一种适用于深空采样大功率直流电机极限工况自适应保护设计方法与流程

1.本发明属于电机驱动控制技术领域，具体是一种适用于深空采样大功率直流电机极限工况自适应保护设计方法。


背景技术：

2.月壤钻取采样装置是月球探测的重要工具之一，对实现月壤采样起着关键作用，月壤钻取属于极端条件下的钻探问题，是钻探领域技术难度最高的问题之一。采样装置采用大功率三相永磁无刷直流电机驱动钻杆钻进实现月壤的采集，由于月球低重力、无水无空气等极端环境以及月壤高内摩擦角低内聚力的特殊力学属性，在钻进过程中直流电机启动和换相时的相电流峰值可达几十安培，对电机驱动控制设计提出极大挑战。在月壤钻取采样过程中，一方面为了最大限度保证月壤采样过程的连续性，另一方面还要确保极限工况下大功率直流电机驱动线路及直流电机工作时的可靠性和安全性，加之空间任务要求驱动控制器必须重量轻、体积小，因此对钻进过程中电机过流及堵转时的保护功能提出了很高要求。
3.堵转是当电机转速为0时，电机控制器控制电机输出一个较大力矩的过程。一般电机无法长时间维持堵转力矩，因为当驱动电机处于堵转状态时，由于转速为0，电机的反电动势几乎为0，施加于电机的电压全部作用于电机本身，电机堵转时产生的三相电流非常大，瞬间产生的热量也非常大，转子磁场甚至有可能发生去磁。堵转的检测方法通常是判断在预计周期内转速是否持续小于堵转保护转速阈值且电流是否持续大于堵转保护电流阈值。
4.实用的故障保护电路通常需要具备：能够方便快捷地检测出系统的工作状态正常与否，一旦检测到非正常工作状态，能强制自动进入自保护状态；保护电路的反应速度应该足够快，以保证异常工作状态对系统器件和芯片自身造成实质性损害之前实施保护；进入保护状态后，要求驱动芯片的功耗愈小愈好，一种理想状态是整个系统进入关断状态。所谓关断状态为强制逆变电路中功率管截至以及驱动电路关断，从而保证即便芯片长期处于保护状态期间也不损伤直流无刷电机；要求保护电路具有自解除功能，即异常状态信号解除后，能够从关断状态被自动唤醒进入正常工作状态；要求保护电路的构成愈简单愈好。保护电路本身的功耗愈小愈好，从而保证整体效率的提高。常用的保护电路主要包含欠压保护、过流保护以及过热保护等故障保护电路，每一种保护电路至少包含三部分：其一是检测电路，其二是比较电路，其三是基准电压源。检测电路将驱动芯片内部的电压、电流、热等状态转化为电压信号传递给比较电路和内部基准相比，然后将比较后的结果传递给控制电路，经过逻辑转换后直接控制逆变器中功率管的开关。
5.现有技术无法直接应用于深空采样任务中，主要原因是地外天体采样极端环境及深空探测对体积、重量、功耗等多约束条件，对宇航级功率元器件的驱动能力、过流保护、集成度、降额等技术指标提出极高要求，受限于国外禁运、高成本等因素，满足使用要求的元
器件非常少，降级使用存在对逆变电路中功率器件的电压和电流冲击等风险，且成本高昂。因此利用现有功率元器件选型，设计简单可靠、成本低廉的驱动线路过流保护方法是非常有必要的。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于深空采样大功率直流电机极限工况自适应保护设计方法，采用硬件优先、软件协同的保护方法，以减少对逆变电路中功率器件的电压和电流冲击，从而方便功率元器件的选型，降低保护电路的成本。
