小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統的製作方法

2023-05-29 20:24:36 1

專利名稱：小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器的控制技術，可作為衛星、空間站等太空飛行器姿態控制執行機構驅動部件的一種高可靠、高精度的控制方法。
背景技術：
衛星、空間站等太空飛行器的姿態控制執行機構的驅動部件要求高可靠、高精度，以保證太空飛行器穩定、高效運行。目前姿態控制執行機構所用的驅動部件，一般採用有位置傳感器的永磁無刷直流電動機。而永磁無刷直流電動機的控制系統通過位置傳感器獲得轉子的位置信號後，依據位置信號進行換相和調速。但是，由於位置傳感器電源、信號接線較多，只要其中任意一根接線發生故障，都將導致整個無刷直流電動機控制系統停止工作。其次，作為太空飛行器的執行機構驅動部件的一部分，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影響位置傳感器的工作性能。當受到幹擾使得位置信號產生大的變化時，會導致永磁無刷直流電動機的換相的失誤。再次，位置傳感器安裝精度有限，這樣還會影響到永磁直流無刷電動機的調速性能。
綜上所述，採用有位置傳感器的控制，會降低太空飛行器運行可靠性和精度。故無位置傳感器的控制方法更適用於太空飛行器用永磁無刷直流電動機。由於太空飛行器用永磁無刷直流電動機要求具有小電樞電感的特點，以保證高速運轉的能力。這樣，在一個PWM周期中，電樞繞組相電流就必然存在斷續狀態；高速時電樞繞組中會產生峰峰值極大、頻率很高的反電動勢。採用現有的無位置傳感器的控制方法，如端電壓檢測法和轉子位置估計法等，將很難得到良好的控制效果，理由如下所述
首先，無刷直流電機要求在極高的轉速(幾萬轉/分)下運轉。現有的端電壓檢測法，是對三相繞組進行分壓阻容濾波，計算出不導通相反電動勢的過零點，再延後一定時間進行換相。但是，這樣得到的反電動勢過零點會因為永磁無刷直流電機高速運轉而產生過大的相移，導致當檢測到反電動勢過零點後，真正的換相點已經過去，從而造成換相失誤。另外，現有的轉子位置估計法，在高速時必須以極高的採樣頻率對永磁無刷直流電機中多個物理量進行測量，然後運行複雜的算法估計出轉子位置，這樣即使採用主頻較高的控制器也很難實時得到精確的位置信號。並且，由於位置估計算法及其複雜，所以對於高速情況而言難以實現。
其次，現有的永磁無刷直流電動機無位置傳感器的控制方法一般只適用於繞組相電流不存在斷續狀態的情況。而小電樞電感高速永磁無刷直流電動機由於具有小電樞電感的特點。因此，在一個PWM周期中，繞組相電流就必然存在兩相導通、續流和斷續這三種狀態。當相電流從續流狀態向斷流狀態突變時，由於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，端電壓會存在二階阻尼振蕩過程。在振蕩過程中，將檢測到的電樞繞組端電壓應用於無位置傳感器的換相中，會得到不正確的結果。因此，使用現有無位置傳感器的控制方法，應用於小電樞電感永磁無刷直流電動機上，都無法得到良好的控制效果。
最後，現有的無位置傳感器控制方法，均是先對轉子進行初始位置的估計或者把轉子固定在一個確定的初始位置上，然後進行起動加速，而之後電動機的換相過程均是基於這個初始位置的。由於端電壓的檢測信號是由加載在三相逆變橋上的直流穩壓電源提供的，一旦電樞繞組和三相逆變橋由於故障完全斷開後，將無法再檢測到端電壓信號，也就無法再獲得此階段的位置信息。當三相電樞繞組再重新接回三相逆變橋，由於此時刻的位置信息無法得到，也就無法知道當前哪一相電樞繞組處於不導通狀態，也就無法繼續採用無位置傳感器的方法繼續進行換相控制。這對於作為衛星、空間站姿態控制執行機構的高可靠性驅動部件，是不適合的。

發明內容
本發明解決的技術問題是克服現有的無位置傳感器控制技術應用於小電樞電感高速永磁無刷直流電動機時，無法在過高轉速下獲得精確的轉子位置信息，從而進行有效換相控制的缺點；以及克服了在電樞繞組和三相逆變橋發生故障斷開後，無法繼續檢測到換相信號的缺點，提供一種小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，該系統具有高可靠、高精度的優點。
