一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器的制作方法

本发明属于运载火箭驱动控制，尤其涉及一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器。

背景技术：

1、电机控制驱动器在航天领域常见应用于运载火箭领域发动机推力矢量控制中机电伺服系统的核心主控单元，其作用为接收控制系统的姿控摆角指令，驱动伺服电机按摆角动作，进而完成运载火箭发动机推力矢量控制功能。电机控制驱动器如果失效，将造成发动机推力矢量控制失效，造成星箭俱毁。

2、面向运载火箭领域高可靠的要求，运载火箭领域电机控制驱动器采用三余度冗余技术方案，但余度技术不仅增加了系统重量和复杂度，也容易带来其他问题，比如故障通道会成为系统额外负载、通道之间的力纷争等问题。于是以五相容错电机控制为代表，通过提高各组成部分的可靠度来达到提高整个系统可靠度方案被提出。五相永磁同步电机控制驱动器，配合五相容错电机实现新一代运载火箭的推力矢量控制，满足未来运载火箭的高可靠性的要求。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器，以满足未来运载火箭的高可靠性的要求。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器，包括：上盖、五个驱动单元、控制单元、下盖和连接器组件；

3、上盖与下盖连接形成壳体；

4、控制单元和五个驱动单元封装在壳体内；

5、壳体上设置有连接器组件。

6、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，五个驱动单元和控制单元在壳体内采用三层分布：

7、第一层：第一驱动单元和第二驱动单元；其中，第一驱动单元和第二驱动单元通过导热绝缘垫与上盖紧密贴合；

8、第二层：控制单元；其中，控制单元通过螺钉安装固定在托盘上，托盘通过螺钉安装固定在下盖的六根支撑柱上；

9、第三层：第三驱动单元、第四驱动单元和第五驱动单元；其中，第三驱动单元、第四驱动单元和第五驱动单元的碳化硅功率部件通过导热绝缘垫与下盖紧密贴合。

10、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，五相电机控制驱动器通过连接器组件分别与测试仪、五相电机和功率电源连接，构成电机控制系统。

11、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，五相电机，包括：电磁锁、电机和轴角传感器；其中，电磁锁和轴角传感器安装在电机上；

12、电磁锁，用于根据五相电机控制驱动器输出的开锁或落锁电平，松开或锁定电机的电机轴；

13、电机，用于根据五相电机控制驱动器输出的五相逆变电平，驱动执行机构动作；

14、轴角传感器，用于接收五相电机控制驱动器输出的轴角供电电平和励磁信号；以及，测量得到电机的电机角度，并反馈给五相电机控制驱动器。

15、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，连接器组件，包括：控制电&总线连接器、轴角连接器、电机连接器和功率电连接器；其中，五相电机控制驱动器通过控制电&总线连接器与测试仪连接，通过轴角连接器与轴角传感器连接，通过电机连机器与电机连接，通过功率电连接器与功率电源连接；

16、控制电&总线连接器，用于接收测试仪输出的28v供电和电机动作指令，并将五相电机输出的传感器信息上传至测试仪；

17、轴角连接器，用于接收轴角传感器输出的电机轴角信息；

18、电机连机器，用于将经五相电机控制驱动器逆变后的五相逆变电平传输至电机本体；

19、功率电连接器，用于连接功率电源输出的直流电。

20、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，控制单元，包括：二次电源变换、多路低压差线性稳压器ldo、全可编程片上系统apsoc和片外数模变换器ad；

21、二次电源变换，用于接收测试仪输出的28v供电，并转化为驱动单元、片外数模变换器ad和多路低压差线性稳压器ldo的供电；

22、多路低压差线性稳压器ldo，用于接收二次电源变换输出的供电，并转化为全可编程片上系统apsoc和电磁锁的供电；

23、片外数模变换器ad，用于将采集得到五相电机的五相电流信息、轴角信息、锁/启控信号，转换为数字信号后输出至全可编程片上系统apsoc；

24、全可编程片上系统apsoc，用于根据片外数模变换器ad输出的数字信号和测试仪发送的电机摆角指令，进行五相电机的位置环、速度环、电流环闭环运算；以及进行一度及二度故障下的故障诊断及容错控制，输出pwm信号至驱动单元，对五相电机进行过流保护与恢复，同时将五相电机的五相电流信息、轴角信息通过总线传递至测试仪。

25、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，全可编程片上系统apsoc，包括ps单元和pl单元；

26、ps单元，用于根据片外数模变换器ad输出的数字信号和测试仪发送的电机摆角指令，进行五相电机的位置环、速度环、电流环闭环运算；输出开锁/落锁时序，并经过二次电源变换给电磁锁供电；

27、pl单元，用于完成五相电机svpwm电机本体算法功能，进行一度及二度故障下的故障诊断及容错控制，输出pwm信号至驱动单元，对五相电机进行过流保护与恢复，同时将五相电机的五相电流信息、轴角信息通过总线传递至测试仪。

28、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，驱动单元，包括：驱动电路、电流采样电路和碳化硅功率器件；

