阅读说明：本技术 一种高可靠性电机驱动控制装置及控制方法 (High-reliability motor drive control device and control method ) 是由 范红伟 张�浩 吴宣东 来海丰 张虎 高峤 刘建波 刘平顺 周良 逵振雨 于 2019-12-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高可靠性电机驱动控制装置及控制方法,控制装置包括功率单元和控制单元,功率单元包括第一逆变模块、第二逆变模块、输出切换模块；第一逆变模块、第二逆变模块分别通过输出切换模块连接电机；控制单元包括三个输入处理电路、第一表决器、三个中央处理模块、第二表决器、三个输出处理电路、第三表决器。所述的控制方法,三个输入处理电路的接收同一个信号并处理,第一表决器进行表决,表决后得到的信号分别传输至三个中央处理模块进行逻辑运算,第二表决器进行表决；表决后得到的信号分别传输至三个输出处理电路处理,第三表决器进行表决得到控制单元的输出信号,产生三层故障隔离区,保证控制单元逻辑控制输出的高可靠性。(The invention discloses a high-reliability motor drive control device and a control method, wherein the control device comprises a power unit and a control unit, wherein the power unit comprises a first inversion module, a second inversion module and an output switching module; the first inversion module and the second inversion module are respectively connected with the motor through the output switching module; the control unit comprises three input processing circuits, a first voter, three central processing modules, a second voter, three output processing circuits and a third voter. The control method comprises the steps that three input processing circuits receive and process the same signal, a first voter carries out voting, the signal obtained after voting is respectively transmitted to three central processing modules to carry out logical operation, and a second voter carries out voting; the signals obtained after voting are respectively transmitted to the three output processing circuits for processing, the third voter votes to obtain the output signals of the control unit, three layers of fault isolation regions are generated, and high reliability of logic control output of the control unit is guaranteed.)

一种高可靠性电机驱动控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动控制技术领域，尤其涉及一种高可靠性电机驱动控制装置及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电机驱动控制装置被广泛适用于工业自动化领域。电机驱动控制装置的高可靠性在高污染、高危险、高运维成本、高耗时等严酷环境下越来越重要，尤其是重要的工厂企业、医疗卫生、政府机构、科研单位、军工、核电、航空航天、深海开发、国防***门等单位，对电机驱动控制装置的可靠性要求越来越高。

目前，受电力电子技术发展的制约，通用驱动控制装置的可靠性和寿命都比较低，尤其是电源模块、功率模块、数字信号处理器和软件稳定性受温度、负载特性、运行周期等因素的影响，其可靠性和寿命都比较偏低。行业内提高电机驱动控制装置的可靠性，通常采用双装置冗余设计或/和中央处理模块设计。但是，采用双装置冗余设计或/和双中央处理模块设计具有一定的局限性：

1）双中央处理模块冗余设计结构，体积较大，在空间有限的航空航天、军工核电、深海开发等装置上应用具有一定的局限性；

2）双中央处理模块，难以快速可靠的判断出输出不同运输结果的两个数字信号处理器哪一个是正确的；

3）双装置冗余结构运行时，若其中一台错误输出运行而未报警，导致控制装置错误运行；

4）双装置冗余设计结构，即使在热备状态和使用高速通讯线缆，其中一台故障报警切换到另一台正常运行，切换时间都要影响到驱动电机的可靠运行；

因此，这种双装置冗余或/和双中央处理模块结构无法保证在严酷条件下高可靠性运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种高可靠性电机驱动控制装置及控制方法，装置体积小，切换时间短，适用范围广，功率单元输出的电机控制信号具有高稳定性和高可靠性；控制方法能够有效区分并隔离错误信号，提升控制单元输出的控制信号的正确性、稳定性和高可靠性。

本发明采用的技术方案为：

一种高可靠性电机驱动控制装置，包括功率单元和控制单元，所述的功率单元包括第一逆变模块、第二逆变模块、输出切换模块；第一逆变模块、第二逆变模块的功率输出端分别通过输出切换模块连接电机的输入端；