本發明的技術解決方案是一種小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，包括穩恆直流電源、電流傳感器、三相逆變橋、永磁無刷直流電動機、電氣隔離電路、數字控制器和濾波電路，穩恆直流電源給三相逆變橋一個恆定的電壓，三相逆變橋根據換相信號對永磁無刷直流電動機進行換相和調速，電流傳感器檢測電源母線電流，將傳感器信號送入數字控制器，經電氣隔離電路隔離後的信號送入到數字控制器，數字控制器輸出六路PWM信號給三相逆變橋，其特點在於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機不導通相的端電壓選出，進行幅值限制後輸出至程控放大比較器，由程控放大比較器將不導通相的反電動勢信號放大後和電壓參考值比較，輸出電動機無位置傳感器控制系統的換相信號給電氣隔離電路。
當PWM佔空比較大，即大於10％時，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通相的端電壓限幅後與電源電壓參考值通過程控放大比較器進行比較，輸出無位置傳感器控制系統所必需的換相信號；在電動機進行速度控制導致PWM佔空比很小，即小於等於10％時，可在一個PWM周期中，繞組相電流處於斷續狀態時，電壓參考值電機中點電壓，該電機中點參考值與不導通相的端電壓進行比較，輸出換相信號。
在運行過程中，當PWM為高電平時，通過電流傳感器檢測電源母線電壓，如果發現了電樞繞組和三相逆變橋完全斷開的故障，那麼，此時可先檢測斷開之前不導通相的端電壓，如果發現其數值過零，則馬上換到下一相，在持續地檢測其端電壓的過零點。直到三相逆變橋和電樞繞組恢復連接。將當前所檢測的電樞繞組作為不導通相，繼續採用三相逆變橋和電樞繞組正常連接時無位置傳感器的控制系統進行控制。
本發明的原理是小電樞電感永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統中的三相逆變橋包括六個自關斷功率器件，採用上管恆通、下管PWM調製的方法，對永磁無刷直流電動機進行換相和調速。在一個PWM周期中，電樞繞組相電流存在連續、續流和斷續三種狀態，會在高速運轉時電樞繞組中會產生峰峰值極大、頻率很高的反電動勢。當檢測到不導通相電樞繞組的反電動勢數值上過零的時刻，再延後電動機轉子運行30度電角度的時間就是永磁無刷直流電動機的換相點。這裡設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電壓；Ea、Eb和Ec分別為三相電樞繞組的反電動勢；Ia、Ib和Ic為三相電流。這裡假設A、B相繞組為導通相、C相為不導通相、VD為電源電壓值。當PWM為高電平時有如下關係Vn=VD-IaR-LdIadt-Ea---(1)]]>Vn=IbR+LdIbdt-Eb---(2)]]>由於兩相導通時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)]]>因為永磁直流無刷電動機三相繞組是對稱的，所以有Ea+Eb+Ec＝0 (4)
故Vn=VD2+Ec2---(5)]]>這樣對於不導通相電樞繞組端電壓，其值為Vc=VD2+3Ec2---(6)]]>因此，當PWM為高電平時，將電源電壓的一半即VD/2作為電壓參考值與不導通相電樞繞組的端電壓經過電壓比較器進行比較，如果輸出的比較信號發生了跳變，就說明此時不導通相的反電動勢數值發生了過零，再延後電動機轉子運行30度電角度的時間，就可進行換相。例如，當A、B相繞組為導通相、C相為不導通相時，在PWM為高電平，將C相端電壓和電源電壓的一半進行比較，通過程控放大比較器後輸出換相信號，當此換相信號發生跳變時，由主控制器進行相應的延時，改變輸出給三相逆變橋的六路PWM信號，將導通的電樞繞組從A相和B相換成A相和C相。
根據電動機穩速或者調速的要求，當數字控制器輸出的PWM佔空比很小時，就不能採用上述的方法來進行換相。這是因為高電平時間很短，三相逆變橋中功率管會很快的進行開關動作。由於功率管所存在的寄生電容會和電樞繞組的電感以及電阻發生作用，使不導通相的端電壓出現一段時間的RLC阻尼振蕩，因而控制系統就會把錯誤的不導通相端電壓和電源電壓參考值進行比較，從而輸出錯誤的換相信號。