7.本发明的技术方案是：一种硬件过流保护线路，包括比较器a1、a2，电阻r1～r6，电容c1和二极管d1；电流采样输入信号vihall经电阻r1、r2组成的分压电路接比较器a1的同相输入端，比较器a1的反向输入端接参考电压vref，用作同相输入信号的比较电平，比较器a1的输出端通过反馈电阻r3接同相输入端；比较器a1的输出端串联保护电阻r4后，通过电阻r5上拉至电源vcc输出；输出电压经过二极管d1和电阻r6组成的并联电路后接比较器a2反向输入端vp，vp经滤波电容c1接地，用于滤除反相输入端的高频干扰信号；比较器a2同相输入端接电机驱动控制信号vi,比较器a2输出vo接电机绕组驱动功率桥臂电路的控制端。
8.硬件过流保护线路工作过程为：通过调整参考电压vref确定硬件过流保护线路保护限流阈值，电流采样输入信号vihall经电阻分压后与参考电压vref比较，当硬件过流保护线路采集到的母线电流大于保护阈值vref时，即过流状态，根据比较器工作原理，当v 》v-时，比较器a1输出经电阻r5上拉后输出高电平，比较器a2反向输入端v
p
为高电平，硬件将v
p
与驱动控制信号vi进行比较，v
p
＞vi，比较器a2输出电平vo＝0，电机停止工作；此时母线电流将迅速降低为0，比较器a1输出为0，电容c1通过电阻r6放电，电压信号v
p
逐渐降低为0，当满足v
p
＜vi条件，电机重新启动工作；反之，正常工作时，比较器a2反向输入端vp为低电平，v
p
＜vi，比较器a2输出电平vo＝vi，满足电机绕组驱动功率桥臂mosfet驱动电平要求，电机正常工作。
9.一种适用于深空采样大功率直流电机极限工况自适应保护设计方法，步骤如下：
10.(1)通过硬件过流保护线路采集直流电机母线电流；
11.(2)确定硬件过流保护线路保护限流阈值v
ref
；
12.(3)根据过流保护状态时驱动线路可靠工作设计约束，确定软件驱动线路可靠工作最长时间及电机堵转转速阈值参数。
13.所述步骤(1)中，采用测量采样电阻压降的方法实现对电机母线电流的检测，采样电阻置于母线负端，与电机负载串联；采样电压经信号调理后分别输出至硬件过流保护线路vihall和模拟量采集电路进行a/d采集得到v
sample
。
14.所述步骤(2)中，设i
overload
为过流保护阈值，则rs为电机母线电流采样电阻。
15.所述步骤(3)的具体过程为：软件实时采集直流电机母线电流信号v
sample
，与硬件过流保护线路保护限流阈值v
ref
进行比较，正常工作时v
sample
＜v
ref
，驱动线路输出电平vo＝vi，电机正常工作；当软件采集到的电压信号v
sample
＞v
ref
时，软件设置过流保护标志为true
并启动计时，如果连续t时间内电机转速值小于ωd，软件停止发送驱动信号vi，彻底关闭电机驱动，确保驱动线路和电机工作的可靠性和安全性；否则，软件正常发送驱动信号vi，清除过流保护标志，使得驱动线路和电机能够正常连续工作，确保月壤采样功能可以正常进行。
16.所述t为过流保护状态时驱动线路可靠工作的最长时间，该时间的确定原则为：驱动线路在最高工作温度工况下，且处于过流保护状态时，线路元器件以及直流电机本体中最短的可靠工作时间；可靠工作含义为元器件或直流电机的实际工作温度不超过手册允许的最大范围。
17.所述ωd为电机堵转时转速值，该参数的确定原则为：其中，ω
max
为直流电机最大转速，tc为机械时间常数，i
overload
为电机保护电流阈值，l
phase
为电机单相电感，v
drive
为电机绕组驱动电压。
18.所述硬件过流保护线路包括比较器a1、a2，电阻r1～r6，电容c1和二极管d1；电流采样输入信号vihall经电阻r1、r2组成的分压电路接比较器a1的同相输入端，比较器a1的反向输入端接参考电压vref，用作同相输入信号的比较电平，比较器a1的输出端通过反馈电阻r3接同相输入端；比较器a1的输出端串联保护电阻r4后，通过电阻r5上拉至电源vcc输出；输出电压经过二极管d1和电阻r6组成的并联电路后接比较器a2反向输入端vp，vp经滤波电容c1接地，用于滤除反相输入端的高频干扰信号；比较器a2同相输入端接电机驱动控制信号vi,比较器a2输出vo接电机绕组驱动功率桥臂电路的控制端。
