一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)，它主要由帶冗余管的Buck?DC-DC變換器、四橋臂相冗余逆變器、故障保護電路、小電樞電感永磁無刷直流電動機等部件組成。本發(fā)明針對小電樞電感永磁無刷直流電動機的特點，基于Buck?DC-DC變換器加三相全橋逆變器的電機驅(qū)動電路設計了冗余拓撲結(jié)構(gòu)，提高了磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子驅(qū)動電路的可靠性，實現(xiàn)了功率管開路、短路故障后的容錯控制，同時，故障前、后的驅(qū)動系統(tǒng)均具有低功耗的優(yōu)點，對注重低功耗及高可靠性的航天器具有很高的應用價值。
【專利說明】一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)，用于小電樞電感永磁無刷直流電動機的容錯控制，特別適用于衛(wèi)星、空間站等姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件的高可靠控制。

【背景技術(shù)】
[0002]空間應用對姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)的要求是高精度、大力矩、低功耗、高可靠性及長壽命。磁懸浮控制力矩陀螺由于其高速轉(zhuǎn)子采用磁懸浮支承，具有無摩擦磨損、不需要潤滑、長壽命、可通過主動振動控制實現(xiàn)高精度的優(yōu)勢，是航天器上重要的姿控執(zhí)行機構(gòu)。磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子采用無刷直流電機驅(qū)動，由于其應用場合的特殊性，低功耗與可靠性問題尤為重要。與傳統(tǒng)工業(yè)用無刷直流電機系統(tǒng)控制不同，空間用無刷直流電機系統(tǒng)的應用具有以下特點:運行環(huán)境特殊，不確定性因素多；散熱條件差；長期運行；可靠性要求高；故障后人工干預能力有限。因此，磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子驅(qū)動系統(tǒng)對無刷直流電機本體及其控制系統(tǒng)功耗及可靠性的要求遠高于工業(yè)領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)驅(qū)動電機通常采用的是小電樞電感永磁無刷直流電機，電機的驅(qū)動電路采用Buck DC-DC變換器加三相全橋方式，避免了傳統(tǒng)的PWM控制方式下小電樞電感電機高頻電流脈動引起的功耗增大問題，有效地降低了系統(tǒng)功耗。現(xiàn)有的容錯拓撲結(jié)構(gòu)一般針對三相全橋逆變器，采用快反應熔絲隔離短路故障，通過控制電磁繼電器實現(xiàn)主電路與冗余電路的切換，常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括四開關(guān)結(jié)構(gòu)，四橋臂結(jié)構(gòu)，四橋臂相冗余結(jié)構(gòu)等。其中四開關(guān)結(jié)構(gòu)與四橋臂結(jié)構(gòu)均存在故障后超額工作的問題，工作電流增大，容易導致系統(tǒng)過熱。四橋臂相冗余結(jié)構(gòu)重構(gòu)后系統(tǒng)具有與故障前相同的完全力矩輸出能力，且控制策略不變。然而，對于Buck DC-DC變換器加三相全橋的逆變器結(jié)構(gòu)，其故障表現(xiàn)不同于傳統(tǒng)三相全橋逆變器，具體表現(xiàn)為=Buck功率管開路故障后，系統(tǒng)無法工作；Buck功率管短路故障后，電機繞組過流，會導致繞組燒毀；三相橋功率管單管開路故障后，電機缺相運行，電流增大，效率降低，長時間運行可能會引發(fā)系統(tǒng)過熱，進而導致二次故障；三相橋功率管單管短路故障后，由于導通邏輯的切換會發(fā)生故障橋臂直通，母線瞬間過流，由于電流的閉環(huán)控制作用，Buck DC-DC變換器輸出電壓迅速下降為零，高速下由于反電勢的存在三相繞組內(nèi)部會產(chǎn)生環(huán)流，可能燒毀繞組，進而導致二次故障。因此，采用針對傳統(tǒng)三相全橋逆變器的冗余拓撲結(jié)構(gòu)無法對Buck DC-DC變換器功率管故障實現(xiàn)容錯控制。同時，由于故障表現(xiàn)不同，BuckDC-DC變換器加三相全橋逆變器在故障后會出現(xiàn)特有的過壓及繞組間內(nèi)部環(huán)流現(xiàn)象，若采用傳統(tǒng)的故障切換方式，可能導致二次故障的發(fā)生。