一种基于航空三相PFC的电机控制系统的制作方法

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于航空三相pfc的电机控制系统。

背景技术：

为减轻自重，提高飞机的能源利用效率，“多电飞机”将变速变频电源系统应用到航空电源中。传统的航空400hz整流器一般采用二极管不控整流或晶闸管相控整流装置，均属于无源整流方案，缺点明显：直流侧输出电压不可控，输出会随着输入电压以及负载的变化而变化；功率因数低，对航空电源产生大量谐波，给飞机的安全可靠运行带来极大的隐患。具有高功率因数的pwm整流器则具有输入电流正弦化、谐波含量低、功率因数高及输出直流电压恒定且可控等优点，三相六开关pwm整流器由于其高功率因数和能量可双向流动等优点而适合应用于在中大功率的场合中。

航空三相电源模块需要转为弱电提供数字电路使用，考虑隔离、发热等问题，在三相全桥整流后一般引入变压器，传统变压器由于绕线、磁芯等设计落后，体积和重量较大，制约了三相航空电源模块集成化程度。

航空逆变模块的精度和性能受制于航空电源的现状，电机系统对电网造成的不良影响，会反馈到控制器电源输入。集成高品质电源的电机控制器可以减小体积和重量、提高控制精度、消除电网隐患，同时提高系统安全性。

技术实现要素：

发明目的：为了解决上述传统航空电源的问题，并完成航空逆变控制的任务，本发明提供一种基于航空三相pfc的电机控制系统。

技术方案：

一种基于航空三相pfc的电机控制系统，包括三相pfc模块和逆变模块；

所述的三相pfc模块包括三相输入滤波单元、辅助电源、采样单元、整流单元、升压单元、pfc数字单元，所述的三相输入滤波单元与整流单元连接，所述的整流单元分别与pfc数字单元和升压单元连接，所述的pfc数字单元与升压单元连接，所述的辅助电源分别与采样单元及pfc数字单元连接，所述的采样单元与pfc数字单元连接；

所述的逆变模块包括逆变模块包含逆变数字单元、三相逆变单元，所述的逆变数字单元与三相逆变单元连接，逆变数字单元与三相pfc模块中的辅助电源连接，三相逆变单元与三相pfc模块中的升压单元连接。

所述的三相输入滤波单元，包括电阻r1、r2、r3，电感l1、l2、l3，电容c1、c2、c3，电阻r1、r2、r3的输入端连接在一起，电阻r1、r2、r3的输出端分别与电感l1、l2、l3的输入端连接，电感l1、l2、l3的输出端分别与电容c1、c2、c3输入端连接，电容c1、c2、c3输出端与地电位gnd连接。

所述的整流单元为降压型三相六开关电流型pwm整流器，包括二极管d1～d6、d1’～d6’，mos管q1～q6、q1’～q6’，电容c4，整流器正输出串联电感l4，整流器负输出串联电感l5，直流电源dc1；

所述的二极管d1与mos管q1串联、二极管d2与mos管q2串联、二极管d3与mos管q3串联、二极管d4与mos管q4串联、二极管d5与mos管q5串联、二极管d6与mos管q6串联分别形成第一开关组、第二开关组、第三开关组、第四开关组、第五开关组、第六开关组，所述的第一开关组与第四开关组串联、第二开关组与第五开关组串联、第三开关组与第六开关组串联分别形成三个整流桥臂，三个整流桥臂并联后形成整流单元主体结构，整流单元主体结构正输出端与整流器正输出串联电感l4连接，整流单元主体结构负输出端与整流器负输出串联电感l5连接，整流器正输出串联电感l4、整流器负输出串联电感l5的输出端分别与电容c4以及直流电源dc1的正负极连接，所述三个整流桥臂中点分别连接三相输入滤波单元中电感l1、l2、l3的输出端；

