航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法
2023-04-23 21:06:56 1
航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法，通過對霍爾位置傳感器檢測無刷直流電動機的轉子位置信號進行數字轉換，然後進行脈衝調製得到6路控制信號，功率逆變電路接按照控制信號的控制邏輯，使上橋臂3個功率MOSFET和下橋臂3個功率MOSFET依次通斷，使加在逆變橋上下橋臂間的270V直流電逆變為三相交流電輸出至電動機三相繞組，實現電動機三相六狀態工作模式下的無刷化運行。同時在電動機運行過程中以霍爾電流傳感器的輸出電壓信號控制電動機的轉速，從而使總的消耗電流降低，達到電流控制的目的。本發明方案解決航空燃油系統採用傳統無刷直流電動機控制技術所帶來的維護性差、可靠性低、效率低、難以進行功能擴展等問題。
【專利說明】航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於高壓無刷直流電動機控制方法，涉及一種航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法。
【背景技術】
[0002]目前的無刷直流電動機控制技術主要有模擬控制電路、模擬數字混合控制電路、專用集成控制電路、微處理器控制電路、數位訊號處理器控制電路等。
[0003]傳統的無刷直流電機控制器一般由模擬器件以硬接線的方式構成。模擬控制系統價格便宜，使用方便，在很長的一段時間裡，它們是構成各類電機控制系統的主要手段。然而模擬元件的物理特性決定了它們具有一些本質上的缺陷，例如元器件的老化和溫漂問題等，由於採用了硬接線，系統升級困難。
[0004]由於模擬控制系統的本質缺陷，使它很難滿足現代電子系統的設計要求，因此，數字控制系統應運而生。最初的數字控制系統都是以單片機為主控晶片，受單片機本身結構的限制，以其為核心所組成的單片機控制系統仍然需要較多的外圍器件，系統中元器件的增加使得系統的可靠性、可維護性降低。在單片機控制系統發展的同時，一些廠家開發出了電動機控制專用晶片，電機專用晶片具有用戶可編程的特點，它以硬體方式對電機的各類傳感器信號進行檢測，根據外部輸入命令輸出相應的控制信號。這類晶片價格便宜，執行速度快，但是所能實現的控制功能簡單，難以滿足高性能控制場合的需要。
[0005]隨著電路大規模集成技術的發展，複雜可編程邏輯電路(CPLD)應運而生。它是從傳統PAL和GAL器件發展出來的器件,相對規模而言,結構複雜，屬於大規模集成電路的範圍，是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。在無刷直流電動機控制中應用較多，由於其內部集成了數千邏輯電路，大大簡化了傳統模擬控制電路，且使邏輯控制更加簡單，可靠性更高。但以CPLD為控制核心的無刷電動機系統功能簡單，僅應用於直接驅動電動機按規定的要求運行。如果系統需要與外部設備進行通訊，或者需要擴展其它功能，則由於CPLD資源有限，無法滿足現代智能化無刷直流電動機的需求。
[0006]從目前的發展趨勢來看，以數位訊號處理器(DSP)為核心的控制電路將代表無刷直流電機電子換向控制器的發展方向。針對電機控制所設計的DSP晶片運算速度遠遠高於單片機，而且片內集成了模擬/數字轉換器、數字FO以及專門用於電機控制的PWM脈衝發生器等，使得它們從硬體機制上可以較好地滿足電機控制系統的要求。
[0007]目前以DSP為控制核心的無刷直流電動機控制器主要有兩種方式，一種是僅用DSP進行控制，所有邏輯運算、電子換向、系統通訊等等。這種控制方式使得DSP的軟體量過於複雜、程序代碼龐大，導致代碼測試困難，維護性大大降低，且通過軟體進行的各項系統保護響應時間慢，降低了系統的可靠性。