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可靠性高、功耗低的用于磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)，包括穩(wěn)壓直流電源、帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器、故障保護電路、四橋臂相冗余逆變器、小電樞電感永磁無刷直流電動機，其特征在于:穩(wěn)壓直流電源經(jīng)過帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器，接入四橋臂相冗余逆變器驅(qū)動小電樞電感永磁無刷直流電動機，同時，在帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器與四橋臂相冗余逆變器之間加入故障保護電路，實現(xiàn)故障后的隔離保護；帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器由主Buck DC-DC變換器、冗余的MOSFET管與Buck功率管故障切換電路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)MOSFET管Q7故障后的拓撲重構(gòu)；四橋臂相冗余逆變器由主三相全橋逆變器、冗余橋臂與三相橋功率管故障切換電路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)主三相全橋逆變器單管故障后的拓撲重構(gòu)；同時，通過故障保護電路、Buck功率管故障切換電路與三相橋功率管故障切換電路對功率管故障引發(fā)的過壓及繞組內(nèi)部環(huán)流問題進行隔離保護，實現(xiàn)故障后的軟切換，避免直接切換引發(fā)的二次故障；小電樞電感永磁無刷直流電動機運行過程中，數(shù)字控制器根據(jù)當前系統(tǒng)拓撲狀態(tài)結(jié)合由霍爾傳感器得到的轉(zhuǎn)子位置信號控制四橋臂相冗余逆變器中的開關(guān)管導通邏輯，同時，接收到經(jīng)過濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的電流信號按照控制算法計算出控制Buck DC-DC變換器的PWM占空比，結(jié)合當前系統(tǒng)拓撲狀態(tài)控制帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器，從而實現(xiàn)電機電流控制；發(fā)生逆變器功率管故障后，數(shù)字控制器根據(jù)當前系統(tǒng)拓撲狀態(tài)進行逆變器功率管故障診斷，實現(xiàn)故障類型的檢測及定位，按照故障隔離及系統(tǒng)重構(gòu)邏輯采取相應的故障軟切換措施。
[0006]所述的帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器由主Buck DC-DC變換器、冗余的MOSFET管與Buck功率管故障切換電路組成。其中主Buck DC-DC變換器由N溝道型MOSFET管Q7，電感L0，電容CO及二極管DO組成，Q7管為Buck DC-DC變換器主功率管，調(diào)節(jié)其占空比可輸出平穩(wěn)、可控的電壓；冗余的MOSFET管為N溝道型MOSFET管Q10，與Q7管并聯(lián)實現(xiàn)備份功能，其初始狀態(tài)保持與系統(tǒng)斷開；Buck功率管故障切換電路由P溝道型MOSFET管S1、S2組成，其中SI管與主功率管Q7串聯(lián)，S2管與冗余功率管QlO串聯(lián)，其初始狀態(tài)為SI管閉合，S2管關(guān)斷；Q7管故障后，通過數(shù)字控制器實現(xiàn)故障隔離，隔離完成后通過數(shù)字控制器關(guān)斷SI管、閉合S2管可將備份的QlO管接入電路實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)；Buck DC-DC變換器輸出電壓經(jīng)過故障保護電路接入四橋臂相冗余逆變器驅(qū)動小電樞電感永磁無刷直流電動機，避免了傳統(tǒng)PWM控制方式下電機高頻電流脈動引起的功耗增大問題。