所述的控制单元包括三个输入处理电路、第一表决器、三个中央处理模块、第二表决器、三个输出处理电路、第三表决器；

所述的三个输入处理电路的信号输入端分别接收同一个信号，三个输入处理电路分别对接收的信号进行处理，并将处理后的信号分别传输至第一表决器中；

第一表决器用于对接收到的三个信号进行表决，并将表决后得到的信号分别传输至三个中央处理模块；

所述的三个中央处理模块分别接收第一表决器输出的同一个信号，三个中央处理模块分别对接收的信号进行逻辑运算，并分别将运算得到的信号传输至第二表决器；

第二表决器用于对接收到的三个信号进行表决，并将表决后得到的信号分别传输至三个输出处理电路；

所述的三个输出处理电路分别接收第二表决器发送的同一个信号，三个输入处理电路分别对接收的信号进行处理，并分别将处理后的信号传输至第三表决器；

第三表决器用于对接收的三个信号进行表决，得到控制单元的输出信号。

所述的三个中央处理模块，任意一个中央处理模块分别与其余两个中央处理模块通讯连接。

所述的切换模块包括第一逆变模块开关电路、第二逆变模块开关电路和开关互锁电路；

第一逆变模块开关电路接收控制单元的输出的切换控制信号，控制第一逆变模块和电机输入端的电路通断；

第二逆变模块开关电路接收控制单元的输出的切换控制信号，控制第二逆变模块和电机输入端的电路通断；

开关互锁电路用于实现第一逆变模块开关电路和第二逆变模块开关电路之间的电气互锁。

所述的功率单元还包括整流模块和滤波模块；

所述的整流模块的输入端连接外部交流电源，整流模块的输出端连接滤波模块输入端，滤波模块的输出端分别与第一逆变模块、第二逆变模块和控制单元的供电端电连接。

所述的控制单元还包括DC-DC电源转换模块和AC-DC电源转换模块；所述的AC-DC电源转换模块的输入端连接外部交流电源，DC-DC电源转换模块连接滤波模块输出端，DC-DC电源转换模块和AC-DC电源转换模块的输出端均与控制单元供电端电连接。

一种基于所述装置的电机驱动控制方法，包括以下步骤：

步骤1：同一信号分别传输至三个输入处理电路；各个输入处理电路分别对接收的信号进行处理，并将处理得到的信号传输至第一表决器中；第一表决器通过多数表决机制进行表决；

步骤2：第一表决器将表决得到的信号分别传输至三个中央处理模块中；每个中央处理模块分别对接收的信号进行逻辑运算，并将运算得到的信号分别传输至第二表决器中；第二表决器通过多数表决机制进行表决；

步骤3：第二表决器将将表决得到的信号分别传输至三个输出处理电路中；每个输出处理电路分别对接收的信号进行处理，并将处理得到的信号分别传输至第三表决器中；第一表决器通过多数表决机制进行表决，得到控制单元输出信号；

步骤4：第一逆变模块和第二逆变模块均接收到控制单元输出的逆变器控制信号；当第一逆变模块正常输出时，第二逆变模块处于热备状态；当第一逆变模块发生故障时，控制单元输出用于控制输出切换模块的切换控制信号，输出切换模块的第一逆变模块开关电路断开，第二逆变模块开关电路导通，第二逆变模块输出功率电源控制电机运转。

所述的电机驱动控制方法，任意一个中央处理模块发生故障，三个中央处理模块相互通讯，并发送报警信号至外部的报警系统。

本发明所述的一种高可靠性驱动控制装置，利用控制单元三路冗余三层故障的多数表决机制，产生三层故障隔离区，提高控制单元快速响应能力和容错能力，保证控制单元逻辑控制输出的正确性、稳定性和高可靠性。

进一步的，所述的控制装置的控制机构结构上采用DC-DC电源转换模块和AC-DC电源转换模块异路供电、双逆变器串接输出切换模块并联冗余输出、控制单元单元软硬件冗余设计，较双装置冗余结构体积大大减小，可靠性显著提高，可广泛应用于航空航天、深海开发、军工核电等领域。

更进一步的，本发明所述的控制装置利用控制单元三路数字处理器冗余并相互高速通讯，提高驱动控制装置内部模块电路和外部连接模块电路状态运行的实时监测、故障预警、诊断、分析和处理能力；同时配合硬件电路结构设计，提高故障可在线维修性，保证驱动控制装置及系统运行的稳定性和高可靠性。

本发明所述的驱动控制方法，通过三层表决，保证输出结果的正确性和准确性，同时隔离表决器各层故障，提高了控制单元快速响应能力和容错能力，保证控制单元输出的正确性、稳定性和高可靠性。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本实施例的控制单元原理图；

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括功率单元和控制单元，所述的功率单元包括整流模块、滤波模块、第一逆变模块、第二逆变模块、输出切换模块；第一逆变模块、第二逆变模块的功率输出端分别通过输出切换模块连接电机的输入端；所述的整流模块的输入端连接外部交流电源，整流模块的输出端连接滤波模块输入端，滤波模块的输出端分别与第一逆变模块、第二逆变模块的供电端电连接。

