一种机载电力作动器永磁容错电机用驱动控制器及控制方法技术

一种机载电力作动器永磁容错电机用驱动控制器及控制方法，包括FPGA系统，DSP系统，信号检测电路，隔离驱动电路以及容错功率驱动电路；控制器通过霍尔电流传感器采集电机各相相绕组电流信号，然后利用非故障两相绕组的电流信号，通过高精度无传感器控制方法估计出电机转速及转子位置信号，提高了电机速度/位置检测的精度及可靠性；提高了永磁容错电机驱动控制器在电机系统发生故障时的故障隔离能力和控制性能，可靠性强，系统效率高，体积小，可有效满足机载电力作动器的性能要求。

【技术实现步骤摘要】
一种机载电力作动器永磁容错电机用驱动控制器及控制方法
本专利技术属于高可靠永磁同步电动机驱动控制
，具体涉及一种机载电力作动器永磁容错电机用高可靠的驱动控制器及控制方法。
技术介绍
随着电力电子技术，材料科学，微电子技术及现代控制理论的快速发展，多电/全电化飞机取得了重大的技术突破。它减少或完全取消了集中式液压油源和遍布机身的液压管路，大大简化了飞机次级能源系统结构，解决了传统机载液压系统效率低，成本高，维护困难，伺服阀易受油液污染，以及液压管路导致的泄露、振动等问题，增强了飞机的可靠性，降低了维修、维护成本，更提高了能源利用率。因此，多电/全电飞机已成为未来飞机的重要发展方向。机载电力作动器作为多电/全电飞机的关键设备之一，被广泛地应用于飞机的发动机控制系统，电动燃油泵系统，舵面控制系统，起落架及电动刹车系统等，其性能直接决定整个飞机的安全性及飞行品质。高可靠永磁容错电机系统以其高可靠性，高效率，高功率密度等优点成为机载电力作动器电机系统的首要选择。永磁容错电机控制系统所必需的电机转子位置和速度通常由位置/速度传感器测得。然而，位置/速度传感器的使用增加了控制系统的成本，增大了控制系统的体积重量，此外，其在一些特定情况下可靠性不高，这直接影响了整个系统的稳定性，进而降低了飞机的安全性能。现在，有许多无传感器控制方法用来取代传统机械式位置/速度传感器，但它们都包含了低通滤波器。低通滤波器的使用会造成所观测出来的转子位置信息存在随电机转速变化而变化的误差，这严重影响了永磁容错电机无传感器控制系统的控制性能，进而限制了其在机载电力作动系统中的应用。专利技术内容针对上述存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种机载电力作动器永磁容错电机用高可靠驱动控制器的控制方法，通过对驱动控制结构、关键部件尤其是控制方法的设计创新，使所设计的永磁容错电机驱动控制器具有良好的容错性能；通过一种基于角度自动补偿的高精度无传感器控制方法，提高电机位置/速度检测的准确性及可靠性。本专利技术提供了一种机载电力作动器永磁容错电机用驱动控制器，所述驱动控制器以每相绕组为控制单元，采用H桥逆变器驱动方式，DSP和FPGA核心处理器架构；所述驱动控制器包括FPGA系统，DSP系统，信号检测电路，隔离驱动电路以及容错功率驱动电路；所述的FPGA系统包括电流采样控制模块，电流环和PWM生成模块，数据传输模块，故障诊断模块；所述FPGA系统用于控制电流采样控制模块，实现和DSP之间的并行通讯，进行系统故障诊断以及输出PWM控制信号。所述DSP系统包括容错控制器，速度环控制器以及无传感器控制模块；所述DSP系统用于承担永磁容错电机控制系统容错控制器，速度环控制器，以及基于角度自动补偿的高精度无传感器算法的计算；所述的信号检测电路包括电流传感器，信号调理电路，以及A/D转换电路；电流传感器检测永磁容错电机每相绕组电流，并将其转化为相应电压信号输出，经过信号调理电路低通滤波处理，电平信号转换后，输入A/D转换电路，进行模拟信号向数字信号的转换，最终送入FPGA系统。所述的隔离驱动电路包括栅极隔离驱动芯片及其外围电路，其主要功能有两个方面；一是实现功率MOSFET栅极控制信号与数字控制器产生的PWM信号之间的隔离；二是对数字控制器产生的PWM信号进行功率放大，驱动控制功率MOSFET的导通和关断。所述的容错功率驱动电路采用半导体器件MOSFETIXTP90N075T2的H桥型功率驱动电路，所述每个H桥型功率驱动电路单独供电永磁容错电机的一相绕组。