本发明公开了一种基于航空应用的无刷直流电机控制系统。通过电压电流检测判断开关管的状态，进而进行开关管的开通、关断以及切换操作。可以以无故障的桥臂代替故障桥臂，在桥臂上的开关管故障时仍可保持电机的可操作状态，从而提高了电机操作的可靠性。
1.一种基于航空应用的无刷直流电机控制系统，其特征在于，包括：
开关管T1-T6，其中，开关管T1连接在所述三相电机的A相和电源正极之间，开关管T4连接在所述三相电机的A相和电源负极之间，开关管T3连接在所述三相电机的B相和电源正极之间，开关管T6连接在所述三相电机的B相和电源负极之间，开关管T5连接在所述三相电机的C相和电源正极之间，开关管T2连接在所述三相电机的C相和电源负极之间；
开关K1-K6，其中，开关K1连接在开关T1与电源正极之间，开关K2连接在开关T3与电源正极之间，开关K3连接在开关T5与电源正极之间，开关K4连接在开关T4与电源负极之间，开关K5连接在开关T6与电源负极之间，开关K6连接在开关T2和电源负极之间，其中，电机的A相、开关管T1、开关管T4、开关K1、和开关K4构成A相桥臂，电机的B相、开关管T3、开关管T6、开关K2和开关K5构成B相桥臂，电机的C相、开关管T5、开关管T2、开关K3和开关K6构成C相桥臂；
MOSFET管T7-T12，MOSFET管T7连接在电机的A相上，MOSFET管T8连接在电机的B相上，MOSFET管T9连接在电机C相上，MOSFET管T10连接在电机的A相和B相之间，MOSFET管T11连接在电机的B相和C相之间，MOSFET管T12连接在电机的A向和C相之间。
2.根据权利要求1所述的基于航空应用的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述基于航空应用的无刷直流电机控制系统还包括：控制器，被配置为检测A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态，当开关管T1-T6正常工作时，开关K1-K6闭合，MOSFET管T7、T8和T9闭合，MOSFET管T10、T11和T12断开，电机正常工作。
3.根据权利要求2所述的基于航空应用的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：当A相桥臂上的开关管T1和T4中的一个或更多个发生故障时，执行对A相桥臂上的开关管T1和T4的替换操作，开关K1和K4断开，当电机在AB相工作时，MOSFET管T7、T8、T12闭合，T9断开，从而以C相桥臂的开关管T2和T5替换A相桥臂的开关管T1和T4，当电机在AC相工作时，MOSFET管T7、T10、T9闭合，T8断开，从而以B相桥臂的开关管T3和T6替换A相桥臂的开关管T1和T4，在BC相工作时，不涉及故障桥臂，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致。
4.根据权利要求2所述的基于航空应用的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：当B相桥臂上的开关管T3和T6中的一个或更多个发生故障时，执行对B相桥臂上的开关管T3和T6的替换操作，开关K2和K5断开，当电机在AB相工作时，MOSFET管T7、T8、T11闭合，T9断开，从而以C相桥臂上的开关管T2和T5替换B相桥臂上的开关管T3和T6，当电机在在BC相工作时，MOSFET管T8、T10、T9闭合，T7断开，从而以A相桥臂上的开关管T1和T4替换B相桥臂上的开关管T3和T6，当电机在AC相工作时，不涉及故障桥臂，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致。
5.根据权利要求2所述的基于航空应用的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：当C相桥臂上的开关管T2和T5中的一个或更多个发生故障时，执行对C相桥臂上的开关管T2和T5的替换操作，开关K3和K6断开，当电机在AC相工作时，MOSFET管T7、T9、T11闭合，T8断开，从而以B相桥臂上的开关管T3和T6替换C相桥臂上的开关管T5和T2，当电机在BC相工作时，MOSFET管T8、T9、T12闭合，T7断开，从而以A相桥臂上的开关管T1和T4替换C相桥臂上的开关管T2和T5，当电机在AB相工作时，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致。
6.根据权利要求1所述的基于航空应用的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述控制器检测A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态包括：采集电机的线电压并进行相电压换算，再进行相电压状态判断；
检测开关管T1-T6输出端电压并进行开关管T1-T6的状态检测，再进行开关管T1-T6状态的判断；
其中，所述控制器根据相电压状态判断的结果与桥臂的电流分析的结果判断电机运行的相位。