[0007]所述的四橋臂相冗余逆變器由主三相全橋逆變器、冗余橋臂與三相橋功率管故障切換電路組成。其中主三相全橋逆變器由N溝道型MOSFET管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6組成，其導通邏輯由當前系統(tǒng)拓撲狀態(tài)及霍爾傳感器信號決定；冗余橋臂由N溝道型MOSFET管Q8、Q9組成，其初始狀態(tài)保持與系統(tǒng)斷開；三相橋功率管故障切換電路由雙向可控晶閘管Sa、Sb、Sc、Sra、Srb, Src組成，其中Sa管、Sb管、Sc管分別串入主三相全橋逆變器的三相橋臂與電機三相繞組之間，Sra管、Srb管、Src管分別串入冗余橋臂與電機三相繞組之間，其初始狀態(tài)為Sa管、Sb管、Sc管閉合，Sra管、Srb管、Src管關(guān)斷。主三相全橋逆變器發(fā)生單管故障后，通過數(shù)字控制器實現(xiàn)故障隔離，隔離完成后通過數(shù)字控制器關(guān)斷與故障橋臂相連的雙向可控晶閘管將故障橋臂與其所在相繞組斷開，閉合與冗余橋臂相連的故障管所在相的雙向可控晶閘管，將冗余橋臂接入故障管所在相繞組實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。
[0008]所述的故障保護電路由N溝道型MOSFET管Q11，電阻Rl及二極管Dl組成。初始狀態(tài)下，Qll管保持關(guān)斷狀態(tài)；在主三相全橋逆變器單管開路故障或主Buck DC-DC變換器功率管短路故障后，Buck DC-DC變換器會發(fā)生過壓現(xiàn)象，此時數(shù)字控制器通過Buck功率管故障切換電路隔離電源電壓，同時通過由霍爾傳感器測量的電機轉(zhuǎn)速以及經(jīng)過濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的故障前電機工作電流信號計算出占空比導通Qll管可以對Buck DC-DC變換器輸出電壓進行放電，避免電機端電壓過壓引發(fā)的二次故障，二極管Dl的作用是防止電機反電勢引起的反向續(xù)流。Qll管占空比計算公式為:

【權(quán)利要求】
1.一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)，包括穩(wěn)壓直流電源(I)、帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器(2)、故障保護電路(3)、四橋臂相冗余逆變器(4)、小電樞電感永磁無刷直流電動機(5)，其特征在于:穩(wěn)壓直流電源(I)經(jīng)過帶冗余功率管的BuckDC-DC變換器(2)，接入四橋臂相冗余逆變器(4)驅(qū)動小電樞電感永磁無刷直流電動機(5)，同時，在帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器(2)與四橋臂相冗余逆變器(4)之間加入故障保護電路(3);帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器(2)由主Buck DC-DC變換器(11)、冗余的MOSFET管(10)與Buck功率管故障切換電路(9)組成；四橋臂相冗余逆變器⑷由主三相全橋逆變器(12)、冗余橋臂(13)與三相橋功率管故障切換電路(14)組成；故障保護電路(3)、Buck功率管故障切換電路(9)與三相橋功率管故障切換電路(14)能夠?qū)崿F(xiàn)故障后的軟切換，通過故障保護電路(3)對Buck DC-DC變換器(2)輸出電壓放電、Buck功率管故障切換電路(9)切斷電源電壓、三相橋功率管故障切換電路(14)切斷內(nèi)部環(huán)流回路進行故障隔離，避免直接切換引發(fā)的二次故障；小電樞電感永磁無刷直流電動機(5)運行過程中，數(shù)字控制器(8)根據(jù)當前系統(tǒng)拓撲狀態(tài)結(jié)合由霍爾傳感器(6)得到的轉(zhuǎn)子位置信號控制四橋臂相冗余逆變器(4)中的開關(guān)管導通邏輯，同時，接收到經(jīng)過濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路⑵的電流信號按照控制算法計算出控制Buck DC-DC變換器⑵的HVM占空比，結(jié)合當前系統(tǒng)拓撲狀態(tài)控制帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器(2)，從而實現(xiàn)電機電流控制；發(fā)生逆變器功率管故障后，數(shù)字控制器(8)根據(jù)當前系統(tǒng)拓撲狀態(tài)進行逆變器功率管故障診斷，實現(xiàn)故障類型的檢測及定位，按照故障隔離及系統(tǒng)重構(gòu)邏輯采取相應的故障軟切換措施。