一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制系统技术方案

一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制系统，主要由上电保护系统、多重斩波系统、逆变系统、12路IGBT驱动电路、电压检测电路、相电流检测、直流无刷电机、微处理器、显示输入接口电路、通讯模块和FPGA模块组成，能进行电机及驱动功率管故障自动检查和容错控制，采集相电流和电压采用新型滑模变结构观测精确计算换相位置，具有高功率密度，高可靠性的优点，可作为飞机电液作动器、静压作动器及卫星陀螺、飞轮等需要高可靠性高功率密度执行机构的无刷直流电机驱动系统。

A high reliability drive and position free control system of BLDCM

【技术实现步骤摘要】
一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制系统
本专利技术涉及航空、航天及军工等领域对无刷直流电机的功率密度、可靠性及精度和效率有较高要求的领域，所专利技术的一种高可靠性无刷直流电机驱动系统及其无位置控制具有可靠性高，功率密度大精度高的优点，可作为飞机电液静压作动器(EHA)、机电作动器(EMA)及航天用卫星陀螺、飞轮等需要高可靠性高功率密度的直流无刷电机的驱动系统。
技术介绍
无刷直流电机具有功率密度高，效率高的优点，在航空、航天、车辆及军工和民用等领域有广泛的用途，常规的无刷直流电机一般是三相且带有位置传感器，这不仅功率密度低，且可靠性降低，特别是航空航天有极高和极低温度的出现，且随着电机相数的增加安装精度对电机能否精确换向的影响越来越大，故特别需要采用高精度的无位置控制；为提高电机的可靠性，如采用冗余的结构即通常采用双绕组电机，这对电机的设计、制造及控制都带来很多问题，故该种电机的发展方向应该是当电机某相绕组出线问题时其余相绕组仍正常工作即具有容错的功能，且电机整体性能仍然能满足要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能容错的高可靠性、功率密度高、精度高的无刷直流电机驱动及无位置控制系统。本专利技术的技术解决方案为：一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制系统，主要由上电保护系统、多重斩波系统、逆变系统、12路IGBT驱动电路、电压检测电路、相电流检测、直流无刷电机、微处理器、显示输入接口电路、通讯模块和FPGA模块组成，其特征在于：给系统供电的直流电源高压端连接上电保护系统的限流电阻R1，R1连接电容C1，电容C2和C1串联，然后连接电源低压端，电阻R2和R3串联，首尾连接电源的高压端和低压端，中间点和电容C1和C2的中间点相连，经过上电保护系统的高压端接多重斩波系统的IGBT器件Q1的漏极，电感L1的一端和二极管D1的负极并接Q1的源极，IGBT器件Q2的漏极和Q1的漏极并接与上电保护系统输出的高压端，电感L2和二极管D2的负极并接与Q2的源极，电感L1和电感L2的另一端并接，为斩波后的高电压，二极管D1和D2的正端并接于低压端，Q1和Q2的栅极和12路IGBT驱动电路相连，斩波后的高压端和逆变系统的5相上桥臂IGBT的Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的漏极相连，Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的源极分别与5相下桥臂IGBT的Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的漏极相连，Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的源极并接于电源的低压端，Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12的栅极分别和12路IGBT驱动电路对应端相连，Q3和Q4，Q5和Q6，Q7和Q8，Q9和Q10，Q11和Q12的中间点分别接直流无刷电机的A相、B相、C相、D相、E相，电压检测电路分别连接电机的A相、B相、C相、D相、E相，把检测结果送到处理器，同时相电流检测也连接在电机的五相线上，检测的结果送到处理器，显示输入接口和处理器相连，通讯模块和处理器相连，FPGA模块和处理器相连，同时FPGA模块和12路IGBT驱动电路相连；所述的上电保护系统中限流电阻R1为热敏电阻，电容C1和C2为薄膜电容，两电容容量规格一致，两电容串联