一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯(cuò)拓?fù)浣Y(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(hù)電路、小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等部件組成。本發(fā)明針對(duì)小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，基于Buck?DC-DC變換器加三相全橋逆變器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，實(shí)現(xiàn)了功率管開(kāi)路、短路故障后的容錯(cuò)控制，同時(shí)，故障前、后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)注重低功耗及高可靠性的航天器具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子逆變器容錯(cuò)拓?fù)浣Y(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(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)控制，特別適用于衛(wèi)星、空間站等姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件的高可靠控制。

【背景技術(shù)】
[0002]空間應(yīng)用對(duì)姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求是高精度、大力矩、低功耗、高可靠性及長(zhǎng)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(wú)摩擦磨損、不需要潤(rùn)滑、長(zhǎng)壽命、可通過(guò)主動(dòng)振動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)高精度的優(yōu)勢(shì)，是航天器上重要的姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)。磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子采用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于其應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，低功耗與可靠性問(wèn)題尤為重要。與傳統(tǒng)工業(yè)用無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)控制不同，空間用無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用具有以下特點(diǎn):運(yùn)行環(huán)境特殊，不確定性因素多；散熱條件差；長(zhǎng)期運(yùn)行；可靠性要求高；故障后人工干預(yù)能力有限。因此，磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)本體及其控制系統(tǒng)功耗及可靠性的要求遠(yuǎn)高于工業(yè)領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常采用的是小電樞電感永磁無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(jī)高頻電流脈動(dòng)引起的功耗增大問(wèn)題，有效地降低了系統(tǒng)功耗。現(xiàn)有的容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般針對(duì)三相全橋逆變器，采用快反應(yīng)熔絲隔離短路故障，通過(guò)控制電磁繼電器實(shí)現(xiàn)主電路與冗余電路的切換，常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括四開(kāi)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(kāi)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(wèn)題，工作電流增大，容易導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)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(duì)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(kāi)路故障后，系統(tǒng)無(wú)法工作；Buck功率管短路故障后，電機(jī)繞組過(guò)流，會(huì)導(dǎo)致繞組燒毀；三相橋功率管單管開(kāi)路故障后，電機(jī)缺相運(yùn)行，電流增大，效率降低，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能會(huì)引發(fā)系統(tǒng)過(guò)熱，進(jìn)而導(dǎo)致二次故障；三相橋功率管單管短路故障后，由于導(dǎo)通邏輯的切換會(huì)發(fā)生故障橋臂直通，母線(xiàn)瞬間過(guò)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(shì)的存在三相繞組內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，可能燒毀繞組，進(jìn)而導(dǎo)致二次故障。因此，采用針對(duì)傳統(tǒng)三相全橋逆變器的冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)法對(duì)Buck DC-DC變換器功率管故障實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。同時(shí)，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(huì)出現(xiàn)特有的過(guò)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(dǎo)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(wèn)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(dòng)系統(tǒng)的逆變器容錯(cuò)拓?fù)浣Y(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(cuò)拓?fù)浣Y(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(hù)電路、四橋臂相冗余逆變器、小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于:穩(wěn)壓直流電源經(jīng)過(guò)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(dòng)小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，同時(shí)，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(hù)電路，實(shí)現(xiàn)故障后的隔離保護(hù)；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?fù)渲貥?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?fù)渲貥?gòu)；同時(shí)，通過(guò)故障保護(hù)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(duì)功率管故障引發(fā)的過(guò)壓及繞組內(nèi)部環(huán)流問(wèn)題進(jìn)行隔離保護(hù)，實(shí)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)字控制器根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)結(jié)合由霍爾傳感器得到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制四橋臂相冗余逆變器中的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通邏輯，同時(shí)，接收到經(jīng)過(guò)濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的電流信號(hào)按照控制算法計(jì)算出控制Buck DC-DC變換器的PWM占空比，結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)控制帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(dāng)前系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)進(jìn)行逆變器功率管故障診斷，實(shí)現(xiàn)故障類(lèi)型的檢測(cè)及定位，按照故障隔離及系統(tǒng)重構(gòu)邏輯采取相應(yīng)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(shí)現(xiàn)備份功能，其初始狀態(tài)保持與系統(tǒng)斷開(kāi)；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(guò)數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)故障隔離，隔離完成后通過(guò)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)；Buck