一種水下航行器用大功率雙轉(zhuǎn)無刷直流電機控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水下航行器和無刷直流電機控制領(lǐng)域，設(shè)及一種水下航行器用大功率 雙轉(zhuǎn)無刷直流電機控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 自主水下航行器作為一種自主水下運載工具，具有大潛深、智能化和多用途等優(yōu) 點，在海洋資源開發(fā)、海底地貌探測、海洋科學(xué)探索、海洋工程建設(shè)W及維護國家海洋權(quán)益 等諸多方面發(fā)揮著極其重要的作用。
[0003] 大功率無刷直流電機具有運行效率高、調(diào)速性能好、可靠性高等優(yōu)點，在航空、航 天、航海等眾多領(lǐng)域，均可使用大功率無刷直流電機作為推進執(zhí)行機構(gòu)。大功率雙轉(zhuǎn)無刷直 流電機是基于作用力和反作用力原理設(shè)計的，在電磁轉(zhuǎn)矩的推動下內(nèi)外兩個轉(zhuǎn)子同時向相 反方向旋轉(zhuǎn)。運種雙轉(zhuǎn)無刷直流電機主要應(yīng)用于水下雙軸對轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)中，可W有效防止 發(fā)生橫滾現(xiàn)象，顯著提高水下航行器的推進效率。
[0004] 大功率雙轉(zhuǎn)無刷直流電機由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子都在轉(zhuǎn)動、額定電流較大、額定轉(zhuǎn)速較高、 額定轉(zhuǎn)矩較大，系統(tǒng)運行更加復(fù)雜，增加了電機換相控制、轉(zhuǎn)矩抑制和電流檢測與過流保護 的難度，同時也對整個電機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制效果、響應(yīng)速度和使用壽命提出了更高的 要求。因此發(fā)明一種運行穩(wěn)定、及時保護、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)效果好、精度高、響應(yīng)快的大功率雙轉(zhuǎn)無 刷直流電機控制系統(tǒng)顯得極為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[00化]要解決的技術(shù)問題
[0006] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種水下航行器用大功率雙轉(zhuǎn)無刷直 流電機控制系統(tǒng)。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] 一種水下航行器用大功率雙轉(zhuǎn)無刷直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于包括電源轉(zhuǎn)換 電路、CAN通訊電路、RS485通訊電路、內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號采集電路、外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號 采集電路、內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號處理電路、外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號處理電路、主控制器、驅(qū)動 故障檢測電路、驅(qū)動逆變裝置、過流保護裝置、限流保護裝置和母線電壓檢測電路；電源轉(zhuǎn) 換電路將24V電源轉(zhuǎn)換后，分別將+15V送至過流保護裝置和限流保護裝置，+3. 