本发明涉及空间在轨补加设备技术领域，特别涉及一种用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统。
背景技术：
随着空间在轨补加技术的发展，传统的空间在轨补加系统无刷直流电机(brushlessdcmotor，bldcm)需要位置传感器得到转子位置信号对三相绕组进行换相控制，而电机内位置传感器仅能保证2年的寿命，不能满足空间补加15年的寿命。在空间电离总剂量效应、单粒子效应等恶劣工作环境下的适应性较差，容易产生单粒子闩锁及单粒子翻转现象，器件容易被电离总剂量效应破坏，降低了空间补加系统的可靠性。传统的空间在轨补加系统无反电势采集换相法，具体应用为天宫二号在轨补加系统，使用寿命较短，仅两年设计寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，以解决传统的空间在轨补加系统在空间电离总剂量效应、单粒子效应等恶劣工作环境下的适应性较差，容易产生单粒子闩锁及单粒子翻转现象，器件容易被电离总剂量效应破坏，降低了空间补加系统的可靠性的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，包括：主控模块，其包括：处理器；fpga，fpga接收处理器的指令，并给处理器反馈反电动势信号以及电机转速信号，所述fpga进行状态切换；采集模块，包括：反电势采集单元；比较器，所述反电势采集单元输出电压变化量至所述比较器，所述比较器根据电压变化量输出高低电平至所述fpga进行逻辑运算。
进一步地，所述处理器是bm3803mgrh处理器。
进一步地，所述bm3803mgrh处理器采用哈佛结构，具有独立的指令总线和数据总线，分别与各自的cache控制器相连。
进一步地，在低速和高速时，分别在pwm关断和开通阶段检测反电势，采用两个不同的参考电压获得反电动势，并将端电压反电动势与中心点电压相减，采用过零点法初步获取电机换相位置。
进一步地，处理器通过转速闭环的方式输出换相信号、pwm信号给所述fpga。
进一步地，所述fpga需要根据所述处理器输出的控制信号及采集到的反电动势信号在比较器阶段、自主控制阶段、以及停止工作阶段进行切换。
进一步地，所述自主控制阶段为电机起动时的控制，所述fpga接收所述处理器控制指令后，周期性生成拟合位置信号使电机盲控起动。
进一步地，在所述比较器控制阶段为电机无感运行后的控制，当所述处理器向所述fpga发送从所述自主控制阶段切换至所述比较器阶段的指令后，所述fpga需判断当前自主控制输出的相序与所述比较器控制阶段产生的相序是否一致，一致后切换。
进一步地，采集电机转动时绕组产生的反电势，根据三个比较器器件采集到的三相绕组反电势状态，判断感应反电势过零点时刻，拟合生成位置信号。
进一步地，所述停止工作阶段为电机无感运行停止后的状态恢复，当所述处理器向所述fpga发送停止工作指令后，所述fpga根据pwm信号的减小持续输出位置拟合信号，当转速降低到一定值以后不再向外发送位置拟合信号。
本发明提供的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，使得该系统在电离总剂量及单粒子效应的空间补加环境下，能够更可靠的保证无刷直流电机采用反电势换相工作；解决了传统空间在轨补加无刷直流电机位置传感器换相系统的缺陷；保证设计寿命达到15年，更可靠的完成空间在轨补加任务。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1是本发明实施例提供的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统的反电势采集原理结构示意图；
图3为本发明实施例提供的反电势过零检测电路；
图4为本发明实施例提供的控制信号与相序对应关系示意图；
图5为本发明实施例提供的相序与比较器采集对应关系示意图；
图6为本发明实施例提供的六个pwm信号与反电势过零点信号的波形对应关系图；
图7为本发明实施例提供的拟合输出位置信号对应关系示意图；
图8为本发明实施例提供的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统的流程示意图；
图9为本发明实施例提供的转速为2000r/min时采集的反电动势eb、相电流ib以及过零点检测信号的波形示意图；
图10为本发明实施例提供的转速为500r/min时采集的反电动势eb、相电流ib以及过零点检测信号的波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，使得该系统在电离总剂量及单粒子效应的空间补加环境下，能够更可靠的保证无刷直流电机采用反电势换相工作；解决了传统空间在轨补加无刷直流电机位置传感器换相系统的缺陷；保证设计寿命达到15年，更可靠的完成空间在轨补加任务。