，电阻R2和R3阻值规格一致，两电阻串联，然后和两电容并联，并中间相连；所述的多重斩波系统为两个独立的斩波系统，且两个斩波系统所用IGBT功率管Q1和Q2互为热备份，若出现故障可以从系统中隔离，其中一个功率管损坏不影响整个系统工作，控制器检测相电流检测电路传送到的相电流，并进行故障判断，并把电流值传送到FPGA模块，FPGA模块根据检测到的电流，通过智能算法控制Q1和Q2的斩波频率，进而控制电机电流大小；所述的逆变桥为五全桥臂结构，所述的直流无刷电机为五相电机，逆变桥和直流无刷电机在最多两相故障的前提下能输出需要的额定转矩和额定转速，相电流检测采集电机的相电流，并把结果送到处理器，处理器判断电机各相电流是否正常，并把计算结果传送到FPGA模块，如果检测到电机或驱动某相出现故障，FPGA模块隔离此相，并相应地增加其余相的斩波频率；所述的直流无刷电机为无位置传感器结构，电压检测电路检测电机的各相电压，并把检测结果输送到FPGA模块(11)，FPGA模块(11)的软件，先把相电压变为线电压，相电流转换为线电流，然后根据电机的数学模型，构造改进的变结构滑模观测器，观测出的线反电动势为换向点，无需延时，直接换向，同时，根据换向点间隔，计算转速；所述的通讯模块(10)兼容CAN总线、1553B总线和ARINC429总线模块；逆变桥所用的IGBT功率管Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12在工作时只有开关操作，无调制操作，当电机或驱动桥臂某相出现故障时，桥臂上功率管被锁死，电机相或桥臂重新组合，这时开始进行减小转矩脉动的调制操作。上述方案的原理是：对于独立的运载体，如飞机、卫星及火炮、汽车等，其供电一般为直流电，但直流电突然上电时，由于其瞬态过程，这时的表现类似于交流电，若无限流装置，可能因为电容的电流过大而损坏电容，这时需要在回路中增加电阻，为降低损耗，需要在电压达到最大值时把电阻从系统中切除，这里的限流电阻R1选用负温度系数的热敏电阻，利用它在常温下其电阻为设计值，随着电流增加和时间的积累，电阻温升增高，达到一定值后其电阻变为零，相当于把电阻从系统中切除，完成上电保护的过程，所采用的多重斩波电路为两个并联的结构，为热备份冗余，当出现故障时可以从系统切除，而另外一个可以正常工作，单个斩波电路为降压电路，功率管IGBT为全控件，栅极接12路IGBT驱动电路，二极管当IGBT关闭时起续流作用，电压用来降低电流的峰值，起电流滤波作用，相电流检测得到的电流，经处理器传输到FPGA模块，FPGA模块经过电流闭环控制输出需要的占空比，通过12路IGBT驱动电路驱动Q1和Q2的开关，控制斩波后的输出电压，进而控制母线电流和相电流，完成系统的电流控制，由于斩波后的电压经过电感L1和L2，其尖峰得到抑制，所以相电流检测得到的电流无尖峰值，经过斩波降压后直接送入逆变器，逆变器为5相全桥结构，之所以采用5相而不是三相结构，是因为电机的相数越多，在相同的极对数下其功率密度越高，有利于减轻电机的重量，这对运载体来说可以减轻自身的重量，增加有效载荷，而且相数越多，在某相出现故障的情况下，可以从系统中切除，其余相正常工作，经研究发现，对于电机来说，其相数越多，切除一相或两相后对系统的影响越小，这就大大增加了电机系统的可靠性，当电机某相出现故障时，处理器根据相电流检测出的相电流和电压检测电路检测出的电压运用故障诊断方法判断出哪个相出现故障，根据故障点确定该相的IGBT驱动电路锁死，同时调整其他无故障相桥臂的IGBT输出，达到所需要的电机扭矩及转速要求。对于航空、航天用无刷直流电机，由于温度变化剧烈，故位置传感器是薄弱环节，采用无位置控制不仅能减小电机的体积，而且能大大增加电机的可靠性，对于无刷直流电机，利用采集到的定子相电流及电压作为输入量，以无刷直流电机数学模型为基础，搭建滑模状态观测系统，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制系统，主要由上电保护系统(1)、多重斩波系统(2)、逆变系统(3)、12路IGBT驱动电路(4)、电压检测电路(5)、相电流检测(6)、直流无刷电机(7)、微处理器(8)、显示输入接口电路(9)、通讯模块(10)和FPGA模块(11)组成，其特征在于：给系统供电的直流电源高压端连接上电保护系统(1)的限流电阻R1，R1连接电容C1，电容C2和C1串联，然后连接电源低压端，电阻R2和R3串联，首尾连接电源的高压端和低压端，中间点和电容C1和C2的中间点相连，经过上电保护系统(1)的高压端接多重斩波系统(2)的IGBT器件Q1的漏极，电感L1的一端和二极管D1的负极并接Q1的源极，IGBT器件Q2的漏极和Q1的漏极并接与上