3V和巧V 送至主控制器，±15V送至驅(qū)動故障檢測電路；內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號采集電路與雙轉(zhuǎn)無刷 直流電機內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾盤連接，其輸出連接內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號處理電路和主控制器，將內(nèi) 轉(zhuǎn)子霍爾盤發(fā)出的內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號輸入至主控制器；外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號采集電路與 雙轉(zhuǎn)無刷直流電機外轉(zhuǎn)子霍爾盤連接，其輸出連接外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號處理電路和主控制 器，將外轉(zhuǎn)子霍爾盤發(fā)出的外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號輸入至主控制器；CAN通訊電路和RS485通 訊電路連接在主控制器與上位機之間，實現(xiàn)主控制器發(fā)送電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子實時轉(zhuǎn)速、PWM占空 比和電機實時電流數(shù)據(jù)給上位機，同時接收由上位機發(fā)送的設(shè)定轉(zhuǎn)速、啟動和停機指令；主 控制器的輸出連接驅(qū)動逆變裝置，驅(qū)動逆變裝置連接雙轉(zhuǎn)無刷直流電機本體，主控制器輸 出的6路驅(qū)動信號通過驅(qū)動逆變裝置控制雙轉(zhuǎn)無刷直流電機本體；驅(qū)動故障檢測電路連接 在驅(qū)動逆變裝置與主控制器之間，監(jiān)測IGBT工作狀態(tài)；母線電壓檢測電路連接在雙轉(zhuǎn)無刷 直流電機本體母線與主控制器之間，監(jiān)測母線電壓；過流保護裝置和限流保護裝置連接在 雙轉(zhuǎn)無刷直流電機本體=相與主控制器之間，檢測電機相電流并判斷系統(tǒng)是否進行限流或 停機處理，完成電機運行中的實時保護。
[0009] 所述驅(qū)動逆變裝置包括1個濾波去禪電路和6組驅(qū)動單元；所述濾波去禪電路包 括電容CU電容C2和電容C3 ;連接關(guān)系為：電容CU電容C2和電容C3W并聯(lián)方式連接在 母線正負兩端，第一驅(qū)動單元1與第二驅(qū)動單元2串聯(lián)形式連接在母線正負兩端，第=驅(qū)動 單元3與第四驅(qū)動單元4串聯(lián)形式連接在母線正負兩端，第五驅(qū)動單元5與第六驅(qū)動單元 6串聯(lián)形式連接在母線正負兩端；六個驅(qū)動單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，包括一個IGBT、一個驅(qū)動電 路和一個RCD電路，驅(qū)動電路直接安裝在IGBT上，RCD電路W并聯(lián)形式連接在IGBT兩端； 所述RCD電路是電阻R與二極管D并聯(lián)后再與電容C串聯(lián)搭建；6路驅(qū)動信號直接連接在 驅(qū)動電路的信號輸入端，第一驅(qū)動單元1、第=驅(qū)動單元3、第五驅(qū)動單元5的的下端分別與 雙轉(zhuǎn)無刷直流電機的U、V、W=相連接，實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)中的驅(qū)動逆變功能。
[0010] 所述驅(qū)動故障檢測電路包括兩個驅(qū)動信號光電隔離和放大電路、光纖發(fā)送電路、 光纖接收電路和驅(qū)動電路；第一驅(qū)動信號光電隔離和放大電路的輸入端接收無刷直流電機 控制系統(tǒng)換相控制DSP輸出的6路IGBT驅(qū)動信號UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN和WN_ IN,其輸出端通過光纖發(fā)送電路連接驅(qū)動電路的IGBT驅(qū)動電路的輸入端，6路IGBT驅(qū)動信 號通過光纖發(fā)送電路將電信號轉(zhuǎn)換為光信號；IGBT驅(qū)動電路產(chǎn)生6路驅(qū)動反饋信號FK_UP_ IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN和FK_WN_IN，IGBT驅(qū)動電路的輸出端通過光 纖接收電路連接接收的第二驅(qū)動信號光電隔離和放大電路的輸入端，其輸出端連接無刷直 流電機控制系統(tǒng)的復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD，CPLD輸出驅(qū)動故障檢測信號到DSP中，當(dāng)驅(qū) 動故障檢測信號為高電平時，驅(qū)動電路工作正常，當(dāng)驅(qū)動故障檢測信號為高電平時，驅(qū)動電 路工作異常，無刷直流電機控制系統(tǒng)進行停機處理，實現(xiàn)對IGBT工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，進 而實現(xiàn)大功率無刷直流電機的驅(qū)動控制。