图1是本发明实施例提供的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统结构示意图。参照图1，本发明提供一种用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，包括：主控模块11，其包括：处理器111；fpga112，fpga112接收处理器的指令，并给处理器111反馈反电动势信号以及电机转速信号，所述fpga112进行状态切换；采集模块12，包括：反电势采集单元121；比较器122，反电势采集单元121输出电压变化量至比较器122，比较器122根据电压变化量输出高低电平至fpga112进行逻辑运算。
在轨15年的补加过程可靠性设计计算达到0.99。
处理器111作为核心控制部分，主要用于换相控制和电机工作模式控制，fpga软件功能包括自主控制、相序识别、比较器控制、位置拟合、位置甄别、转速检测、换相控制、运行控制、故障检测等。
处理器主要是通过转速闭环的方式输出换相信号、pwm信号给fpga，控制整个软启动过程、模式切换工程、相位补偿、正常运转过程以及故障判别和处理。控制电机整个过程包括：启动、切换、正常运转三个过程。在电机运行的整个过程中需要判别的故障模式包括：过流故障、堵转故障、过热故障。
处理器111为bm3803mgrh处理器，其基于sparcv8体系结构的抗辐射32位risc处理器，内核包含整数处理单元、浮点处理单元、独立的指令和数据cache、硬件乘/除法器，外设包括中断控制器、定时器、看门狗、uart、通用i/o接口、外部存储器控制器、pci总线控制器等，能够满足空间恶劣环境应用的抗辐射、长寿命、高可靠指标要求，与存储器和相关外围电路相连，可构成完整的嵌入式单板计算机系统。
处理器核心iu实现了sparcv8标准定义的整数指令集，具有如下特性：5级指令流水；8个寄存器窗口；硬件乘/除法器；寄存器三模冗余结构，寄存器堆edac容错。
bm3803mgrh指令分为6种功能类别：加载/存储，算术/逻辑/移位，控制转移，读/写控制寄存器，浮点操作及其它指令。
bm3803mgrh处理器采用哈佛结构，具有独立的指令总线和数据总线，分别与各自的cache控制器相连。为了提高核心处理器的速度，对指令cache和数据cache都采用了多路组相联(multi-set-caches)技术。cache的替换标准基于lru(最近最少使用)算法。当有新数据要存储到cache中时，替代cache中的lru部分。
浮点处理单元可以处理单精度数和双精度数，实现了所有的sparcv8浮点指令。浮点指令的执行与iu串行，当fpu中指令没有执行完时，iu处于等待状态。任何试图执行stdfq指令的操作都会产生一个浮点执行异常。
bm3803mgrh通过外部存储器控制器可以访问prom、存储器映射的i/o设备、sram和sdram。系统可配两个prom、一个i/o设备、5个sram以及两个sdram。
在低速和高速时，分别在pwm关断和开通阶段检测反电势，采用2个不同的参考电压获得反电动势,并将端电压反电动势与中心点电压相减，降低换相过程中对反电势采集的干扰，然后采用过零点法初步获取电机换相位置。由于绕组上电压幅值较大，需要将电压降到可以采集的范围，于是反电势法采用分压采集方式。图2为本发明实施例提供的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统的反电势采集原理结构示意图。参照图2，端电压和三相中心电压经过分压后分别为ua，ub，uc和un。该反电势采集电路方法与其他三相中心点电压采集方法不同的是，该方法能够根据功率管开关产生的干扰降到很低，不至于将干扰引入到后面的过零判断。在图2中，ra＝rb＝rc＝r，设rn＝r5 r6，则vn＝rnin。由基尔霍夫定律可知：
in＝ia ib ic(1)
而，
van vbn vcn＝raia rbib rcic＝r(ia ib ic)(2)
以上式中提到的van、vbn、vcn分别表示对应各点之间的电位差，vn表示n点电位，ra、rb、rc、rn表示对应各电阻，ia、ib、ic、in分别表示对应流过各电阻的电流，r为常数值，n为中心点。
由式(1)和式(2)可得：
s为三相绕组上的中性点，有：
vas vsn＝van
vbs vsn＝vbn
vcs vsn＝vcn(4)
上式中vas、vbs、vcs、vsn分别表示各点之间电位差。