7.根据权利要求6所述的基于航空应用的无刷直流电机控制系统，其特征在于，如果A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态全部正常，则开关管T1-T6正常工作，开关K1-K6闭合，MOSFET管T7、T8和T9闭合，MOSFET管T10、T11和T12断开，电机正常工作；如果A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂中存在一相桥臂上的开关管发生故障，则所述控制器执行对该相桥臂上的开关管的替换操作；如果A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂中存在两相或更多相的桥臂上的开关管发生故障，则所述基于航空应用的无刷直流电机控制系统关闭电源进行故障自查。
一种基于航空应用的无刷直流电机控制系统
技术领域
[0001] 本发明属于一种电机控制器，具体涉及一种航空应用的高可靠无刷直流电机控制系统。
背景技术
[0002] 无刷电机的性能很大程度决定于控制驱动器的性能，现有技术中很少对无刷电机控制驱动器的可靠性进行研究。而针对航空特殊环境的应用中，其长时高可靠是控制驱动器的重点考核指标之一。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于航空应用的高可靠无刷直流电机控制系统，该控制系统能够实现故障检测，其功率拓扑结构与传统拓扑结构相比，加入了一定数目的MOSFET管和开关，并提出了对MOSFET管和开关的控制方法，在故障状态下进行开关管的切换，利用无故障的桥臂提高了控制驱动器的可靠性。本发明可直接应用于无刷直流电机控制器中；同时其涉及的桥臂状态检测技术也可直接应用于任意无刷直流电机控制器中，具有广泛的应用。
[0004] 根据本发明，提供一种基于航空应用的无刷直流电机控制系统，其特征在于，包括：
[0005] 电源，被配置为提供电机运行所需的电力；
[0006] 电容器C1，与所述电源并联连接；
[0007] 三相电机，包括A相、B相和C相；
[0008] 开关管T1-T6，其中，开关管T1连接在所述三相电机的A相和电源正极之间，开关管T4连接在所述三相电机的A相和电源负极之间，开关管T3连接在所述三相电机的B相和电源正极之间，开关管T6连接在所述三相电机的B相和电源负极之间，开关管T5连接在所述三相电机的C相和电源正极之间，开关管T2连接在所述三相电机的C相和电源负极之间；
[0009] 开关K1-K6，其中，开关K1连接在开关T1与电源正极之间，开关K2连接在开关T3与电源正极之间，开关K3连接在开关T5与电源正极之间，开关K4连接在开关T4与电源负极之间，开关K5连接在开关T6与电源负极之间，开关K6连接在开关T2和电源负极之间，其中，电机的A相、开关T1、开关T4、开关K1、和开关K4构成A相桥臂，电机的B相、开关T3、开关T6、开关K2和开关K5构成A相桥臂，电机的C相、开关T5、开关T2、开关K3和开关K6构成C相桥臂；
[0010] MOSFET管T7-T12，MOSFET管T7连接在电机的A相上，MOSFET管T8连接在电机的B相上，MOSFET管T9连接在电机C相上，MOSFET管T10连接在电机的A相和B相之间，MOSFET管T11连接在电机的B相和C相之间，MOSFET管T12连接在电机的A向和C相之间；
[0011] 控制器，被配置为：检测A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态，当开关管T1-T6正常工作时，开关K1-K6闭合，MOSFET管T7、T8和T9闭合，MOSFET管T10、T11和T12断开，电机正常工作；
[0012] 当A相桥臂上的开关管T1和T4中的一个或更多个发生故障时，执行对A相桥臂上的开关管T1和T4的替换操作，开关K1和K4断开，当电机在AB相工作时，MOSFET管T7、T8、T12闭合，T9断开，从而以C相桥臂的开关管T2和T5替换A相桥臂的开关管T1和T4，当电机在AC相工作时，MOSFET管T7、T10、T9闭合，T8断开，从而以B相桥臂的开关管T3和T6替换A相桥臂的开关管T1和T4，在BC相工作时，不涉及故障桥臂，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致；
[0013] 当B相桥臂上的开关管T3和T6中的一个或更多个发生故障时，执行对B相桥臂上的开关管T3和T6的替换操作，开关K2和K5断开，当电机在AB相工作时，MOSFET管T7、T8、T11闭合，T9断开，从而以C相桥臂上的开关管T2和T5替换B相桥臂上的开关管T3和T6，当电机在在BC相工作时，MOSFET管T8、T10、T9闭合，T7断开，从而以A相桥臂上的开关管T1和T4替换B相桥臂上的开关管T3和T6，当电机在AC相工作时，不涉及故障桥臂，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致；