[0011] 所述過流保護裝置包括相電流差分線性隔離放大電路、相電流求取電路、停機電 壓產(chǎn)生電路和停機信號產(chǎn)生電路；所述相電流差分線性隔離放大電路包括霍爾電流傳感器 和差分隔離運放電路；所述相電流求取電路包括直流偏置電路和限幅濾波電路；所述停機 信號產(chǎn)生電路為比較器及其偏置電路；連接關(guān)系為：霍爾電流傳感器的輸入端為相電流信 號，其輸出端串行連接差分隔離運放電路、直流偏置電路和限幅濾波電路，限幅濾波電路的 輸出端串行連接比較器及其偏置電路，比較器及其偏置電路的另一個輸入端連接停機電壓 產(chǎn)生電路的輸出端；工作過程：電機繞組中的相電流信號經(jīng)過霍爾電流傳感器線性轉(zhuǎn)換為 的0-4V電壓信號，經(jīng)過差分隔離運放電路后輸出幅值± 5V的電壓信號，再輸入到直流偏置 電路，輸出產(chǎn)生0-4V的直流偏置電壓信號，再經(jīng)過限幅濾波電路，輸出為電機實時電流檢 測信號，與停機電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的停機電壓并行輸入到停機信號產(chǎn)生電路，停機電壓產(chǎn) 生電路的停機電壓信號與電機實時電流檢測信號進行比較產(chǎn)生停機信號，當(dāng)電機工作正常 時，停機信號為高電平；當(dāng)電機處于堵轉(zhuǎn)等異常情況下，停機信號為低電平，電機控制系統(tǒng) 進行停機控制。
[0012] 所述限流保護裝置包括高精度相電流半波整流電路、相電流求取電路、限流電壓 產(chǎn)生電路和限流信號產(chǎn)生電路；所述高精度相電流半波整流電路包括霍爾傳感器、第一求 和電路1、反相電路、半波整流電路；所述相電流求取電路包括第二求和電路2、限幅濾波電 路；所述限流信號產(chǎn)生電路為比較器及其偏置電路；連接關(guān)系為：霍爾電流傳感器A的輸入 端為A相電流，霍爾電流傳感器C的輸入端為C相電流，兩個霍爾電流傳感器的輸出端并 行輸入到第一求和電路1，第一求和電路1的輸出端連接在反相電路的輸入端，霍爾電流傳 感器A輸出端、霍爾電流傳感器C輸出端與反相電路的輸出端分別輸入到第一半波整流電 路1、第二半波整流電路2和第=半波整流電路3中，=個半波整流電路的輸出并行連接到 第二求和電路2的輸入端，求和電路輸出端與限幅濾波電路的輸入端相連，限幅濾波電路 的輸出端一共有立路，其中一路輸入到比較器及其偏置電路，另外兩路作為采樣電流，比較 器及其偏置電路的另一個輸入端連接限流電壓產(chǎn)生電路的輸出端；工作過程：電機A相和 C相電流信號經(jīng)過精密霍爾電流傳感器可W線性轉(zhuǎn)換為0-4V小電壓信號，通過加法電路1 和反相電路，輸出為電機中除去A相和C相兩相外的另外一相經(jīng)過霍爾電流傳感器轉(zhuǎn)換的 0-4V小電壓信號，經(jīng)過第一半波整流電路1、第二半波整流電路2和第=半波整流電路3，輸 出3路半波電壓信號，再并行輸入到第二求和電路2中，經(jīng)過限幅濾波電路，可得到波動較 小、近似于一條直線的實時反映電機電流的檢測信號，該信號與限流電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的 限流電壓并行輸入到限流信號產(chǎn)生電路，限流電壓產(chǎn)生電路的限流電壓信號與電機實時電 流檢測信號進行比較產(chǎn)生限流信號，當(dāng)電機電流處于正常范圍內(nèi)時，限流信號為高電平；當(dāng) 電機電流過大或工作異常時，限流信號為低電平，此時電機控制系統(tǒng)進行限流處理。
[0013] 有益效果
[0014] 本發(fā)明提出的一種水下航行器用大功率雙轉(zhuǎn)無刷直流電機控制系統(tǒng)，主控制器接 收經(jīng)過內(nèi)外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號采集及處理電路處理的位置信號，經(jīng)過內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度計 算后進行換相控制，輸出6路驅(qū)動信號，再對6路驅(qū)動信號進行H_PWM_L_0N方式的PWM調(diào) 審IJ，輸入到驅(qū)動電路中，驅(qū)動故障檢測電路用于監(jiān)測IGBT工作狀態(tài)，RCD吸收電路可W保護 IGBT，濾波