所述的二极管d1’与mos管q1’串联、二极管d2’与mos管q2’串联、二极管d3’与mos管q3’串联、二极管d4’与mos管q4’串联、二极管d5’与mos管q5’串联、二极管d6’与mos管q6’串联分别形成第一辅助开关组、第二辅助开关组、第三辅助开关组、第四辅助开关组、第五辅助开关组、第六辅助开关组，所述的第一辅助开关组与第一开关组并联、第二辅助开关组与第二开关组并联、第三辅助开关组与第三开关组并联、第四辅助开关组与第四开关组并联、第五辅助开关组与第五开关组并联、第六辅助开关组与第六开关组并联，所述第一辅助开关组中的mos管q1’的栅极与第一开关组中的mos管q1的栅极连接，所述第二辅助开关组中的mos管q2’的栅极与第二开关组中的mos管q2的栅极连接，所述第三辅助开关组中的mos管q3’的栅极与第三开关组中的mos管q3的栅极连接，所述第四辅助开关组中的mos管q4’的栅极与第四开关组中的mos管q4的栅极连接，所述第五辅助开关组中的mos管q5’的栅极与第五开关组中的mos管q5的栅极连接，所述第六辅助开关组中的mos管q6’的栅极与第六开关组中的mos管q5的栅极连接。

所述的升压单元由两路升压拓扑并联构成交错式升压单元，包括直流电源dc1、dc2，电感l5、l6、l7、l8，二极管d7、d8，mos管q7、q8，电容c5，直流电源dc1经过电感l5、mos管q7、二极管d7和电感l7组成一路升压拓扑，dc1经过电感l6、mos管q8、二极管d8和电感l7组成另外一路相同规格的升压拓扑；

所述直流电源dc1的正端分别与电感l5、l6的输入端连接，电感l5的输出端分别与mos管q7的漏极以及二极管d7的正极连接，电感l6的输出端分别与mos管q8的漏极以及二极管d8的正极连接，mos管q7、q8的源极均与直流电源dc1的负端连接，二极管d7、d8的负极均与电感l7的输入端连接，电感l7的输出端分别与电容c5一端以及直流电源dc2的正端连接，电容c5另一端及直流电源dc2的负端均与电感l8的输入端连接，电感l8的输出端与直流电源dc1的负端连接。

所述的三相逆变单元，为三线制三相六开关电压型整流器，包括直流电源dc2，电阻r4、r5、r6、r7，mos管q9～q14、q9’～q14’，mos管q9与q12串联、mos管q10与q13串联、mos管q11与q14串联分别形成第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、第三逆变桥臂，第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、第三逆变桥臂并联形成三相逆变单元主体结构，三相逆变单元主体结构的正输入端与电阻r4以及直流电源dc2的正端连接，三相逆变单元主体结构的负输入端与直流电源dc2的负端连接，第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、第三逆变桥臂分别与电阻r5、r6、r7连接，电阻r5、r6、r7并联后与地电位gnd连接，第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、第三逆变桥臂中点分别与外部电机负载连接，输出uvw三相电压。

mos管q9’～q14’分别一一对应的并联在mos管q9～q14两端，且mos管q9’的栅极与mos管q9的栅极连接，且mos管q10’的栅极与mos管q10的栅极连接，且mos管q11’的栅极与mos管q11的栅极连接，且mos管q12’的栅极与mos管q12的栅极连接，且mos管q13’的栅极与mos管q13的栅极连接，且mos管q14’的栅极与mos管q14的栅极连接。

所述的辅助电源，包含三相二极管全桥整流器、pcb平面变压器x1、线性稳压器ldo、mos管q15和控制芯片u1，三相二极管全桥整流器的输入端连接三相输入交流电源ac1，输出端与pcb平面变压器x1的输入端连接；pcb平面变压器x1的输出端与线性稳压器ldo的输入端连接，线性稳压器ldo的输出端为数字单元和采样单元供电，mos管q15的漏极与pcb平面变压器x1初级线圈连接，mos管q15的栅极与控制芯片u1连接，mos管q15的源极与地电位连接。