所述的控制单元包括DC-DC电源转换模块、AC-DC电源转换模块、三个输入处理电路、第一表决器、三个中央处理模块、第二表决器、三个输出处理电路、第三表决器；

所述的AC-DC电源转换模块的输入端连接外部交流电源，DC-DC电源转换模块连接滤波模块输出端，DC-DC电源转换模块和AC-DC电源转换模块的输出端均与控制单元供电端电连接。

DC-DC电源转换模块和AC-DC电源转换模块作为控制单元的电源，由所述的功率单元直流母线端（即滤波模块输出端）供电和功率单元输入端（即外部交流电源）供电；采用双电源模块冗余结构，为整个控制单元（包括外控电路）提供高稳定高可靠的电源，确保控制单元供电的高稳定性和高可靠性。

所述的三个输入处理电路的信号输入端分别接收同一个信号，三个输入处理电路分别对接收的信号进行处理，并将处理后的信号分别传输至第一表决器中；

第一表决器用于对接收到的三个信号进行表决，并将表决后得到的信号分别传输至三个中央处理模块；

所述的三个中央处理模块分别接收第一表决器输出的同一个信号，三个中央处理模块分别对接收的信号进行逻辑运算，并分别将运算得到的信号传输至第二表决器；

第二表决器用于对接收到的三个信号进行表决，并将表决后得到的信号分别传输至三个输出处理电路；

所述的三个输出处理电路分别接收第二表决器发送的同一个信号，三个输入处理电路分别对接收的信号进行处理，并分别将处理后的信号传输至第三表决器；

第三表决器用于对接收的三个信号进行表决，得到控制单元的输出信号。

所述的三个中央处理模块，任意一个中央处理模块分别与其余两个中央处理模块通讯连接。

本实施例中，所述的三个中央处理模块均采用数字处理器DSP。

所述的控制单元包括三路并联冗余结构的输入处理电路和第一表决器，同一信号分别经过所述的三路并联冗余结构的输入处理电路，所述的三路并联冗余结构的输入处理电路分别将处理后的信号输入到所述的第一表决器，所述的第一表决器通过2OO3的多数表决机制输出特定的信号数据，分三路传输给所述的三个中央处理模块；

所述的中央处理模块是接收经过输入处理电路处理和第一表决器表决的信号，进行分析和逻辑运算，输出指令、报警和状态信号。

所述的主控单元主要包括三路并联冗余结构的数字处理器DSP和第二表决器；所述的三路并联冗余结构的数字处理器DSP接收所述的第一表决器输出的同一信号后分别经过分析和逻辑运算，将结果分别输出一路到所述的第二表决器，所述的第二表决器通过2OO3的多数表决机制输出特定的信号数据，分三路传输给所述的输出处理电路。

所述的三路并联冗余结构的输出处理电路分别将处理后的信号输入到所述的第三表决器，所述的第三表决器通过2OO3的多数表决机制输出信号数据。

所述的三路并联冗余结构的数字处理器DSP相互之间通过高速通讯线缆交互传递状态信息。

本发明所述的一种高可靠性驱动控制装置，利用控制单元三路冗余三层故障2OO3的多数表决机制，产生三层故障隔离区，提高控制单元快速响应能力和容错能力，保证控制单元逻辑控制输出的正确性、稳定性和高可靠性。

进一步的，所述的控制装置的控制机构结构上采用DC-DC电源转换模块和AC-DC电源转换模块异路供电、双逆变器串接输出切换模块并联冗余输出、控制单元单元软硬件冗余设计，较双装置冗余结构体积大大减小，可靠性显著提高，可广泛应用于航空航天、深海开发、军工核电等领域。

更进一步的，本发明所述的控制装置利用控制单元三路数字处理器冗余并相互高速通讯，提高驱动控制装置内部模块电路和外部连接模块电路状态运行的实时监测、故障预警、诊断、分析和处理能力；同时配合硬件电路结构设计，提高故障可在线维修性，保证驱动控制装置及系统运行的稳定性和高可靠性。

本实施例中，具体的，所述的切换模块包括第一逆变模块开关电路、第二逆变模块开关电路和开关互锁电路；

第一逆变模块开关电路接收控制单元的驱动控制信号，控制第一逆变模块和电机输入端的电路通断；

第二逆变模块开关电路用于接收控制单元的驱动控制信号控制第二逆变模块和电机输入端的电路通断；

开关互锁电路用于实现第一逆变模块开关电路和第二逆变模块开关电路之间的电气互锁。

第一逆变模块开关电路与第二逆变模块开关电路通过开关互锁电路在电气结构上互锁，而且所接收的切换控制信号在逻辑上互锁，确保第一逆变模块和第二逆变模块成功切换，从而确保功率单元输出的高稳定性和高可靠性。

