专利名称：无刷直流电机缺相故障的检测电路的制作方法
技术领域：
本发明公开了无刷直流电机缺相故障的检测电路，属于无刷直流电机控制的技术领域。
背景技术：
无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。缺相故障造成电机损坏占很大比例，由此而烧毁的电动机数量是巨大的，造成的经济损失也是极为严重的。当电机发生定子绕组缺相故障时，电机的相电流输出异常或缺失，表现为电机不能转动，或转矩小且波动大，且控制器在绕组缺相状态下工作很容易烧毁，据统计，有半数以上无刷直流电机发生的本体故障是定子绕组开路或短路故障，因此，在以无刷直流电机作为执行机构，且要求高可靠性的伺服系统中有必要设计在无刷电机发生定子绕组缺相故障时的解决方案，以使伺服系统能继续工作。现有的无刷直流电机缺相故障检测电路仅在检测到定子绕组缺相故障后停车运行。在要求可靠性高的伺服领域，当无刷直流电机发生故障时，伺服系统必须能继续工作。比如在以无刷电机作为伺服系统的航空舵回路中，如果伺服系统不能在故障时工作可能会造成坠毁。提供一种既能检测无刷直流电机的缺相故障，又能使得无刷直流电机在缺相情况下平稳运行的检测电路是有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了无刷直流电机缺相故障的检测电路，本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案无刷直流电机缺相故障的检测电路，针对具有两套三相定子绕组的无刷直流电机，所述无刷直流电机缺相的故障检测电路包括霍尔传感器、CPLD芯片、逆变器、MCU芯片;所述霍尔传感器检测无刷直流电机定子绕组的位置信息，输出数字信号至CPLD
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心片；所述逆变器将功率端直流电逆变后驱动无刷直流电机，在无刷直流电机定子绕组缺相时输出故障信号至CPLD芯片；所述CPLD芯片根据霍尔传感器输出的数字信号产生驱动逆变器中开关管的调制信号，对逆变器输出的故障信号做逻辑元运算得到缺相故障信号；所述MCU芯片根据CPLD输出的缺相故障信号、霍尔传感器输出的数字信号确定定子绕组故障相。所述无刷直流电机缺相故障的检测电路中，逆变器包括两个依次连接的逆变单元;其中，每个逆变单元包括一套三相全桥逆变电路、母线电流采样电阻、一个采样电路；所述母线电流采样电阻串接在三相全桥逆变电路的负直流母线上；所述采样开关管漏极接直流电，源极经上拉电阻后接地，门极与所述母线电流采样电阻的采样电流流入端连接。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果检测无刷直流电机的缺相故障的同时保证无刷直流电机在缺相情况下平稳运行。
图1是电机绕组的连接图。图2是电机霍尔传感器与定子绕组的位置说明图。图3是具有定位故障功能的逆变桥电路图。图4至图6是一个电周期内无刷直流电机在六相和三相状态导通时的转矩合成图。图7是CPLD芯片引脚连接示意图。图8是CPLD芯片的换向逻辑流程图。图9是无刷直流电机缺相故障的检测电路。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明本发明所述的无刷直流电机缺相故障的检测电路如图9所示，针对具有两套三相定子绕组的无刷直流电机，具体包括霍尔传感器、CPLD芯片、逆变器、MCU芯片；霍尔传感器检测无刷直流电机定子绕组的位置信息，输出数字信号至CPLD芯片；逆变器将功率端直流电逆变后驱动无刷直流电机，在无刷直流电机定子绕组缺相时输出故障信号至CPLD芯片；CPLD芯片根据霍尔传感器输出的数字信号产生驱动逆变器中开关管的调制信号，对逆变器输出的故障信号做逻辑元运算得到缺相故障信号；MCU芯片根据CPLD输出的缺相故障信号、霍尔传感器输出的数字信号确定定子绕组故障相。首先结合图1、图2、无刷直流电机的本体结构做简单说明。该发明中的无刷直流电机采用六相定子绕组结构如图1所示，由两套独立的三相定子绕组构成，即定子绕组I (Al，BI, Cl)和定子绕组II (A2，B2, C2)。六相无刷直流电机的A相绕组包括Al和A2，B相绕组包括BI和B2，C相绕组包括Cl和C2，A、B、C三相绕组之间互差120°电角度，对应相(如Al和A2)电枢绕组互差30°电角度。其电枢绕组采用双Y型联结，并有各自独立的中性点NI和N2。定子绕组与霍尔位置传感器的相对位置示意图如图2所示，霍尔传感器由两套独立的三相无刷直流电机传感器构成，halll，hall2，hall3对应于定子绕组I，hall4，hall5, hall6对应于定子绕组II。