29、驱动电路，用于接收pl单元输出的pwm信号，通过sip驱动芯片将pwm信号转化为碳化硅驱动电平信号；

30、电流采样电路，用于采集得到五相电机的五相电流信息，并通过两个1.5mω/5w的电阻转化为电压信号输出到片外数模变换器ad；

31、碳化硅功率器件用于接收驱动电路输出的碳化硅驱动电平信号，按pl单元输出的svpwm信号控制率将功率电源提供的直流电能逆变为交流电能。

32、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，碳化硅功率器件为h桥碳化硅功率器件，包括h桥上管和h桥下管。

33、在上述耐高温小型化的五相电机控制驱动器中，sip驱动芯片，包括：隔离驱动光耦u1、双极互补推挽输出芯片u2、双极互补推挽输出芯片u3、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r7、二极管d1、二极管d2、电容cl2、电容cl3、电容cl4、电容cl5、电容cl6、电容cl7和十个引脚；其中，十个引脚分别为：引脚in1+、引脚in1-、引脚in2+、引脚in2-、引脚ucc1、引脚out1、引脚uee1、引脚ucc2、引脚out2和引脚gnd2；

34、隔离驱动光耦u1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、二极管d1、电容cl2、电容cl3、电容cl4和双极互补推挽输出芯片u2构成h桥上管的驱动电路：引脚in1+接h桥上管pwm输入信号的高电平，经过电阻r3下拉后经电阻r1限流送入隔离驱动光耦u1的引脚2；引脚in1-接h接桥上管pwm输入信号的低电平，送入隔离驱动光耦u1的引脚3；其中，电阻r1和引脚in1-之间并联电容cl2，对pwm输入信号进行滤波；电阻r1和引脚in1-之间接入二极管d1；隔离驱动光耦u1的引脚16接双极互补推挽输出芯片u2的引脚1和引脚8，经电容cl3滤波，作为碳化硅驱动侧的正电平供电引脚ucc1；隔离驱动光耦u1的引脚15经电阻r2、电容cl4后接双极互补推挽输出芯片u2的引脚2；双极互补推挽输出芯片u2的引脚6和引脚7连接后作为碳化硅驱动侧的输出引脚out1；隔离驱动光耦u1的引脚14为碳化硅驱动侧的负电平供电引脚uee1；

35、隔离驱动光耦u1、电阻r4、电阻r5、电阻r7、二极管d2、电容cl5、电容cl6、电容cl7和双极互补推挽输出芯片u3构成h桥下管的驱动电路：引脚in2+接h桥下管pwm输入信号的高电平，经过电阻r5下拉后经电阻r4限流送入隔离驱动光耦u1的引脚6；引脚in2-接h接桥下管pwm输入信号的低电平，送入隔离驱动光耦u1的引脚7；其中，电阻r4和引脚in2-之间并联电容cl5，对pwm输入信号进行滤波；电阻r4和引脚in2-之间接入二极管d2；隔离驱动光耦u1的引脚9接双极互补推挽输出芯片u3的引脚1和引脚8，经电容cl6滤波，作为碳化硅驱动侧的正电平供电引脚ucc2；隔离驱动光耦u1的引脚10经电阻r7、电容cl6后接双极互补推挽输出芯片u3的引脚2；

36、双极互补推挽输出芯片u3的引脚6和引脚7连接后作为碳化硅驱动侧的输出引脚out2；隔离驱动光耦u1的引脚9为碳化硅驱动侧的负电平供电引脚uee2。

37、本发明具有以下优点：

38、(1)本发明公开了一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器，五块驱动单元与壳体上下面通过导热绝缘垫紧密贴合，将驱动单元散热及时传导至整个壳体，增大散热热容，有效抑制整机核心部件温升。

39、(2)本发明公开了一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器，驱动单元的核心功率器件采用h桥碳化硅功率器件，h桥碳化硅功率器件采用easy pack封装，其尺寸为62.8mm×56.7mm×16.4mm，耐压等级1200v，耐额定电流等级160a，与业界常采用的igbt与ipm核心功率器件相比，比同等耐电压、电流规格的igbt、ipm相比体积减少30％～60％，重量减轻20％～40％，其运行的开关频率范围为0～60khz，方便实现高速电机控制。

40、(3)本发明公开了一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器，驱动单元采用高集成度自研sip驱动芯片，自研sip驱动芯片内部集成隔离驱动光耦gh315j与双极互补推挽输出芯片js614及配置阻容组成，其栅极驱动电流可至+-14a，该驱动单元部件可作为通用驱动部件满足驱动多型碳化硅、igbt的要求。

41、(4)本发明公开了一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器，由两个体积仅为6.6mm×10mm×2.5mm的1.5mω/5w的超低阻片式高精度金属电阻组成，两个金属电阻采用310℃的高温焊锡焊接在印制板上，可在225℃高温下运行，满足大电流采样要求。与业界常采用的隔离式霍尔电流传感器相比，其体积降低83％，重量降低87％。与电压式电流传感器相比，体积降低47％，重量降低51％。

42、(5)本发明公开了一种耐高温小型化的五相电机控制驱动器，控制单元采用apsoc方案，内部有ps、pl两个硬核实现arm、可编程逻辑内核的硬件资源。工作主频可至1ghz。在pl内核中实现电机底层svpwm算法，在ps内核实现电机电流环、位置环、速度环三环控制及故障识别及切换工作，在60khz的开关频率下，有足够的资源实现电机度及二度失效故障模式下可靠工作。