19.本发明与现有技术相比的优点在于：
20.受限于宇航产品元器件选型等约束条件，保护电路的构成简单可靠，以满足深空型号对器上产品轻小型化的设计要求。硬件过流保护线路由比较器，电阻，电容和二极管组成，均为宇航成熟应用元器件，通过调节电阻、电容参数即可实现过流保护阈值及电机恢复重启时间，方便灵活，可推广至在其他型号应用。
21.采用软硬件协同保护方法，通过软件限定过流保护状态时驱动线路可靠工作的最长时间和电机堵转时转速，可以兼顾月壤采样过程的连续性和极限工况下电机及驱动线路的可靠性和安全性。
附图说明
22.图1为本发明应用于软硬件协同硬件过流保护线路的拓扑电路结构示意图；
23.图2为本发明应用于软硬件协同保护软件保护流程图。
具体实施方式
24.本发明提供大功率直流电机极限工况软硬件协同保护方法。
25.软硬件协同保护的拓扑电路如图1所示。
26.软硬件协同保护控制过程具体控制方法如下：
27.步骤1：采集直流电机母线电流。通常采用测量采样电阻压降的方法测量实现对电机母线电流的检测，采样电阻一般情况下都置于母线负端，与电机负载串联。
28.步骤2：硬件保护电路的拓扑如图1所示，采样电压经信号调理后一路输出至图1中
vihall，另一路输出至控制板进行a/d采集。vihall信号经电阻分压后与参考电压vref比较，根据比较器工作原理，当v 》v-时，比较器a1输出经电阻r5上拉后输出高电平，vp为高电平，比较器a2输出vo＝0；当v 《v-时，比较器a1输出低电平，vp为低电平，则vo＝vi，此时比较器输出控制驱动信号正常控制mosfet开关。电路中的d1、c1对输入比较器a2的vp进行低通滤波，确保正向导通时保护电平信号快速建立并防止受小干扰的影响。电阻r6在比较器a1输出为低电平时为c1提供泄放通路。
29.步骤3：控制板每个固定控制周期(tick)采集一次vihall信号，如图2所示，当采集到信号电压vsample《vref时，则软件正常输出电机控制输出，否则当采集到信号电压vsample》vref时，则软件将本周期控制输出清零，并将过流保护标志置为true。电机控制软件每个固定控制周期(tick)同时还对电机转速信号进行测量，当软件判断过流保护标志为true且电机测量转速低于设定转速ωd时，则启动计数器timer 1。当连续累计t时间内，电机测量转速低于设定转速ωd，则电机停止控制输出，并退出自主控制模式。否则，当软件判断过流保护标志为true时，电机在t时间内测量电机转速高于设定转速ωd时，则计数器timer清零，清除过流保护标志。
30.根据系统使用环境及元器件参数确定t，t为过流保护状态时驱动线路可靠工作的最长时间，该时间的确定原则为：驱动线路在最高工作温度工况下，且处于过流保护状态时，线路元器件以及直流电机本体中最短的可靠工作时间；可靠工作含义为元器件或直流电机的实际工作温度不超过手册允许的最大范围。
31.根据系统使用环境及元器件参数确定ωd。ωd为电机堵转时转速值，该参数的确定原则为：其中，ω
max
为直流电机最大转速，tc为机械时间常数，i
overload
为电机保护电流阈值，l
phase
为电机单相电感，v
drive
为电机绕组驱动电压。
32.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。