所述的三相二极管全桥整流器，包括二极管d9～d14、d9’～d14’，所述的二极管d9与d9’串联、二极管d10与d10’串联、二极管d11与d11’串联、二极管d12与d12’串联、二极管d13与d13’串联、二极管d14与d14’串联分别形成第一二极管组、第二二极管组、第三二极管组、第四二极管组、第五二极管组、第六二极管组，所述的第一二极管组与第四二极管组串联、第二二极管组与第五二极管组串联、第三二极管组与第六二极管组串联分别形成三个二极管组整流桥臂，三个二极管组整流桥臂并联后形成三相二极管全桥整流器，三相二极管全桥整流器的正输出端与pcb平面变压器x1连接，三相二极管全桥整流器的负输出端与地电位gnd连接，三个电源桥臂的中点分别与三相输入交流电源ac1连接。

所述的pcb平面变压器x1的初级线圈上并联有电容c6形成的滤波电路以及电阻r8、二极管d10串联形成的线圈续流电路，所述的pcb平面变压器x1的若干次级线圈的正输出端以及中间抽头串联有二极管，次级线圈的正输出端与线性稳压器ldo连接，次级线圈的负输出端分别与独立的地电位连接。

所述的pfc数字单元、逆变数字单元均设置有采样接口。

有益效果：本发明提出了一种基于航空三相pfc的电机控制系统，基于机载变频电源360hz～840hz，功率电路引入降压型整流器、交错式升压、pcb平面变压器和双输出电感，解决硬件高集成的困难，系统具有高集成、轻量化、小型化、高可靠的特点。本电机控制系统由三相pfc模块和逆变模块组成，二者不可分割。本发明有效提高了电源效率和稳定性，保证逆变模块控制稳定性，数字电路适应于电源和负载的多变性，也方便后续升级维修。

附图说明

图1：本发明结构原理框图；

图2：三相输入滤波单元拓扑及整流单元拓扑结构图；

图3：升压单元拓扑结构图；

图4：三相逆变单元拓扑结构；

图5：辅助电源拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图本发明作进一步的介绍，如图1所示，本发明所述的一种基于航空三相pfc的电机控制系统，包括三相pfc模块和逆变模块；三相输入电压abc是飞机发电提供的变频交流电源115v，分成2路流向，一路提供辅助电源转换隔离3.3v、5v、12v等低压电源提供采样单元、数字单元等工作供电，另一路提供主功率电路使用。

三相输入电压ac1通过整流单元转为145v～230v之间电压的直流电源dc1，再通过交错式升压单元输出直流电源dc2(270v)，给三相逆变单元供电，图1中数字单元自带一部分采样接口，采样单元用于弥补采样点，采样数据均通过pfc数字单元处理，pfc数字单元输出pwm信号控制整流单元输出和升压单元输出，提供系统所需功率，逆变模块包含逆变数字单元、三相逆变单元，逆变模块通过三相pfc模块引入3.3v和1.8v提供逆变数字单元供电，逆变数字单元输出pwm，控制三相逆变单元的mos管，达到逆变控制的目的。直流电源dc2提供三相逆变单元的输入，输出uvw控制电机。逆变数字单元通过采样电机信号和三相逆变单元信号，完成对模块的监测，调整pwm输出和控制信号。

如图1，本发明所述的三相pfc模块包括三相输入滤波单元、辅助电源、采样单元、整流单元、升压单元、pfc数字单元，所述的三相输入滤波单元与整流单元连接，所述的整流单元分别与pfc数字单元和升压单元连接，所述的pfc数字单元与升压单元连接，所述的辅助电源分别与采样单元及pfc数字单元连接，所述的采样单元与pfc数字单元连接；

所述的逆变模块包括逆变模块包含逆变数字单元、三相逆变单元，所述的逆变数字单元与三相逆变单元连接，逆变数字单元与三相pfc模块中的辅助电源连接，三相逆变单元与三相pfc模块中的升压单元连接。