DSP系统利用FPGA送给DSP的电机系统非故障两相绕组的反馈信号，完成电机高精度无传感器控制算法的计算，实时估计中高段永磁容错电机系统在故障和非故障时的电机转子位置和速度；根据上位机的控制指令信号以及所估计的电机位置和速度，完成永磁容错电机系统速度环控制器的计算，得到电机电磁转矩的指令给定值；根据电机电磁转矩的指令给定值以及电机系统所处的故障状态，完成永磁容错电机系统的容错控制器计算，得到电机非故障绕组电流的指令给定值，并将其送入FPGA系统中。优选的，所述的DSP采用浮点型高速DSPTMS320F28335,主频150MHz，具有32位浮点处理单元。优选的，所述的FPGA采用EP2C35F484,主频高100MHz，具有35个乘法器，322个可配置I/O引脚。优选的，所述的容错驱动器MOSFET采用IXTP90N075T2，通态损耗小，体积重量小，功率密度高。一种采用上述机载电力作动器永磁容错电机用驱动控制器所采用的控制方法，该永磁同步电机系统中高速段的高精度无传感器控制算法如下：步骤1：建立永磁容错电机的鲁棒观测器模型；由永磁容错电机的数学模型，非故障相绕组的电压方程可写为：式中uA、uB分别表示施加在电机非故障相绕组A和B端部的电压，iA、iB分别表示相绕组A和B中的电流，eA＝Emsinθ和EB＝emsin(θ+Δθ)表示相绕组A和B的反电动势，Em表示电机的峰值反电动势，θ表示实际电机转子位置，Δθ表示B相绕组电角度和A相绕组电角度的差值，Ls、Rs分别表示电机的相绕组电感和电阻；由式(1)，永磁容错电机的鲁棒观测器模型可表示为：式中和表示非故障A和B相绕组的反电动势估计值，和表示非故障A和B相绕组的电流估计值；步骤2：由永磁容错电机的鲁棒观测器模型(2)，求解非故障A和B相绕组的电流的估计值和步骤3：通过霍尔电流传感器测得永磁容错电机非故障相绕组A和B的实际电流值，由非故障相绕组A和B的估计和实际电流值，求解永磁容错电机的鲁棒控制率，分别得到非故障相绕组A和B的反电动势估计值根据式(1)和(2)，永磁容错电机的鲁棒控制率可表示为：式中和表示非故障相绕组A和B中电流的估计误差，ρ0＞max(|eA|，|eB|)，εA、εB设计为大于零的正数，其值的选取根据实际工程需要而定；步骤4：根据电机转速的给定值设计级联低通滤波器的截止频率；级联低通滤波器的传递函数可表示为：其截止频率设计为：式中n为电机给定转速，p为电机极对数；步骤5：非故障相绕组A和B的反电动势估计值和经过级联低通滤波器滤波之后，输入非正交锁相环计算电机转速的估计值和转子位置的初始估计值将反电动势观测器所观测到的非故障两相绕组反电动势估计值和输入级联低通滤波器，滤波之后得到和由于相绕组A和B相互非正交，和中含有永磁容错电机转速及转子位置信息，电机转子位置的误差信号τ作为锁相环的鉴相器部分，构成非正交锁相环，其表达式如(5)所示；通过非正交锁相环得到永磁容错电机的转速估计值和转子位置的初始估计值步骤6：根据电机估计转速求得由级联低通滤波器引起的转子位置估计误差Δθ，对电机转子位置的初始估计值进行补偿得到电机转子位置得准确估计值通过频率特性法求得级联低通滤波器引起得转子位置估计误差Δθ如(7)所示，对电机转子位置的初始估计值进行补偿得到优选的，所述的无传感器控制算法所基于的两相绕组非正交。优选的，所述的无传感器控制算法所基于的两相反电动势非正交。优选的，所述电机处于相绕组开路故障和/或短路故障的故障模式。本专利技术的有益技术效果和创新之处在于：(1)本专利技术一种机载电力作动器永磁容错电机用高可靠驱动控制器。驱动控制器以每相绕组为控制单元，采用H本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机载电力作动器永磁容错电机用驱动控制器，其特征在于所述驱动控制器以每相绕组为控制单元，采用H桥逆变器驱动方式，DSP和FPGA作为核心处理器架构；所述驱动控制器包括FPGA系统，DSP系统，信号检测电路，隔离驱动电路，容错功率驱动电路；所述DSP系统包括速度环控制器，容错控制器以及无传感器控制模块；所述DSP系统用于承担永磁容错电机控制系统容错控制器，速度环控制器，以及基于角度自动补偿的高精度无传感器算法的计算；所述的FPGA系统包括电流采样控制模块，电流环和PWM生成模块，数据传输模块，故障诊断模块；所述FPGA系统用于控制电流采样模块，实现和DSP之间的并行通讯，进行系统故障诊断以及输出PWM控制信号；所述的隔离驱动电路包括栅极隔离驱动芯片及其外围电路，一是实现功率MOSFET栅极控制信号与数字控制器产生的PWM信号之间的隔离；二是对数字控制器产生的PWM信号进行功率放大，驱动控制功率MOSFET的导通和关断；所述的容错功率驱动电路采用半导体器件MOSFET