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器(2)中的主Buck DC-DC變換器(11)由N溝道型MOSFET管Q7，電感L0，電容CO及二極管DO組成，Q7管為Buck DC-DC變換器主功率管，調(diào)節(jié)其占空比可輸出平穩(wěn)、可控的電壓；冗余的MOSFET管(10)為N溝道型MOSFET管Q10，與Q7管并聯(lián)實現(xiàn)備份功能，其初始狀態(tài)保持與系統(tǒng)斷開；Buck功率管故障切換電路(9)由P溝道型MOSFET管S1、S2組成，其中SI管與主功率管Q7串聯(lián)，S2管與冗余功率管QlO串聯(lián)，其初始狀態(tài)為SI管閉合，S2管關(guān)斷；Q7管故障后，通過數(shù)字控制器(8)實現(xiàn)故障隔離，隔離完成后通過數(shù)字控制器(8)關(guān)斷SI管、閉合S2管可將備份的QlO管接入電路實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)；Buck DC-DC變換器(2)輸出電壓經(jīng)過故障保護電路(3)接入四橋臂相冗余逆變器⑷驅(qū)動小電樞電感永磁無刷直流電動機(5)，避免了傳統(tǒng)PWM控制方式下電機高頻電流脈動引起的功耗增大問題。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的四橋臂相冗余逆變器(4)中的主三相全橋逆變器(12)由N溝道型MOSFET管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6組成，其導通邏輯由當前系統(tǒng)拓撲狀態(tài)及霍爾傳感器(6)信號決定；冗余橋臂(13)由N溝道型MOSFET管Q8、Q9組成，其初始狀態(tài)保持與系統(tǒng)斷開；三相橋功率管故障切換電路(14)由雙向可控晶閘管Sa、Sb、Sc、Sra、Srb, Src組成，其中Sa管、Sb管、Sc管分別串入主三相全橋逆變器(12)的三相橋臂與電機三相繞組之間，Sra管、Srb管、Src管分別串入冗余橋臂(13)與電機三相繞組之間，其初始狀態(tài)為Sa管、Sb管、Sc管閉合，Sra管、Srb管、Src管關(guān)斷；主三相全橋逆變器(12)發(fā)生單管故障后，通過數(shù)字控制器(8)實現(xiàn)故障隔離，隔離完成后通過數(shù)字控制器(8)關(guān)斷與故障橋臂相連的雙向可控晶閘管將故障橋臂與其所在相繞組斷開，閉合與冗余橋臂相連的故障管所在相的雙向可控晶閘管，將冗余橋臂(13)接入故障管所在相繞組實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的故障保護電路(3)由N溝道型MOSFET管Q11，電阻Rl及二極管Dl組成；初始狀態(tài)下，Qll管保持關(guān)斷狀態(tài)；在主三相全橋逆變器(12)單管開路故障或主BuckDC-DC變換器(11)功率管短路故障后，Buck DC-DC變換器會發(fā)生過壓現(xiàn)象，此時數(shù)字控制器(8)通過Buck功率管故障切換電路(9)隔離電源電壓，同時通過由霍爾傳感器(6)測量的電機轉(zhuǎn)速以及經(jīng)過濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路(7)的故障前電機工作電流信號計算出占空比導通Qll管可以對Buck DC-DC變換器輸出電壓進行放電，避免電機端電壓過壓引發(fā)的二次故障，二極管Dl的作用是防止電機反電勢引起的反向續(xù)流；Q11管占空比計算公式為:
其中k為功率系數(shù)，滿足k = CiPnP1為電阻Rl的功率值，q為降額系數(shù)滿足0〈q〈l，R1為電阻Rl的阻值，u-為故障后Buck DC-DC變換器輸出最大電壓計算值，滿足
其中 uI = Uind「ΔUd1(1-(I1)，ke 為電機反電勢系數(shù)，ω 為電機轉(zhuǎn)速，I為故障前電機工作電流，Lf為電感LO的電感值，Ctl為電容CO的容值，Uin為直流穩(wěn)壓電源電壓，Cl1為控制Buck DC-DC變換器的PWM占空比，Audi。為續(xù)流二極管DO的導通壓降。
【文檔編號】H02M7/537GK104135216SQ201410419545
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】李海濤, 李文琢, 鄭世強, 朱敏, 金浩 申請人:北京航空航天大學