电保护系统(1)输出的高压端，电感L2和二极管D2的负极并接于Q2的源极，电感L1和电感L2的另一端并接，为斩波后的高电压，二极管D1和D2的正端并接于低压端，Q1和Q2的栅极和12路IGBT驱动电路(4)相连，斩波后的高压端和逆变系统(3)的5相上桥臂IGBT的Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的漏极相连，Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的源极分别与5相下桥臂IGBT的Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的漏极相连，Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的源极并接于电源的低压端，Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12的栅极分别和12路IGBT驱动电路(4)对应端相连，Q3和Q4，Q5和Q6，Q7和Q8，Q9和Q10，Q11和Q12的中间点分别接直流无刷电机(7)的A相、B相、C相、D相、E相，电压检测电路分别连接电机的A相、B相、C相、D相、E相，把检测结果送到处理器(8)，同时相电流检测(6)，也连接在电机的五相线上，检测的结果送到处理器(8)，显示输入接口(9)和处理器(8)相连，通讯模块(10)和处理器(8)相连，FPGA模块(11)和处理器(8)相连，同时FPGA模块(11)和12路IGBT驱动电路(4)相连。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制系统，主要由上电保护系统(1)、多重斩波系统(2)、逆变系统(3)、12路IGBT驱动电路(4)、电压检测电路(5)、相电流检测(6)、直流无刷电机(7)、微处理器(8)、显示输入接口电路(9)、通讯模块(10)和FPGA模块(11)组成，其特征在于：给系统供电的直流电源高压端连接上电保护系统(1)的限流电阻R1，R1连接电容C1，电容C2和C1串联，然后连接电源低压端，电阻R2和R3串联，首尾连接电源的高压端和低压端，中间点和电容C1和C2的中间点相连，经过上电保护系统(1)的高压端接多重斩波系统(2)的IGBT器件Q1的漏极，电感L1的一端和二极管D1的负极并接Q1的源极，IGBT器件Q2的漏极和Q1的漏极并接与上电保护系统(1)输出的高压端，电感L2和二极管D2的负极并接于Q2的源极，电感L1和电感L2的另一端并接，为斩波后的高电压，二极管D1和D2的正端并接于低压端，Q1和Q2的栅极和12路IGBT驱动电路(4)相连，斩波后的高压端和逆变系统(3)的5相上桥臂IGBT的Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的漏极相连，Q3、Q5、Q7、Q9、Q11的源极分别与5相下桥臂IGBT的Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的漏极相连，Q4、Q6、Q8、Q10、Q12的源极并接于电源的低压端，Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12的栅极分别和12路IGBT驱动电路(4)对应端相连，Q3和Q4，Q5和Q6，Q7和Q8，Q9和Q10，Q11和Q12的中间点分别接直流无刷电机(7)的A相、B相、C相、D相、E相，电压检测电路分别连接电机的A相、B相、C相、D相、E相，把检测结果送到处理器(8)，同时相电流检测(6)，也连接在电机的五相线上，检测的结果送到处理器(8)，显示输入接口(9)和处理器(8)相连，通讯模块(10)和处理器(8)相连，FPGA模块(11)和处理器(8)相连，同时FPGA模块(11)和12路IGBT驱动电路(4)相连。


2.根据权利要求1所述的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制系统，其特征在于：所述的上电保护系统(1)中限流电阻R1为负温度系数热敏电阻，其阻值随温度的升高而迅速减小，电容C1和C2为薄膜电容，两电容容量规格一致，两电容串联，电阻R2和R3阻值规格一致，两电阻串联，然后和两电容并联，并中间点相连。


3.根据权利要求1所述的一种高可靠性无刷直流电机驱动及无位置控制系...

【专利技术属性】
技术研发人员：白国长，赵江铭，吴贺松，赵华强，刘德平，任天平，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41