[0008]另外一種是以DSP作為控制核心，以CPLD作為邏輯綜合以及各項系統保護。這種控制方式發揮了 DSP以及CPLD各自的優勢，系統的邏輯運算、電子換向等邏輯功能均有CPLD完成，減輕了 DSP的負擔，使軟體代碼簡單，便於測試及維護。但這種控制方式仍然帶來系統可靠性低的缺點。由於DSP內部有CPU、程序存儲器、數據存儲器、中斷、I/O 口等配置，需要CPU來協同工作，其軟體存儲於程序存儲器中，程序運行時有「跑飛」的風險，會造成電動機短時失控和重新起動，導致控制器逆變器部分器件失效，降低了系統運行的可靠性。
【發明內容】
[0009]要解決的技術問題
[0010]為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法。
[0011]技術方案
[0012]一種航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法，其特徵在於步驟如下:
[0013]步驟1:通過霍爾位置傳感器檢測無刷直流電動機的轉子位置信號，並將採集到的模擬信號調理使得三相位置信號每項相隔120度角；再轉換為O或I的數位訊號，使得三相位置信號每項相隔120度角，輸出3路幅值為5V的方波數位訊號；
[0014]步驟2:將3路方波數位訊號與兩路頻率為5.2kHz、幅值為5V、佔空比為49.5%的方波信號進行調製，當接收的控制信號為I和O時，則每路方波信號的佔空比降為48%，當接收的控制信號為O和I時，則每路方波信號的佔空比降為45% ;輸出六路幅值為5V、頻率為
10.4kHz且每路信號相差60度角的控制信號；
[0015]步驟3:對6路調控制信號延遲20us ；
[0016]步驟4:將延遲後的6路調製信號放大20倍後輸出至功率逆變電路；
[0017]步驟5:功率逆變電路接收到6路控制信號，按照控制信號的控制邏輯，使上橋臂3個功率MOSFET和下橋臂3個功率MOSFET依次通斷，使加在逆變橋上下橋臂間的270V直流電逆變為三相交流電輸出至電動機三相繞組，實現電動機三相六狀態工作模式下的無刷化運行；所述上橋臂3個MOSFET編號依次為1、3、5，下橋臂3個MOSFET編號依次為4、6、2 ；導通順序為上1、下6 ;上1、下2 ;上3、下2 ;上3、下4 ;上5、下4 ;上5、下6 ；
[0018]在電動機運行中的電流閉環控制為:
[0019]當檢測到的霍爾電流傳感器輸出的電壓信號大於2.7V時，降低兩路脈寬調製信號的佔空比，使得輸出至電動機繞組上的電壓降低，進而使電動機轉速降低，從而使總的消耗電流降低，達到電流控制的目的。
[0020]有益效果
[0021]本發明提出的一種航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法，通過對霍爾位置傳感器檢測無刷直流電動機的轉子位置信號進行數字轉換，然後進行脈衝調製得到6路控制信號，功率逆變電路接按照控制信號的控制邏輯，使上橋臂3個功率MOSFET和下橋臂3個功率MOSFET依次通斷，使加在逆變橋上下橋臂間的270V直流電逆變為三相交流電輸出至電動機三相繞組，實現電動機三相六狀態工作模式下的無刷化運行。同時在電動機運行過程中以霍爾電流傳感器的輸出電壓信號控制電動機的轉速，從而使總的消耗電流降低，達到電流控制的目的。
[0022]本發明方案解決航空燃油系統採用傳統無刷直流電動機控制技術所帶來的維護性差、可靠性低、效率低、難以進行功能擴展等問題，同時為滿足高壓供電體制下燃油泵用 無刷直流電動機的需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1:本發明的流程圖
[0024]圖2:本發明實施例的電流閉環電路示意圖。
【具體實施方式】
[0025]現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述:
[0026]本發明實施例採用以複雜可編程邏輯電路(CPLD)作為電動機的控制核心，進行系統各信號的邏輯綜合、電動機電子換向信號的時序控制、及系統故障的快速保護等功能；以數位訊號處理器(DSP)作為系統分級調速、狀態檢測、BIT自檢、系統通訊的核心，對系統的各項工作狀態進行實時監測，同時進行系統啟動BIT、周期BIT，並將系統狀態及BIT結果與外部設備通過RS-485接口電路進行實時通訊，同時完成系統擴展的分級調速功能，在必要時對電動機進行分級調速。因此，本控制方法的優點在於以CPLD硬體電路完成系統邏輯方面的大部分功能，減輕了 DSP的負擔，使DSP的程序代碼簡化，易於測試及維護，而系統控制不受DSP的影響，即使DSP程序在運行時「跑飛」，僅僅短時影響系統通訊，而不會造成電動機失控和重新啟動，電動機仍然會以額定轉速工作，提高了系統的可靠性，另外便於系統後期的功能擴展。
[0027]本發明控制方法的具體實施步驟如下:
[0028]步驟一:位置檢測
[0029]位置檢測電路通過霍爾位置傳感器敏感無刷直流電動機的轉子位置，將檢測到的電動機三相轉子位置信號進行調理及數位化處理。位置檢測電路所檢測到的位置信號為不規則的方波信號，且按照系統的設定，三相位置信號應該每項相隔120度角，但由於霍爾位置傳感器安裝偏差以及採集電路的偏差等因素會造成三相位置信號不是完全相同的120度角，因此需要對三相位置信號進行調理，使其輸出為幅值為5V的方波信號，且每項相隔120度角，並將採集到的模擬信號轉換為O或者I的數位訊號送入CPLD。
[0030]步驟二:脈寬調製
[0031]脈寬調製電路將設定的一路幅值為3V、頻率為10.4kHz的三角波信號通過專用脈寬調製晶片7W1525AMJ調製為兩路頻率為5.2kHz、幅值為5V、佔空比為49.5%的方波信號。
[0032]而當系統需要調速的時候，脈寬調製電路接收DSP的控制信號使輸出的兩路方波信號佔空比降低，即當接收的控制信號為I和O時，則每路方波信號的佔空比降為48%，當接收的控制信號為O和I時，則每路方波信號的佔空比降為45%。上述脈寬調製信號送入CPLD。
[0033]步驟三:邏輯綜合
[0034]CPLD接收到經過步驟一處理的電動機三相位置信號、步驟二所調製的兩路脈寬調製信號以及DSP輸出的電流信號，首先對上述信號進行延遲處理，延遲即對信號延遲20us輸入或者輸出。
[0035]為改善信號質量，還可以對信號進行濾波和互鎖:
[0036]濾波處理主要是因為系統在運行的過程中信號可能會由於外界的幹擾產生一些毛刺現象，可能使系統誤動作，或者某些參量自身的頻繁變化，例如，對於電流過流信號，如果該信號的頻率過高，就會導致CPLD對功率管頻繁的開通或切斷，勢必對控制系統造成危害，因此需要對信號進行濾波處理。
[0037]互鎖是為了防止電子換向電路在換向時使得同一橋臂上下管直通，對系統造成危害，此時需要對逆變橋同一橋臂的PWM信號做互鎖處理，即當上橋臂的控制信號為高電平時，強制使同一橋臂的下橋臂控制信號為低電平，保證同一個橋臂的兩個功率器件不會直通。
[0038]經過上述處理後的信號通過程序代碼將CPLD中的邏輯門進行綜合，即綜合電動機轉子位置信號、兩路脈寬調製信號、電流信號等，輸出六路幅值為5V、頻率為10.4kHz且每路信號相差60度角的控制信號。
[0039]步驟四:信號放大及隔離
[0040]CPLD輸出的六路邏輯控制信號驅動能力有限，僅有500uA左右的驅動能力，無法直接驅動後級光電耦合器，因此選用達林頓管陣列對這六路控制信號進行信號放大，將其驅動能力提高20倍。
[0041]由於CPLD輸出的六路控制信號為弱電信號,而其所驅動的電路為功率模塊強電電路，為確保CPLD弱電控制迴路不受功率強電迴路的幹擾，提高系統的可靠性，在CPLD控制電路與功率模塊之間設計了高速光電隔離電路，即經達林頓管陣列放大後的控制信號直接驅動高速光電耦合器，光電耦合器將模擬信號通過無接觸式的光電方式傳輸給後級電路的功率逆變。
[0042]步驟五:功率逆變