当绕组a、b两相导通工作时可知：vas vbs＝0，再联立式(3)和式(4)可得：
又由于vcs vsn＝vcn＝vc-vn,可得：
式(6)中，vcs即为需要检测的非导通相反电势。
令k＝r2/(r1 r2)，则：
令kn＝r5/(r5 r6),则
于是有：un＝vnkn，uc＝vck，则：
va，vb，vc，vn分别表示a、b、c、n点对100v地的电位，k、kn分别表示设定常量，un、uc分别表示对应点的电压，r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7分别表示对应电阻，由于反电势测试电路中各个测量电阻和电机绕组的阻抗相比差若干个数量级，所以其引入的测试电流对各绕组电磁状态以及电压值的影响很小。图2所示的反电势分压采集电路采用高可靠性电阻，具有高精度、温度系数小、长期在轨稳定性高的特点，适用于恶劣的空间环境中。该电路将三相电压及电机中心点电压进行分压采集，通过各精密电阻的抗空间环境能力，保证反电势采集的准确性。
图3为本发明实施例提供的反电势过零检测电路。参照图3，绕组反电势经过采集电路，将电压缩小到-5v～ 5v范围内，经过一级运放进行隔离，将换相过程产生的干扰降低，然后通过比较器与参考零点电位进行比较，判断过零点，fpga根据过零信号拟合生成位置换相信号，并对拟合信号进行换相点补偿，从而获得较准确的位置信号。设计均采用抗空间电离总剂量、单粒子等空间环境的器件，能够防止电离总剂量效应、单粒子效应、以及真空效应对电路功能性能的影响。运放采用ad公司生产的ad620，比较器选用nsc公司的lm139，fpga选用actel公司的反熔丝型器件a54sx72a-1cq208b，fpga内部对位置信号及控制信号均采用三模冗余，防止单粒子打翻内部信号，避免电机相序失控。
fpga需要根据处理器输出的控制信号及采集到的反电动势信号在比较器阶段、自主控制阶段、停止工作阶段三个阶段中进行切换。
自主控制阶段用于电机起动时的控制。fpga接收处理器控制指令后，周期性生成拟合位置信号用于电机盲控起动。
比较器控制阶段用于电机无感运行后的控制。当处理器向fpga发送从自主控制阶段切换至比较器阶段的指令后，fpga需判断当前自主控制输出的相序与比较器控制阶段产生的相序是否一致，一致后方可切换。在该阶段中，采集电机转动时绕组产生的反电势，根据三个比较器器件采集到的三相绕组反电势状态，判断感应反电势过零点时刻，拟合生成位置信号。
停止工作阶段用于电机无感运行停止后的状态恢复。当处理器向fpga发送停止工作指令后，fpga根据pwm信号的减小持续输出位置拟合信号，当转速降低到一定值以后不再向外发送位置拟合信号。
图4为本发明实施例提供的控制信号与相序对应关系示意图。参照图4，fpga根据处理器写入的参数，产生对应控制信号输出给负载驱动模块。根据pwm的占空比输出6个pwm控制信号给电机功率驱动电路,若采集到无效信号，则保持前一状态。pwmha-1、pwmhb-1、pwmhc-1分别表示a相上桥臂控制信号、b相上桥臂控制信号、c相上桥臂控制信号；pwmla-1、pwmlb-1、pwmlc-1分别表示a相下桥臂控制信号、b相下桥臂控制信号、c相下桥臂控制信号。
图5为本发明实施例提供的相序与比较器采集对应关系示意图。参照图5，当fpga上电复位后(初始输出控制为0)，fpga控制并采集3组比较器信号，并根据当前控制相序控制并采集比较器信号，判断其过零点(0、1跳变)时机。图6为本发明实施例提供的六个pwm信号与反电势过零点信号的波形对应关系图。ua、ub和uc表示比较器向fpga输出的信号，其周期与pwm信号周期一致。根据pwm斩波信号，可以准确的识别出当前相序，判断出过零点位置及换相点位置。
图7为本发明实施例提供的拟合输出位置信号对应关系示意图。参照图7，fpga根据比较器控制模块对反电势过零判断信息，拟合生成位置传感器信号并输出。对应关系需根据电机不同而调整。
fpga根据处理器指令(工作模式)确定将比较器采集拟合产生的位置信号输出。
图8为本发明实施例提供的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统的流程示意图。参照图8，首先预定初始位置，即先给任意两相绕组通电，并持续一段时间，将转子磁极拖动到与电机定子合成磁势的位置上，从而确定转子的初始位置。当自主启动时，转子被准确吸合到预定的位置后，电机转速开始增加。若转速大于给定的值，则开始检测反动势过零点，为了保证电机具有足够大的转速以便检测到反电动势，本发明以一固定且较高占空比的pwm驱动信号启动电机，检测到过零点后延迟30°电角度切换到下一相序，fpga判断相序是否匹配，若相序匹配则切换到比较器模式，fpga根据比较器的输出信号甄别位置信息，调整换相点至准确的位置，电机开始加速，达到设定速度以后匀速稳定运行，发送停机指令后进行电机停机。
