兩路用作程控放大比較器的放大倍數(shù)選擇、其余兩路用作換相信號(hào)輸出使能，數(shù)字I/O口還有兩路信號(hào)輸入，是程控放大比較器給數(shù)字控制器的換相信號(hào)。軟件上包括系統(tǒng)初始化模塊、起動(dòng)加速模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、換相控制模塊、速度控制模塊和電樞繞組連接檢測(cè)模塊。系統(tǒng)初始化模塊分配存儲(chǔ)器空間和各個(gè)程序變量。轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊根據(jù)換相信號(hào)計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值；速度控制模塊根據(jù)調(diào)速要求計(jì)算輸出PWM的占空比；換相控制模塊根據(jù)換相信號(hào)的電平跳變，進(jìn)行相應(yīng)的換相。而換相控制模塊又可分為低速PWM高電平換相、高速斷流狀態(tài)換相和故障處理換相三個(gè)子模塊；電樞繞組連接檢測(cè)模塊每隔一段時(shí)間被調(diào)用，以檢測(cè)是否發(fā)生電樞繞組和三相逆變橋斷路的故障。整個(gè)軟件流程和模塊圖如圖3所示。
如圖4所示，限幅多路切換器5包括檢測(cè)精密電阻、限幅電路、模擬多路開關(guān)，檢測(cè)精密電阻將三相電樞繞組的端電壓Va、Vb和Vc分別進(jìn)行分壓，將分壓后的端電壓信號(hào)輸出到限幅電路上，以保證它們的上限不超高Vref。之后輸出到模擬多路開關(guān)上，由數(shù)字控制器輸出的控制信號(hào)將不導(dǎo)通相的端電壓和電壓參考值選出送到程控放大比較器。當(dāng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)換相信號(hào)進(jìn)行換相操作后，數(shù)字控制器通過改變控制信號(hào)選出新的不導(dǎo)通相的端電壓繼續(xù)進(jìn)行無位置傳感器的控制。
如圖5所示，程控放大比較器6包括儀用放大器、可編程放大器、電壓比較器、上升沿D觸發(fā)器和總線驅(qū)動(dòng)器，儀用放大器將電壓參考值和不導(dǎo)通相端電壓進(jìn)行比較后輸出兩者差值，其值為不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)較小時(shí)，可通過可編程放大器將這個(gè)差值放大，送入電壓比較器和零電壓值進(jìn)行比較輸出換相信號(hào)。將比較信號(hào)通過上升沿D觸發(fā)器輸出到電氣隔離電路，而上升沿D觸發(fā)器上升沿使能信號(hào)由數(shù)字控制器提供。
如圖6所示，在一個(gè)PWM周期中，電樞繞組相電流存在連續(xù)、續(xù)流和斷續(xù)三個(gè)狀態(tài)。當(dāng)PWM占空比較大，那么在PWM為高電平時(shí)，將電源電壓的一半作為電壓參考值與不導(dǎo)通相的端電壓進(jìn)行比較，如果輸出的比較信號(hào)發(fā)生了跳變，就說明此時(shí)不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)值發(fā)生了過零，再延后轉(zhuǎn)子運(yùn)行30度電角度的時(shí)間后，就可進(jìn)行換相。當(dāng)PWM占空比較小、相電流在斷續(xù)狀態(tài)時(shí)，在端電壓RLC振蕩結(jié)束后，將電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)電壓作為電壓參考值與不導(dǎo)通相的端電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸出的換相信號(hào)發(fā)生電平跳變時(shí)，即是反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，延時(shí)后進(jìn)行換相。
如圖7所示，在永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，如果三相電樞繞組和三相逆變橋發(fā)生故障斷開，由于沒有電源供電，將無法應(yīng)用以上的方法進(jìn)行無位置傳感器的控制。但是，由于此時(shí)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)三相電樞繞組已經(jīng)具有一定大小的反電動(dòng)勢(shì)，而且是三相對(duì)稱的。這樣，斷開的三相電樞繞組繞組和端電壓的檢測(cè)電路構(gòu)成了一個(gè)三相發(fā)電機(jī)，圖中Ea、Eb和Ec為三相電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)，Z為三相電樞繞組由相電阻和相電感組成的阻抗，而Zg為檢測(cè)精密電阻所組成的阻抗。因此，此時(shí)三相電樞繞組阻抗均是對(duì)稱的。且各相彼此獨(dú)立、相互無關(guān)。只要計(jì)算出三相中的任意一相的電壓和電流，其他兩相也能對(duì)稱寫出。對(duì)于此時(shí)無位置傳感器的控制，可以采用以下方法。首先，在PWM為高電平的時(shí)候檢測(cè)電樞繞組中的相電流，如果發(fā)現(xiàn)相電流為零，則認(rèn)為電樞繞組和三相逆變橋發(fā)生故障而斷開。這時(shí)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障處理。在故障處理階段，首先檢測(cè)斷開之前不導(dǎo)通相的端電壓，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)值上發(fā)生過零，則換到相鄰滯后120度的電樞繞組，同樣檢測(cè)其端電壓的過零點(diǎn)。這樣循環(huán)下去，直到三相逆變橋和電樞繞組恢復(fù)連接。將當(dāng)前所檢測(cè)的電樞繞組作為不導(dǎo)通相，繼續(xù)采用三相逆變橋和電樞繞組正常連接時(shí)無位置傳感器的控制方法。
權(quán)利要求