如图2所示的三相输入滤波单元拓扑，包括电阻r1、r2、r3，电感l1、l2、l3，电容c1、c2、c3，电阻r1、r2、r3的输入端连接在一起，电阻r1、r2、r3的输出端分别与电感l1、l2、l3的输入端连接，电感l1、l2、l3的输出端分别与电容c1、c2、c3输入端连接，电容c1、c2、c3输出端与地电位gnd连接。

所述的整流单元为降压型三相六开关电流型pwm整流器，包括二极管d1～d6、d1’～d6’，mos管q1～q6、q1’～q6’，电容c4，整流器正输出串联电感l4，整流器负输出串联电感l5，直流电源dc1；

所述的二极管d1与mos管q1串联、二极管d2与mos管q2串联、二极管d3与mos管q3串联、二极管d4与mos管q4串联、二极管d5与mos管q5串联、二极管d6与mos管q6串联分别形成第一开关组、第二开关组、第三开关组、第四开关组、第五开关组、第六开关组，所述的第一开关组与第四开关组串联、第二开关组与第五开关组串联、第三开关组与第六开关组串联分别形成三个整流桥臂，三个整流桥臂并联后形成整流单元主体结构，整流单元主体结构正输出端与整流器正输出串联电感l4连接，整流单元主体结构负输出端与整流器负输出串联电感l5连接，整流器正输出串联电感l4、整流器负输出串联电感l5的输出端分别与电容c4以及直流电源dc1的正负极连接，所述三个整流桥臂中点分别连接三相输入滤波单元中电感l1、l2、l3的输出端；

所述的二极管d1’与mos管q1’串联、二极管d2’与mos管q2’串联、二极管d3’与mos管q3’串联、二极管d4’与mos管q4’串联、二极管d5’与mos管q5’串联、二极管d6’与mos管q6’串联分别形成第一辅助开关组、第二辅助开关组、第三辅助开关组、第四辅助开关组、第五辅助开关组、第六辅助开关组，所述的第一辅助开关组与第一开关组并联、第二辅助开关组与第二开关组并联、第三辅助开关组与第三开关组并联、第四辅助开关组与第四开关组并联、第五辅助开关组与第五开关组并联、第六辅助开关组与第六开关组并联，所述第一辅助开关组中的mos管q1’的栅极与第一开关组中的mos管q1的栅极连接，所述第二辅助开关组中的mos管q2’的栅极与第二开关组中的mos管q2的栅极连接，所述第三辅助开关组中的mos管q3’的栅极与第三开关组中的mos管q3的栅极连接，所述第四辅助开关组中的mos管q4’的栅极与第四开关组中的mos管q4的栅极连接，所述第五辅助开关组中的mos管q5’的栅极与第五开关组中的mos管q5的栅极连接，所述第六辅助开关组中的mos管q6’的栅极与第六开关组中的mos管q5的栅极连接。

第一辅助开关组与第一开关组并联、第二辅助开关组与第二开关组并联、第三辅助开关组与第三开关组并联、第四辅助开关组与第四开关组并联、第五辅助开关组与第五开关组并联、第六辅助开关组与第六开关组并联，有效减小开关应力，增大开关余量。输出使用l4、l5两电感分摊可以减小选型电感的体积和规格。电容c4为代表输出dc1的滤波电路。

如图3所示，所述的升压单元由两路升压拓扑并联构成交错式升压单元，包括直流电源dc1、dc2，电感l5、l6、l7、l8，二极管d7、d8，mos管q7、q8，电容c5，直流电源dc1经过电感l5、mos管q7、二极管d7和电感l7组成一路升压拓扑，dc1经过电感l6、mos管q8、二极管d8和电感l7组成另外一路相同规格的升压拓扑；l7、l8两电感采用相同规格，其中正输出通过l7，负输出通过l8，以分摊回路电流，减小电感规格和体积，交错式升压单元有利于减小器件规格体积、减小电压纹波；电容c5为代表输出dc2的滤波电路。