图9为本发明实施例提供的转速为2000r/min时采集的反电动势eb、相电流ib以及过零点检测信号的波形示意图；图10为本发明实施例提供的转速为500r/min时采集的反电动势eb、相电流ib以及过零点检测信号的波形示意图。参照图9以及图10，远离x轴的波形为反电势，中间波形为相电流，靠近x轴的波形为过零点信号，反电势经过比较器比较后产生过零点信号，图中只显示一相反电势波形及过零点信号，共三相反电势波形及过零点信号，转换关系参考图5。
远离x轴的波形为反电势，中间波形为相电流，靠近x轴的波形为位置拟合信号，反电势经过比较器比较后产生过零点检测信号，三相过零点检测信号采用特定编码生成位置拟合信号，用于电机转动换相，转换关系如图7所示。
试验用无刷直流电机的参数为：供电电压：90v～110vdc；额定输出功率：不小于600w；额定输入功率：≤850w；额定工作电流：8a；极对数：10对；电机内阻：0.5ω。
反电动势过零点检测信号(图中上升沿和下降沿)出现在未导通相绕组反电动势波形的中间位置，通过相位补偿后获得位置拟合信号，保证电机准确换相，保障电机可靠稳定运行不易失步，更好的保证空间在轨补加功能的顺利进行。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
1.一种用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，包括：
主控模块，包括：
处理器；
fpga，所述fpga接收所述处理器的指令，并给所述处理器反馈反电动势信号以及电机转速信号，所述fpga进行状态切换；
采集模块，包括：
反电势采集单元；
比较器，所述反电势采集单元输出电压变化量至所述比较器，所述比较器根据电压变化量输出高低电平至所述fpga进行逻辑运算。
2.如权利要求1所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，所述处理器是bm3803mgrh处理器。
3.如权利要求2所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，所述bm3803mgrh处理器采用哈佛结构，具有独立的指令总线和数据总线，分别与各自的cache控制器相连。
4.如权利要求1所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，在低速和高速时，分别在pwm关断和开通阶段检测反电势，采用两个不同的参考电压获得反电动势，并将端电压反电动势与中心点电压相减，采用过零点法初步获取电机换相位置。
5.如权利要求1所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，处理器通过转速闭环的方式输出换相信号、pwm信号给所述fpga。
6.如权利要求1所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，所述fpga需要根据所述处理器输出的控制信号及采集到的反电动势信号在比较器阶段、自主控制阶段、以及停止工作阶段进行切换。
7.如权利要求6所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，所述自主控制阶段为电机起动时的控制，所述fpga接收所述处理器控制指令后，周期性生成拟合位置信号使电机盲控起动。
8.如权利要求7所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，在所述比较器控制阶段为电机无感运行后的控制，当所述处理器向所述fpga发送从所述自主控制阶段切换至所述比较器阶段的指令后，所述fpga需判断当前自主控制输出的相序与所述比较器控制阶段产生的相序是否一致，一致后切换。
9.如权利要求8所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，采集电机转动时绕组产生的反电势，根据三个比较器器件采集到的三相绕组反电势状态，判断感应反电势过零点时刻，拟合生成位置信号。
10.如权利要求6所述的用于空间在轨补加的无刷电机反电势采集换相系统，其特征在于，所述停止工作阶段为电机无感运行停止后的状态恢复，当所述处理器向所述fpga发送停止工作指令后，所述fpga根据pwm信号的减小持续输出位置拟合信号，当转速降低到一定值以后不再向外发送位置拟合信号。
技术总结