1.一種小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，包括穩(wěn)恒直流電源(1)、電流傳感器(2)、三相逆變橋(3)、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(4)、電氣隔離電路(7)、數(shù)字控制器(8)和濾波電路(9)，穩(wěn)恒直流電源(1)給三相逆變橋(3)一個(gè)恒定的電壓，三相逆變橋(3)根據(jù)換相信號(hào)對(duì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(4)進(jìn)行換相和調(diào)速，電流傳感器(2)檢測(cè)電源母線電流，將傳感器信號(hào)送入數(shù)字控制器(8)，經(jīng)電氣隔離電路(7)隔離后的信號(hào)送入到數(shù)字控制器(8)，數(shù)字控制器(8)輸出六路PWM信號(hào)給三相逆變橋(3)，其特征在于還包括限幅多路切換器(5)、程控放大比較器(6)，限幅多路切換器(5)將永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(4)不導(dǎo)通相的端電壓選出，進(jìn)行幅值限制后輸出至程控放大比較器(6)，由程控放大比較器(6)將不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)放大后和電壓參考值比較，輸出電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的換相信號(hào)給電氣隔離電路(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，其特征在于所述的限幅多路切換器(5)包括檢測(cè)精密電阻、限幅電路、模擬多路開關(guān)，檢測(cè)精密電阻將三相電樞繞組和參考電壓值進(jìn)行分壓，限幅電路將電壓信號(hào)進(jìn)行限幅后輸出給模擬多路開關(guān)，模擬多路開關(guān)將不導(dǎo)通相的端電壓輸出給程控放大比較器(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，其特征在于所述的電壓參考值當(dāng)PWM占空比較大時(shí)為電源電壓的一半，限幅多路切換器(5)將不導(dǎo)通相的端電壓限幅后與電源電壓參考值通過程控放大比較器(6)進(jìn)行比較，輸出無位置傳感器控制系統(tǒng)所必需的換相信號(hào)；在電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制導(dǎo)致PWM占空比很小時(shí)，可在一個(gè)PWM周期中，繞組相電流處于斷續(xù)狀態(tài)時(shí)，電壓參考值為電機(jī)中點(diǎn)電壓，該電機(jī)中點(diǎn)參考值與不導(dǎo)通相的端電壓進(jìn)行比較，輸出換相信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，其特征在于所述的程控放大比較器(6)包括儀用放大器、可編程放大器、電壓比較器、上升沿D觸發(fā)器和總線驅(qū)動(dòng)器，儀用放大器得到不導(dǎo)通相端電壓和電壓參考值的差值，這個(gè)差值即為不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，根據(jù)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(4)的轉(zhuǎn)速，可編程放大器對(duì)反電動(dòng)勢(shì)電壓信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大，并將放大信號(hào)輸出給電壓比較器和參考電壓進(jìn)行比較，輸出比較信號(hào)給上升沿D觸發(fā)器，上升沿D觸發(fā)器根據(jù)數(shù)字控制器(8)輸出的上升沿使能信號(hào)，將比較信號(hào)輸出給總線驅(qū)動(dòng)器，輸出至電氣隔離電路(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字控制器(8)采用DSP、或FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，主要包括CPU、存儲(chǔ)器、數(shù)字I/O、PWM模塊和A/D模塊，其中A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)穩(wěn)恒直流電源(1)母線電流進(jìn)行采樣，PWM模塊產(chǎn)生6路PWM信號(hào)用作永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(4)的換相和調(diào)速，數(shù)字I/O口有六路信號(hào)輸出，其中兩路用作限幅多路切換器(5)的不導(dǎo)通相選擇、兩路用作程控放大比較器(6)的放大倍數(shù)選擇、其余兩路用作換相信號(hào)輸出使能，數(shù)字I/O口還有兩路信號(hào)輸入，是程控放大比較器(6)給數(shù)字控制器的換相信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，其特征在于所述的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(4)在運(yùn)行過程中，PWM為高電平時(shí)，通過電流傳感器(2)檢測(cè)電源母線電壓，如果發(fā)現(xiàn)了電樞繞組和三相逆變橋(3)完全斷開的故障，此時(shí)數(shù)字控制器(8)先檢測(cè)斷開之前不導(dǎo)通相的端電壓，如果發(fā)現(xiàn)其數(shù)值過零，則換到下一相，再繼續(xù)地檢測(cè)端電壓的過零點(diǎn)，這樣循環(huán)下去，直到三相逆變橋和電樞繞組恢復(fù)連接，然后將當(dāng)前所檢測(cè)的電樞繞組作為不導(dǎo)通相，繼續(xù)采用三相逆變橋(3)和電樞繞組正常連接時(shí)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。
全文摘要
小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，主要由限幅多路切換器、程控放大比較器、電氣隔離電路、電流傳感器、濾波電路、小電樞電感永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、三相逆變橋和數(shù)字控制器等部件組成。本發(fā)明根據(jù)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)小電樞電感的特點(diǎn)，當(dāng)PWM占空比較大時(shí)，將不導(dǎo)通相端電壓與電源電壓參考值比較，輸出換相信號(hào)；當(dāng)PWM占空比較小時(shí)，將不導(dǎo)通相端電壓與電樞繞組中點(diǎn)電壓比較，輸出換相信號(hào)；當(dāng)電樞繞組和逆變橋由于故障斷開時(shí)，數(shù)字控制器仍然能夠得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。本發(fā)明有效地解決了小電樞電感高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相控制問題，提高了驅(qū)動(dòng)部件的可靠性和精度。對(duì)要求高可靠、高精度的航天器有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H02P6/08GK1829070SQ20061001157
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者房建成, 劉平, 劉剛, 張慶榮, 孫津濟(jì), 王志強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)