IXTP90N075T2的H桥型功率驱动电路，所述每个H桥型功率驱动电路单独供电永磁容错电机的一相绕组；所述的信号检测电路包括电流传感器，信号调理电路，以及A/D转换电路；电流传感器检测永磁容错电机每相绕组电流，并将其转化为相应电压信号输出，经过信号调理电路低通滤波处理，电平信号转换后，输入A/D转换电路，进行模拟信号向数字信号的转换，最终送入FPGA系统；DSP系统利用FPGA送给DSP的电机系统非故障两相绕组的反馈信号，完成电机高精度无传感器控制算法的计算，实时估计中高速段永磁容错电机系统在故障和非故障时的电机转子位置和速度；根据上位机的控制指令信号以及所估计的电机位置和速度，完成永磁容错电机系统速度环控制器的计算，得到电机电磁转矩的指令给定值；根据电机电磁转矩的指令给定值以及电机系统所处的故障状态，完成永磁容错电机系统的容错控制器计算，得到电机非故障绕组电流的指令给定值，并将其送入FPGA系统中。...

【技术特征摘要】
1.一种机载电力作动器永磁容错电机用驱动控制器，其特征在于所述驱动控制器以每相绕组为控制单元，采用H桥逆变器驱动方式，DSP和FPGA作为核心处理器架构；所述驱动控制器包括FPGA系统，DSP系统，信号检测电路，隔离驱动电路，容错功率驱动电路；所述DSP系统包括速度环控制器，容错控制器以及无传感器控制模块；所述DSP系统用于承担永磁容错电机控制系统容错控制器，速度环控制器，以及基于角度自动补偿的高精度无传感器算法的计算；所述的FPGA系统包括电流采样控制模块，电流环和PWM生成模块，数据传输模块，故障诊断模块；所述FPGA系统用于控制电流采样模块，实现和DSP之间的并行通讯，进行系统故障诊断以及输出PWM控制信号；所述的隔离驱动电路包括栅极隔离驱动芯片及其外围电路，一是实现功率MOSFET栅极控制信号与数字控制器产生的PWM信号之间的隔离；二是对数字控制器产生的PWM信号进行功率放大，驱动控制功率MOSFET的导通和关断；所述的容错功率驱动电路采用半导体器件MOSFETIXTP90N075T2的H桥型功率驱动电路，所述每个H桥型功率驱动电路单独供电永磁容错电机的一相绕组；所述的信号检测电路包括电流传感器，信号调理电路，以及A/D转换电路；电流传感器检测永磁容错电机每相绕组电流，并将其转化为相应电压信号输出，经过信号调理电路低通滤波处理，电平信号转换后，输入A/D转换电路，进行模拟信号向数字信号的转换，最终送入FPGA系统；DSP系统利用FPGA送给DSP的电机系统非故障两相绕组的反馈信号，完成电机高精度无传感器控制算法的计算，实时估计中高速段永磁容错电机系统在故障和非故障时的电机转子位置和速度；根据上位机的控制指令信号以及所估计的电机位置和速度，完成永磁容错电机系统速度环控制器的计算，得到电机电磁转矩的指令给定值；根据电机电磁转矩的指令给定值以及电机系统所处的故障状态，完成永磁容错电机系统的容错控制器计算，得到电机非故障绕组电流的指令给定值，并将其送入FPGA系统中。2.根据权利要求1所述的驱动控制器，其特征在于：，所述的DSP采用浮点型高速DSPTMS320F28335，主频150MHz，具有32位浮点处理单元。3.根据权利要求1-2中任一项所述的驱动控制器，其特征在于：，所述的FPGA采用EP2C35F484，主频高100MHz，具有35个乘法器，322个可配置I/O引脚。4.根据权利要求1-3中任一项所述的驱动控制器，其特征在于：，所述的容错驱动器MOSFET采用IXTP90N075T2，通态损耗小，体积重量小，功率密度高。5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的机载电力作动器永磁容错电机用驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐金全，杜宇韬，方豪，郭宏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11