本发明所述的电机驱动控制方法，包括以下步骤：

步骤1：同一信号分别传输至三个输入处理电路；各个输入处理电路分别对接收的信号进行处理，并将处理得到的信号传输至第一表决器中；第一表决器通过多数表决机制进行表决；

步骤2：第一表决器将表决得到的信号分别传输至三个中央处理模块中；每个中央处理模块分别对接收的信号进行逻辑运算，并将运算得到的信号分别传输至第二表决器中；第二表决器通过多数表决机制进行表决；

步骤3：第二表决器将将表决得到的信号分别传输至三个输出处理电路中；每个输出处理电路分别对接收的信号进行处理，并将处理得到的信号分别传输至第三表决器中；第三表决器通过多数表决机制进行表决，得到控制单元输出信号；

步骤4：第一逆变模块和第二逆变模块均接收到控制单元输出的逆变器控制信号；当第一逆变模块正常输出时，第二逆变模块处于热备状态；当第一逆变模块发生故障时，控制单元输出用于控制输出切换模块的切换控制信号，输出切换模块的第一逆变模块开关电路断开，第二逆变模块开关电路导通，第二逆变模块输出功率电源控制电机运转。

优选的，任意一个中央处理模块发生故障，三个中央处理模块相互通讯，并发送报警信号至外部的报警系统。

控制单元三路数字处理器冗余并相互高速通讯，提高了所述的驱动控制装置内部模块电路和外部连接模块电路状态运行的实时监测、故障预警、诊断、分析和处理能力；同时配合硬件电路结构设计，提高故障可在线维修性，保证驱动控制装置及系统运行的稳定性和高可靠性。

如图2所示，以下分别给出模拟信号和数字信号的三层表决过程的实施例。

驱动控制装置内部或外部装置的同一采样数字量信号分别输入到输入处理电路I-1、I-2和I-3，输入处理电路I-1、I-2和I-3将运算输出结果1、1、0分别输入到第一表决器，第一表决器通过多数表决机制输出预处理信号数据1，三路并联冗余结构的数字处理器DSP-1、数字处理器DSP-2、数字处理器DSP-3接收预处理信号数据1后，分别经过分析和逻辑运算，将结果1、1、1分别传输至第二表决器。第二表决器根据三路数字处理器的输出结果基于2OO3的多数表决机制进行表决，表决后输出的预输出信号数据1。

由于数据处理电路I-1、I-2和I-3的运算输出结果1、1、0，数据处理电路I-3的运算过程是错误的，但是通过第一表决器的隔离，数字处理器DSP-1、数字处理器DSP-2、数字处理器DSP-3均收到了正确的预处理信号数据1。

预输出信号数据1输入到输出处理电路O-1、O-2和O-3中，该三路输出处理电路将运算输出结果1、0、0分别输入到第三表决器，第三表决器基于2OO3的多数表决机制输出进行表决的控制信号数据0给功率单元，即使输出处理电路O-1的运算是错误的，控制单元依然能够控制整个驱动控制装置的正常运行。

驱动控制装置内部或外部装置的同一采样模拟量信号分别输入到输入处理电路I-1、I-2和I-3，输入处理电路I-1、I-2和I-3将运算输出结果分别输入到第一表决器，第一表决器基于2OO3的多数表决机制进行表决，输出信号数据。

三路并联冗余结构的数字处理器DSP-1、DSP-2、DSP-3接收第一表决器输出的信号数据后分别经过分析和逻辑运算，将结果分别输出第二表决器，第二表决器根据三路数字处理器DSP-1、DSP-2、DSP-3的输出结果基于2OO3的多数表决机制进行表决，表决后输出的信号数据输入到输出处理电路O-1、O-2和O-3，该三路输出处理电路将运算输出结果分别输入到第三表决器，第三表决器通过多数表决机制输出的模拟量信号数据给功率单元，控制整个驱动控制装置的正常运行。

控制单元的输入处理电路I-1、I-2、I-3、数字处理器DSP-1、DSP-2、DSP-3和输出处理电路O-1、O-2、O-3的输出结果基于2OO3的多数表决机制进行表决时，输出模拟量信号偏差较小两路的平均值，避免其中一路发生故障输出较大偏差模拟量数据，保证输出结果的正确性和准确性。

本发明所述的驱动控制方法，保证输出结果的正确性，同时隔离三层表决模块各层故障，提高了控制单元快速响应能力和容错能力，保证控制单元数字处理器输出的正确性、稳定性和高可靠性。