DC-DC變換器輸出電壓經(jīng)過(guò)故障保護(hù)電路接入四橋臂相冗余逆變器驅(qū)動(dòng)小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，避免了傳統(tǒng)PWM控制方式下電機(jī)高頻電流脈動(dòng)引起的功耗增大問(wèn)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(dǎo)通邏輯由當(dāng)前系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)及霍爾傳感器信號(hào)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(kāi)；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(jī)三相繞組之間，Sra管、Srb管、Src管分別串入冗余橋臂與電機(jī)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(guò)數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)故障隔離，隔離完成后通過(guò)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(kāi)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。
[0008]所述的故障保護(hù)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(kāi)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(huì)發(fā)生過(guò)壓現(xiàn)象，此時(shí)數(shù)字控制器通過(guò)Buck功率管故障切換電路隔離電源電壓，同時(shí)通過(guò)由霍爾傳感器測(cè)量的電機(jī)轉(zhuǎn)速以及經(jīng)過(guò)濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的故障前電機(jī)工作電流信號(hào)計(jì)算出占空比導(dǎo)通Qll管可以對(duì)Buck DC-DC變換器輸出電壓進(jìn)行放電，避免電機(jī)端電壓過(guò)壓引發(fā)的二次故障，二極管Dl的作用是防止電機(jī)反電勢(shì)引起的反向續(xù)流。Qll管占空比計(jì)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(cuò)拓?fù)浣Y(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(hù)電路(3)、四橋臂相冗余逆變器(4)、小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(5)，其特征在于:穩(wěn)壓直流電源(I)經(jīng)過(guò)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(dòng)小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(5)，同時(shí)，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(hù)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(hù)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(guò)故障保護(hù)電路(3)對(duì)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(jìn)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(5)運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)字控制器(8)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)結(jié)合由霍爾傳感器(6)得到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制四橋臂相冗余逆變器(4)中的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通邏輯，同時(shí)，接收到經(jīng)過(guò)濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路⑵的電流信號(hào)按照控制算法計(jì)算出控制Buck DC-DC變換器⑵的HVM占空比，結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)控制帶冗余功率管的Buck DC-DC變換器(2)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(dāng)前系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)進(jìn)行逆變器功率管故障診斷，實(shí)現(xiàn)故障類(lèi)型的檢測(cè)及定位，按照故障隔離及系統(tǒng)重構(gòu)邏輯采取相應(yīng)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(cuò)拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)備份功能，其初始狀態(tài)保持與系統(tǒng)斷開(kāi)；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(guò)數(shù)字控制器(8)實(shí)現(xiàn)故障隔離，隔離完成后通過(guò)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)；Buck DC-DC變換器(2)輸出電壓經(jīng)過(guò)故障保護(hù)電路(3)接入四橋臂相冗余逆變器⑷驅(qū)動(dòng)小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(5)，避免了傳統(tǒng)PWM控制方式下電機(jī)高頻電流脈動(dòng)引起的功耗增大問(wèn)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(cuò)拓?fù)浣Y(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(dǎo)通邏輯由當(dāng)前系統(tǒng)拓?fù)錉顟B(tài)及霍爾傳感器(6)信號(hào)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(kāi)；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(jī)三相繞組之間，Sra管、Srb管、Src管分別串入冗余橋臂(13)與電機(jī)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(guò)數(shù)字控制器(8)實(shí)現(xiàn)故障隔離，隔離完成后通過(guò)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(kāi)，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(shí)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(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的故障保護(hù)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(kāi)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(huì)發(fā)生過(guò)壓現(xiàn)象，此時(shí)數(shù)字控制器(8)通過(guò)Buck功率管故障切換電路(9)隔離電源電壓，同時(shí)通過(guò)由霍爾傳感器(6)測(cè)量的電機(jī)轉(zhuǎn)速以及經(jīng)過(guò)濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路(7)的故障前電機(jī)工作電流信號(hào)計(jì)算出占空比導(dǎo)通Qll管可以對(duì)Buck DC-DC變換器輸出電壓進(jìn)行放電，避免電機(jī)端電壓過(guò)壓引發(fā)的二次故障，二極管Dl的作用是防止電機(jī)反電勢(shì)引起的反向續(xù)流；Q11管占空比計(jì)算公式為:
其中k為功率系數(shù)，滿(mǎn)足k = CiPnP1為電阻Rl的功率值，q為降額系數(shù)滿(mǎn)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(jì)算值，滿(mǎn)足
其中 uI = Uind「ΔUd1(1-(I1)，ke 為電機(jī)反電勢(shì)系數(shù)，ω 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，I為故障前電機(jī)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(dǎo)通壓降。
【文檔編號(hào)】H02M7/537GK104135216SQ201410419545
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)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(qiáng), 朱敏, 金浩 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)