當PWM佔空比很小，相電流處於斷續狀態的時間會大大超過PWM處於高電平的時間。這樣就可避免由於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誤的不導通相端電壓的檢測，在相電流處於斷續狀態的振蕩後的某一時刻把不導通相端電壓和電源電壓參考值進行比較，從而保證換相控制的正確。相電流結束續流狀態而進入斷續狀態時，有Vc＝Ec+Vn(7)
因此，在一個PWM周期中，相電流將大部分維持在斷續狀態。這就可以在PWM周期中相電流斷續狀態時，直接將不導通相的端電壓和電樞繞組中點的電壓通過電壓比較器進行比較，輸出換相信號，當此信號發生電平跳變時，即是反電動勢的過零點。
如果電樞繞組和三相逆變橋由於故障完全斷開，因為沒有電源電壓供電，將無法應用以上的方法進行無位置傳感器的控制。但是，此時永磁無刷直流電動機三相電樞繞組已經具有一定大小的反電動勢。而且，三相電樞繞組端電壓的檢測精密電阻是相同的。這樣，斷開的三相繞組和三相電樞繞組端電壓的檢測電路構成了一個對稱的三相發電機，相鄰兩相電樞繞組的電壓和電流在相位上超前或滯後了120度。因此，電樞繞組各相是彼此獨立、相互無關的。只要計算出三相電樞繞組中的任意一相的電壓電流，其他兩相就能對稱得到。
此時，可先檢測斷開之前不導通相的端電壓，如果發現其數值過零，則馬上開始檢測相鄰滯後120度電樞繞組的端電壓的過零點。例如，如斷開前不導通相為C相，當檢測到C相的端電壓值發生了過零，就開始檢測A相的端電壓。這樣循環下去直到三相逆變橋和電樞繞組恢復連接。再將當前所檢測的A相電樞繞組作為不導通相，繼續採用三相逆變橋和電樞繞組正常連接時無位置傳感器的控制方法進行控制。
本發明與現有技術相比的優點在於(1)利用了小電樞電感永磁無刷直流電動機PWM高電平狀態和相電流斷續狀態，通過程控放大比較電路可以直接地檢測到不導通相反電動勢的過零點，能從低速到高速範圍下進行準確的換相控制，從而保證了小電樞電感高速永磁無刷直流電動機較高的換相精度。(2)實現了故障處理後系統恢復時的無位置傳感器的控制，從而大大提高了太空飛行器姿態控制執行機構運行的可靠性。


圖1為本發明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統圖；圖2為本發明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統的數字控制器圖；圖3為本發明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統的數字控制器軟體流程和模塊圖；圖4為本發明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統的限幅多路切換器圖；圖5為本發明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統的程控放大比較器圖；圖6為本發明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統的電樞繞組相電流和端電壓波形圖；圖7為本發明所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統三相電樞繞組與三相逆變橋由於故障斷開後電樞繞組反電動勢與負載電路圖。
具體實施例方式
如圖1所示為小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，其中電流傳感器2檢測電源母線電流，將傳感器信號送入濾波電路進行低通濾波和去除PWM斬波頻率幹擾，經過濾波後的信號送入數字控制器8進行採樣，電流採樣值用於永磁無刷直流電動機4速度控制，經過數字控制器8內部控制算法後輸出六路PWM信號給三相逆變橋3，對永磁無刷直流電動機4進行換相和調速，限幅多路切換器5將不導通相電壓限幅後輸出。程控放大比較器6將根據當前電動機轉速對其相應放大後和電壓參考值進行比較，當其輸出的信號發生電平跳變時，即是反電動勢的過零點，從而進行相應的換相控制。