[0014] 当C相桥臂上的开关管T2和T5中的一个或更多个发生故障时，执行对C相桥臂上的开关管T2和T5的替换操作，开关K3和K6断开，当电机在AC相工作时，MOSFET管T7、T9、T11闭合，T8断开，从而以B相桥臂上的开关管T3和T6替换C相桥臂上的开关管T5和T2，当电机在BC相工作时，MOSFET管T8、T9、T12闭合，T7断开，从而以A相桥臂上的开关管T1和T4替换C相桥臂上的开关管T2和T5，当电机在AB相工作时，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致。
[0015] 根据本发明的一个实施例，所述控制器检测A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态包括：
[0016] 采集电机的线电压并进行相电压换算，再进行相电压状态判断；
[0017] 采集电机的相电流并进行桥臂的电流分析；
[0018] 检测开关管T1-T6输出端电压并进行开关管T1-T6的状态检测，再进行开关管状态T1-T6的判断；
[0019] 其中，所述处理器根据相电压状态判断的结果与桥臂的电流分析的结果判断电机运行的相位。
[0020] 根据本发明的一个实施例，如果A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态全部正常，则开关管T1-T6正常工作，开关K1-K6闭合，MOSFET管T7、T8和T9闭合，MOSFET管T10、T11和T12断开，电机正常工作；如果A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂中存在一相桥臂上的开关管发生故障，则所述控制器执行对该相桥臂上的开关管的替换操作；如果A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂中存在两相或更多相的桥臂上的开关管发生故障，则所述基于航空应用的无刷直流电机控制系统关闭电源进行故障自查。
[0021] 本发明的有益技术效果在于：
[0022] 1.故障切换方便、控制方式灵活、可靠性高。
[0023] 2.对比以往的三相全桥拓扑结构，本发明通过增加一定数目的MOSFET和开关，充分利用未使用的桥臂进行控制，提高了原直流无刷控制器中桥臂的利用率。
[0024] 3.对比冗余的直流无刷控制器，本发明可以兼容的故障较多，仅为更换桥臂，而冗余的直流无刷控制器则是整个三相全桥均更换，相比而言，本发明可以有效地节省了开关管成本，也提高了系统的可靠性。
[0025] 4.通过监测电机的端电压和开关管输出端电压来判断每相桥臂的工作状态，方法简单可靠，不需要增加多余硬件电路。
附图说明
[0026] 图1是现有技术的三相电机系统的示意图。
[0027] 图2是根据本发明的实施例的电机控制系统的示意图。
[0028] 图3是根据本发明的实施例的电机控制逻辑图。
具体实施方式
[0029] 以下结合附图，对本发明的实施例做出进一步的详细描述：
[0030] 图1是有技术的三相电机的示意图。如图1所示，该三相电机系统包括电源，被配置为提供电机运行所需的电力；电容器C1，与所述电源并联连接；三相电机，包括A相、B相和C相；开关管T1-T6，其中，开关管T1连接在所述三相电机的A相和电源正极之间，开关管T4连接在所述三相电机的A相和电源负极之间，开关管T3连接在所述三相电机的B相和电源正极之间，开关管T6连接在所述三相电机的B相和电源负极之间，开关管T5连接在所述三相电机的C相和电源正极之间，开关管T2连接在所述三相电机的C相和电源负极之间。其中，电机的A相、开关管T1、开关管T4构成A相桥臂，电机的B相、开关管T3、开关管T6构成B相桥臂，电机的C相、开关管T5、开关管T2构成C相桥臂。当A相、B相或C相桥臂中的任一相桥臂上的开关管出现故障时，均会导致该相桥臂故障，使得电机无法运行。
[0031] 图2是根据本发明的实施例的电机控制系统的示意图。该电机控制系统包括电源，被配置为提供电机运行所需的电力；电容器C1，与所述电源并联连接；三相电机，包括A相、B相和C相；开关管T1-T6，其中，开关管T1连接在所述三相电机的A相和电源正极之间，开关管T4连接在所述三相电机的A相和电源负极之间，开关管T3连接在所述三相电机的B相和电源正极之间，开关管T6连接在所述三相电机的B相和电源负极之间，开关管T5连接在所述三相电机的C相和电源正极之间，开关管T2连接在所述三相电机的C相和电源负极之间；开关K1-K6，其中，开关K1连接在开关T1与电源正极之间，开关K2连接在开关T3与电源正极之间，开关K3连接在开关T5与电源正极之间，开关K4连接在开关T4与电源负极之间，开关K5连接在开关T6与电源负极之间，开关K6连接在开关T2和电源负极之间，其中，电机的A相、开关管T1、开关管T4、开关K1、和开关K4构成A相桥臂，电机的B相、开关管T3、开关管T6、开关K2和开关K5构成B相桥臂，电机的C相、开关管T5、开关管T2、开关K3和开关K6构成C相桥臂；MOSFET管T7-T12，MOSFET管T7连接在电机的A相上，MOSFET管T8连接在电机的B相上，MOSFET管T9连接在电机C相上，MOSFET管T10连接在电机的A相和B相之间，MOSFET管T11连接在电机的B相和C相之间，MOSFET管T12连接在电机的A向和C相之间。