图3是本发明中设计的一种具有定位缺相绕组功能的逆变器，它可以在正常情况下以六相十二状态导通，也可以在检测出缺相故障信号后以三相六状态方式导通。逆变器包括两个依次连接的逆变单元。每个逆变单元包括一套三相全桥逆变电路、母线电流采样电阻、一个采样电路。定子绕组I的三个单相定子绕组分别与第一套三相全桥逆变电路的三个桥臂中点(开关管Q11、Q12组成桥臂的中点、开关管Q13、Q14组成桥臂的中点。开关管Q15、Q16组成桥臂的中点)连接；母线电流采样电阻Rl串接在第一套三相全桥逆变电路的负直流母线上；采样开关管SI漏极接直流电，源极经上拉电阻后接地，门极与所述母线电流采样电阻的采样电流流入端连接。定子绕组II的三个单相定子绕组分别与第二套三相全桥逆变电路的三个桥臂中点(开关管Q21、Q22组成桥臂的中点、开关管Q23、Q24组成桥臂的中点。开关管Q25、Q26组成桥臂的中点)连接；母线电流采样电阻R2串接在第二套三相全桥逆变电路的负直流母线上，采样开关管S2漏极接直流电，源极经上拉电阻后接地，门极与所述母线电流采样电阻的采样电流流入端连接。当无刷直流电机在正常运行时，采样电阻Rl、R2始终有电流流过，其两端电压经过上拉电路后，fault I和fault2始终输出“1”，此时CPLD根据六相霍尔信号产生表I第二列的功率管导通信号，可以看出，此时一套三相电机定子绕组总是滞后于另一套三相电机定子绕组30°电角度，每一时刻有四只功率管导通，每只功率管导通角度为120°电角度。当通电相为A1B1，C2B2时，电流从电源正极流出，分别经功率管Qll和Q25流入电枢绕组Al和C2，再从绕组BI和B2流出，最后经功率管Q14和Q24流入电源的负极。假设流入电枢绕组的电流产生的电磁转矩为正，那么流出电枢绕组产生的电磁转矩为负。当给四相绕组A1B1，C2B2通电时，产生的电磁转矩矢量图如图4所示。当电机转子转过30°电角度时，通电相变为A1B1，A2B2，产生的电磁转矩矢量图如图5所示。在一个电周期内的合成转矩矢量如图6所示。由图6可以看出，六相无刷直流电机的合成转矩并不是一个连续的转矩，而是呈跳跃式的。不难看出，六相无刷直流电机的合成转矩矢量的方向每30°电角度变化一次。当定子绕组发生缺相故障时，相应的母线采样电阻端输出电压在某些时刻为0，进而产生缺相故障信号触发CPLD芯片按照新的三相六状态方式进行换向。以Al相绕组开路故障结合图3说明，当需Al相绕组导通时，由于开路故障Rl两端电压值为0，经上拉电路处理后仍然输出O到CPLD芯片faultl引脚，此时CPLD芯片将以三相六状态方式驱动定子绕组II对应的逆变桥，具体的换向逻辑如表I第三列所示，同时CPLD芯片输出缺相故障信号FAULT至MCU芯片，MCU芯片接收到该信号后更改控制参数对电机进行控制。
权利要求
1.无刷直流电机缺相故障的检测电路，其特征在于针对具有两套三相定子绕组的无刷直流电机，所述无刷直流电机缺相的故障检测电路包括:霍尔传感器、CPLD芯片、逆变器、MCU芯片；所述霍尔传感器检测无刷直流电机定子绕组的位置信息，输出数字信号至CPLD芯片；所述逆变器将功率端直流电逆变后驱动无刷直流电机，在无刷直流电机定子绕组缺相时输出故障信号至CPLD芯片；所述CPLD芯片根据霍尔传感器输出的数字信号产生驱动逆变器中开关管的调制信号，对逆变器输出的故障信号做逻辑元运算得到缺相故障信号；所述MCU芯片根据CPLD输出的缺相故障信号、霍尔传感器输出的数字信号确定定子绕组故障相。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机缺相故障的检测电路，其特征在于所述逆变器包括两个依次连接的逆变单元；其中，每个逆变单元包括:一套三相全桥逆变电路、母线电流采样电阻、一个采样电路；所述母线电流采样电阻串接在三相全桥逆变电路的负直流母线上；所述采样开关管漏极接直流电，源极经上拉 电阻后接地，门极与所述母线电流采样电阻的采样电流流入端连接。
全文摘要
本发明公开了无刷直流电机缺相故障的检测电路，属于无刷直流电机控制的技术领域。所述无刷直流电机缺相的故障检测电路针对具有两套三相定子绕组的无刷直流电机，包括霍尔传感器、CPLD芯片、逆变器、MCU芯片。逆变器包括两个逆变单元，每个逆变单元包括一套三相全桥逆变电路、母线电流采样电阻、每个三相全桥逆变电路的电流输入侧接入电流采样电阻并检测一套三相定子绕组；CPLD收受到逆变器输出的缺相故障信号后，将无刷直流电机从六相十二状态切换至三相六状态，进而达到检测电路在检测出缺相故障的同时，也保证了无刷直流电机在缺相故障下仍然可以平稳运行。
文档编号G01R31/34GK103076564SQ201210512738
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者陈欣, 荆易阳 申请人:南京航空航天大学