如圖2所示，數字控制器8採用DSP晶片作為主控制器，硬體上由CPU、存儲器、數字I/O、PWM模塊和A/D模塊組成，A/D模塊對電樞繞組相電流進行採樣；PWM模塊產生6路PWM信號用於永磁無刷直流電動機的換相和調速；數字I/O口有六路信號輸出，其中兩路用作限幅多路切換器的不導通相選擇、兩路用作程控放大比較器的放大倍數選擇、其餘兩路用作換相信號輸出使能，數字I/O口還有兩路信號輸入，是程控放大比較器給數字控制器的換相信號。軟體上包括系統初始化模塊、起動加速模塊、轉速計算模塊、換相控制模塊、速度控制模塊和電樞繞組連接檢測模塊。系統初始化模塊分配存儲器空間和各個程序變量。轉速計算模塊根據換相信號計算出電動機的轉速值；速度控制模塊根據調速要求計算輸出PWM的佔空比；換相控制模塊根據換相信號的電平跳變，進行相應的換相。而換相控制模塊又可分為低速PWM高電平換相、高速斷流狀態換相和故障處理換相三個子模塊；電樞繞組連接檢測模塊每隔一段時間被調用，以檢測是否發生電樞繞組和三相逆變橋斷路的故障。整個軟體流程和模塊圖如圖3所示。
如圖4所示，限幅多路切換器5包括檢測精密電阻、限幅電路、模擬多路開關，檢測精密電阻將三相電樞繞組的端電壓Va、Vb和Vc分別進行分壓，將分壓後的端電壓信號輸出到限幅電路上，以保證它們的上限不超高Vref。之後輸出到模擬多路開關上，由數字控制器輸出的控制信號將不導通相的端電壓和電壓參考值選出送到程控放大比較器。當永磁無刷直流電動機根據換相信號進行換相操作後，數字控制器通過改變控制信號選出新的不導通相的端電壓繼續進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觸發器和總線驅動器，儀用放大器將電壓參考值和不導通相端電壓進行比較後輸出兩者差值，其值為不導通相的反電動勢，當反電動勢較小時，可通過可編程放大器將這個差值放大，送入電壓比較器和零電壓值進行比較輸出換相信號。將比較信號通過上升沿D觸發器輸出到電氣隔離電路，而上升沿D觸發器上升沿使能信號由數字控制器提供。
如圖6所示，在一個PWM周期中，電樞繞組相電流存在連續、續流和斷續三個狀態。當PWM佔空比較大，那麼在PWM為高電平時，將電源電壓的一半作為電壓參考值與不導通相的端電壓進行比較，如果輸出的比較信號發生了跳變，就說明此時不導通相的反電動勢值發生了過零，再延後轉子運行30度電角度的時間後，就可進行換相。當PWM佔空比較小、相電流在斷續狀態時，在端電壓RLC振蕩結束後，將電動機中點電壓作為電壓參考值與不導通相的端電壓進行比較。當輸出的換相信號發生電平跳變時，即是反電動勢的過零點，延時後進行換相。
如圖7所示，在永磁無刷直流電動機運行過程中，如果三相電樞繞組和三相逆變橋發生故障斷開，由於沒有電源供電，將無法應用以上的方法進行無位置傳感器的控制。但是，由於此時永磁無刷直流電動機三相電樞繞組已經具有一定大小的反電動勢，而且是三相對稱的。這樣，斷開的三相電樞繞組繞組和端電壓的檢測電路構成了一個三相發電機，圖中Ea、Eb和Ec為三相電樞繞組的反電動勢，Z為三相電樞繞組由相電阻和相電感組成的阻抗，而Zg為檢測精密電阻所組成的阻抗。因此，此時三相電樞繞組阻抗均是對稱的。且各相彼此獨立、相互無關。只要計算出三相中的任意一相的電壓和電流，其他兩相也能對稱寫出。對於此時無位置傳感器的控制，可以採用以下方法。首先，在PWM為高電平的時候檢測電樞繞組中的相電流，如果發現相電流為零，則認為電樞繞組和三相逆變橋發生故障而斷開。這時，對執行機構進行故障處理。在故障處理階段，首先檢測斷開之前不導通相的端電壓，如果發現數值上發生過零，則換到相鄰滯後120度的電樞繞組，同樣檢測其端電壓的過零點。這樣循環下去，直到三相逆變橋和電樞繞組恢復連接。將當前所檢測的電樞繞組作為不導通相，繼續採用三相逆變橋和電樞繞組正常連接時無位置傳感器的控制方法。
權利要求
1.一種小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，包括穩恆直流電源(1)、電流傳感器(2)、三相逆變橋(3)、永磁無刷直流電動機(4)、電氣隔離電路(7)、數字控制器(8)和濾波電路(9)，穩恆直流電源(1)給三相逆變橋(3)一個恆定的電壓，三相逆變橋(3)根據換相信號對永磁無刷直流電動機(4)進行換相和調速，電流傳感器(2)檢測電源母線電流，將傳感器信號送入數字控制器(8)，經電氣隔離電路(7)隔離後的信號送入到數字控制器(8)，數字控制器(8)輸出六路PWM信號給三相逆變橋(3)，其特徵在於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機(4)不導通相的端電壓選出，進行幅值限制後輸出至程控放大比較器(6)，由程控放大比較器(6)將不導通相的反電動勢信號放大後和電壓參考值比較，輸出電動機無位置傳感器控制系統的換相信號給電氣隔離電路(7)。