[0032] 所述电机控制系统还包括控制器，被配置为：检测A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态，当开关管T1-T6正常工作时，开关K1-K6闭合，MOSFET管T7、T8和T9闭合，MOSFET管T10、T11和T12断开，电机正常工作。当A相桥臂上的开关管T1和T4中的一个或更多个发生故障时，执行对A相桥臂上的开关管T1和T4的替换操作，开关K1和K4断开，当电机在AB相工作时，MOSFET管T7、T8、T12闭合，T9断开，从而以C相桥臂的开关管T2和T5替换A相桥臂的开关管T1和T4，当电机在AC相工作时，MOSFET管T7、T10、T9闭合，T8断开，从而以B相桥臂的开关管T3和T6替换A相桥臂的开关管T1和T4，在BC相工作时，不涉及故障桥臂，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致。当B相桥臂上的开关管T3和T6中的一个或更多个发生故障时，执行对B相桥臂上的开关管T3和T6的替换操作，开关K2和K5断开，当电机在AB相工作时，MOSFET管T7、T8、T11闭合，T9断开，从而以C相桥臂上的开关管T2和T5替换B相桥臂上的开关管T3和T6，当电机在在BC相工作时，MOSFET管T8、T10、T9闭合，T7断开，从而以A相桥臂上的开关管T1和T4替换B相桥臂上的开关管T3和T6，当电机在AC相工作时，不涉及故障桥臂，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致。当C相桥臂上的开关管T2和T5中的一个或更多个发生故障时，执行对C相桥臂上的开关管T2和T5的替换操作，开关K3和K6断开，当电机在AC相工作时，MOSFET管T7、T9、T11闭合，T8断开，从而以B相桥臂上的开关管T3和T6替换C相桥臂上的开关管T5和T2，当电机在BC相工作时，MOSFET管T8、T9、T12闭合，T7断开，从而以A相桥臂上的开关管T1和T4替换C相桥臂上的开关管T2和T5，当电机在AB相工作时，开关和MOSFET管的工作状态与开关管T1-T6正常工作时一致。
[0033] 进一步的，所述控制器检测A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态包括：采集电机的线电压并进行相电压换算，再进行相电压状态判断；采集电机的相电流并进行桥臂的电流分析；检测开关管T1-T6输出端电压并进行开关管T1-T6的状态检测，再进行开关管状态T1-T6的判断。其中，所述处理器根据相电压状态判断的结果与桥臂的电流分析的结果判断电机运行的相位。
[0034] 如图3所示，控制器采集电机的线电压，并对线电压进行换算以获得相电压，之后对相电压进行状态判断。在本发明中，星型连接的电机的线电压的大小为相电压大小的倍，如果换算得到的相电压不正常(即，不等于线电压的 )，则表明有故障。
[0035] 同时，控制器采集相电流，并进行桥臂的电流分析，在本发明的实施例中，可将采集到的相电流和设定的安全阈值进行比较，如果相电流不在安全阈值范围内，则表明该相桥臂有故障，在示例中，相电流的安全阈值范围为(-100A，+100A)。处理器可根据相电压状态判断的结果与桥臂的电流分析的结果判断电机运行的相位。
[0036] 此外，控制器还进行开关管输出端电压的检测，并通过硬件比较电路检测开关管的状态，从而判断开关管的状态。
[0037] 根据上述判断和分析，控制器可确定电机运行的相位(即桥臂状态)以及开关管的状态，并根据电机运行的相位和开关管的状态执行上述操作。具体地，当A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂的状态全部正常，则开关管T1-T6正常工作，开关K1-K6闭合，MOSFET管T7、T8和T9闭合，MOSFET管T10、T11和T12断开，电机正常工作；如果A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂中存在一相桥臂上的开关管发生故障，则所述控制器执行对该相桥臂上的开关管的替换操作；如果A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂中存在两相或更多相的桥臂上的开关管发生故障，则所述基于航空应用的无刷直流电机控制系统关闭电源进行故障自查。
[0038] 本发明提出的基于航空应用的无刷直流电机控制系统实现了高可靠无刷直流电机控制功能，通过电压电流检测判断开关管的状态，进而进行开关管的开通、关断以及切换操作。可直接应用于无刷直流电机控制器中；同时其涉及的桥臂状态检测技术也可直接应用于任意无刷直流电机控制器中，具有广泛的应用。
[0039] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