[0043]功率逆變電路接收到上述六路控制信號，按照控制信號的控制邏輯，依次使上1、下6 ;上1、下2 ;上3、下2 ;上3、下4 ;上5、下4 ;上5、下6的導通順序控制逆變橋上下橋臂共6個功率MOSFET (上橋臂3個MOSFET編號依次為1、3、5，下橋臂3個MOSFET編號依次為4、6、2)的通斷，使加在逆變橋上下橋臂間的270V直流電逆變為三相交流電輸出給電動機三相繞組，實現電動機三相六狀態工作模式下的無刷化運行。
[0044]在電動機運行中的電流閉環控制為:
[0045]電動機在起動時，突然加上給定電壓，由於慣性，電動機轉速為零，反電勢也為零，全部給定電壓加在功率逆變器的輸入端，逆變器的慣性小，因此功率逆變器電壓迅速達到最大值，該電壓直接加在電機繞組內阻上，這時電動機電流達額定電流的十幾倍，電動機相當於直接滿壓起動。所以必須抑制起動電流對電動機繞組和直流母線電容的衝擊。
[0046]另外，系統正常運行以後，在系統電源電壓降低或負載突然增大時，若無限流措施，電流會遠遠超過功率器件的允許值，不利於功率開關器件參數的極限利用，甚至會損壞功率器件。為此需要對系統電源或負載突變所引起的大電流進行合理的控制。基於上述兩方面原因，為此設計了電流閉環電路。
[0047]電流檢測電路將霍爾電流傳感器輸出的電壓信號(輸出IV電壓信號代表IOA電流)與系統設定的27A電流信號(即2.7V電壓信號)通過電壓比較器進行比較，當輸入電流大於27A，即當檢測到的電壓信號大於2.7V時，比較器輸出高電平信號，該信號通過DSP進行模數轉換及電平變換後輸出兩路數位訊號0、1或者1、0給脈寬調製電路，脈寬調製電路根據上述0、1或者1、0不同的指令降低輸出的兩路脈寬調製信號的佔空比，最終使輸出至電動機繞組上的電壓降低，進而使電動機轉速降低，從而使總的消耗電流降低，達到電流控制的目的。電流閉環電路如圖2所示。
[0048]本發明具體應用在某型號泵用高壓無刷直流電動機控制器中，與所控制的燃油泵用高壓無刷直流電動機配套進行了數據測試，測試結果均滿足使用要求，測試結果如下表所示。
[0049]
【權利要求】
1.一種航空泵用高壓無刷直流電動機控制方法，其特徵在於步驟如下: 步驟1:通過霍爾位置傳感器檢測無刷直流電動機的轉子位置信號，並將採集到的模擬信號調理使得三相位置信號每項相隔120度角；再轉換為O或I的數位訊號，使得三相位置信號每項相隔120度角，輸出3路幅值為5V的方波數位訊號； 步驟2:將3路方波數位訊號與兩路頻率為5.2kHz、幅值為5V、佔空比為49.5%的方波信號進行調製，當接收的控制信號為I和O時，則每路方波信號的佔空比降為48%，當接收的控制信號為O和I時，則每路方波信號的佔空比降為45% ;輸出六路幅值為5V、頻率為10.4kHz且每路信號相差60度角的控制信號； 步驟3:對6路調控制信號延遲20us ； 步驟4:將延遲後的6路調製信號放大20倍後輸出至功率逆變電路； 步驟5:功率逆變電路接收到6路控制信號，按照控制信號的控制邏輯，使上橋臂3個功率MOSFET和下橋臂3個功率MOSFET依次通斷，使加在逆變橋上下橋臂間的270V直流電逆變為三相交流電輸出至電動機三相繞組，實現電動機三相六狀態工作模式下的無刷化運行；所述上橋臂3個MOSFET編號依次為1、3、5，下橋臂3個MOSFET編號依次為4、6、2 ;導通順序為上1、下6 ;上1、下2 ;上3、下2 ;上3、下4 ;上5、下4 ;上5、下6 ； 在電動機運行中的電流閉環控制為: 當檢測到的霍爾電流傳感器輸出的電壓信號大於2.7V時，降低兩路脈寬調製信號的佔空比，使得輸出至電動機繞組上的電壓降低，進而使電動機轉速降低，從而使總的消耗電流降低，達到電流控制的目的。
【文檔編號】H02P6/08GK103633901SQ201310500645
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】王金強, 馬瑞卿, 劉雯靜, 陳保總, 田英明 申請人:陝西航空電氣有限責任公司, 西北工業大學