2.根據權利要求1所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，其特徵在於所述的限幅多路切換器(5)包括檢測精密電阻、限幅電路、模擬多路開關，檢測精密電阻將三相電樞繞組和參考電壓值進行分壓，限幅電路將電壓信號進行限幅後輸出給模擬多路開關，模擬多路開關將不導通相的端電壓輸出給程控放大比較器(6)。
3.根據權利要求1或2所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，其特徵在於所述的電壓參考值當PWM佔空比較大時為電源電壓的一半，限幅多路切換器(5)將不導通相的端電壓限幅後與電源電壓參考值通過程控放大比較器(6)進行比較，輸出無位置傳感器控制系統所必需的換相信號；在電動機進行速度控制導致PWM佔空比很小時，可在一個PWM周期中，繞組相電流處於斷續狀態時，電壓參考值為電機中點電壓，該電機中點參考值與不導通相的端電壓進行比較，輸出換相信號。
4.根據權利要求1所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，其特徵在於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觸發器和總線驅動器，儀用放大器得到不導通相端電壓和電壓參考值的差值，這個差值即為不導通相的反電動勢信號，根據永磁無刷直流電動機(4)的轉速，可編程放大器對反電動勢電壓信號進行相應的放大，並將放大信號輸出給電壓比較器和參考電壓進行比較，輸出比較信號給上升沿D觸發器，上升沿D觸發器根據數字控制器(8)輸出的上升沿使能信號，將比較信號輸出給總線驅動器，輸出至電氣隔離電路(7)。
5.根據權利要求1所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，其特徵在於所述的數字控制器(8)採用DSP、或FPGA晶片實現，主要包括CPU、存儲器、數字I/O、PWM模塊和A/D模塊，其中A/D轉換模塊對穩恆直流電源(1)母線電流進行採樣，PWM模塊產生6路PWM信號用作永磁無刷直流電動機(4)的換相和調速，數字I/O口有六路信號輸出，其中兩路用作限幅多路切換器(5)的不導通相選擇、兩路用作程控放大比較器(6)的放大倍數選擇、其餘兩路用作換相信號輸出使能，數字I/O口還有兩路信號輸入，是程控放大比較器(6)給數字控制器的換相信號。
6.根據權利要求1所述的小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，其特徵在於所述的永磁無刷直流電動機(4)在運行過程中，PWM為高電平時，通過電流傳感器(2)檢測電源母線電壓，如果發現了電樞繞組和三相逆變橋(3)完全斷開的故障，此時數字控制器(8)先檢測斷開之前不導通相的端電壓，如果發現其數值過零，則換到下一相，再繼續地檢測端電壓的過零點，這樣循環下去，直到三相逆變橋和電樞繞組恢復連接，然後將當前所檢測的電樞繞組作為不導通相，繼續採用三相逆變橋(3)和電樞繞組正常連接時權利要求1所述的控制系統進行控制。
全文摘要
小電樞電感高速永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制系統，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機、三相逆變橋和數字控制器等部件組成。本發明根據永磁無刷直流電動機小電樞電感的特點，當PWM佔空比較大時，將不導通相端電壓與電源電壓參考值比較，輸出換相信號；當PWM佔空比較小時，將不導通相端電壓與電樞繞組中點電壓比較，輸出換相信號；當電樞繞組和逆變橋由於故障斷開時，數字控制器仍然能夠得到電動機轉子的位置信息。本發明有效地解決了小電樞電感高速永磁無刷直流電動機的換相控制問題，提高了驅動部件的可靠性和精度。對要求高可靠、高精度的太空飛行器有重要的應用價值。
文檔編號H02P6/08GK1829070SQ20061001157
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月29日 優先權日2006年3月29日
發明者房建成, 劉平, 劉剛, 張慶榮, 孫津濟, 王志強 申請人:北京航空航天大學