所述直流电源dc1的正端分别与电感l5、l6的输入端连接，电感l5的输出端分别与mos管q7的漏极以及二极管d7的正极连接，电感l6的输出端分别与mos管q8的漏极以及二极管d8的正极连接，mos管q7、q8的源极均与直流电源dc1的负端连接，二极管d7、d8的负极均与电感l7的输入端连接，电感l7的输出端分别与电容c5一端以及直流电源dc2的正端连接，电容c5另一端及直流电源dc2的负端均与电感l8的输入端连接，电感l8的输出端与直流电源dc1的负端连接。

如图4所示，所所述的三相逆变单元，为三线制三相六开关电压型整流器，包括直流电源dc2，电阻r4、r5、r6、r7，mos管q9～q14、q9’～q14’，mos管q9与q12串联、mos管q10与q13串联、mos管q11与q14串联分别形成第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、第三逆变桥臂，第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、第三逆变桥臂并联形成三相逆变单元主体结构，三相逆变单元主体结构的正输入端与电阻r4以及直流电源dc2的正端连接，三相逆变单元主体结构的负输入端与直流电源dc2的负端连接，第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、第三逆变桥臂分别与电阻r5、r6、r7连接，电阻r5、r6、r7并联后与地电位gnd连接，第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、第三逆变桥臂中点分别与外部电机负载连接，输出uvw三相电压；

mos管q9’～q14’分别一一对应的并联在mos管q9～q14两端，且mos管q9’的栅极与mos管q9的栅极连接，且mos管q10’的栅极与mos管q10的栅极连接，且mos管q11’的栅极与mos管q11的栅极连接，且mos管q12’的栅极与mos管q12的栅极连接，且mos管q13’的栅极与mos管q13的栅极连接，且mos管q14’的栅极与mos管q14的栅极连接，这样的连接方式有利于减小开关应力，增大开关余量。

如图5所示，所述的辅助电源，包含三相二极管全桥整流器、pcb平面变压器x1、线性稳压器ldo、mos管q15和控制芯片u1，三相二极管全桥整流器的输入端连接三相输入交流电源ac1，输出端与pcb平面变压器x1的输入端连接；pcb平面变压器x1的输出端与线性稳压器ldo的输入端连接，线性稳压器ldo的输出端为数字单元和采样单元供电，mos管q15的漏极与pcb平面变压器x1初级线圈连接，mos管q15的源极与地电位连接，mos管q15的栅极与控制芯片u1连接，控制芯片u1通过mos管q15控制初级线圈能量。

所述的三相二极管全桥整流器，包括二极管d9～d14、d9’～d14’，所述的二极管d9与d9’串联、二极管d10与d10’串联、二极管d11与d11’串联、二极管d12与d12’串联、二极管d13与d13’串联、二极管d14与d14’串联分别形成第一二极管组、第二二极管组、第三二极管组、第四二极管组、第五二极管组、第六二极管组，所述的第一二极管组与第四二极管组串联、第二二极管组与第五二极管组串联、第三二极管组与第六二极管组串联分别形成三个二极管组整流桥臂，三个二极管组整流桥臂并联后形成三相二极管全桥整流器，三相二极管全桥整流器的正输出端与pcb平面变压器x1连接，三相二极管全桥整流器的负输出端与地电位gnd连接，三个电源桥臂的中点分别与三相输入交流电源ac1连接，这样的设计可以增加设计余量，提高可靠性。

所述的pcb平面变压器x1的初级线圈上并联有电容c6形成的滤波电路以及电阻r8、二极管d10串联形成的初级线圈续流电路，所述的pcb平面变压器x1的若干次级线圈的正输出端以及中间抽头串联有二极管，次级线圈的正输出端与线性稳压器ldo连接，次级线圈的负输出端分别与独立的地电位连接，初级线圈和次级线圈中间为磁芯，次级线圈通过不同的绕线扎数获取不同的电压输出，次级线圈正输出连接线性稳压器ldo，线性稳压器ldo提供3.3v、1.8v等稳定电压，本发明中pcb平面变压器x1，利用多层pcb结构，将初级线圈和若干次级线圈的绕线分别嵌在各层pcb中，并使用定制磁芯配合，实现获取所需电压，该设计大大减小变压器体积和重量。