CN103701397B - 一种带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置，其主要包括单相可控整流模块、三相逆变模块、DSP控制模块、高压DC/DC模块、低压DC/DC模块。该装置正常运行时，DSP控制模块首先通过可控整流模块调节母线电压至起动电压值，然后控制三相逆变模块驱动永磁电机运行，并逐步提高母线电压至额定值，系统同时通过电压传感器监控外部交流电源，如果外部电力失效，那么DSP控制模块控制高压DC/DC变换器模块运行，并关闭可控整流模块和三相逆变模块，此时永磁电机进入发电模式，系统依靠电机回馈的能量通过高压DC/DC模块和低压DC/DC模块转化为磁轴承的功率电源和控制电源，实现磁悬浮分子泵系统在外部电力失效情况下的补偿功能。

Description

一种带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置
技术领域
本发明涉及一种带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置，能够驱动高速磁悬浮永磁电机，实现软起动功能，同时在外部电力失效时，能够通过控制开关电源变换装置将永磁电机回馈的能量转换为所需的电源类型，实现对磁轴承电源系统的实时补偿，防止转子在工作时直接跌落在转子上，特别适用于对于电源可靠性要求苛刻的高速磁悬浮分子泵电机控制系统。
背景技术
分子泵是获得超高真空环境的高端科学仪器设备的关键核心部件，是我国尖端科学仪器、国防领域核心器件、高技术产业工艺装备研制必不可少的关键仪器设备。根据转子的支承方式，分子泵分为机械轴承分子泵和磁悬浮分子泵。和机械轴承分子泵相比，磁悬浮分子泵采用磁悬浮电机系统作为驱动装置，转速高，抽速大，压缩比大，无需润滑，不存在油扩散污染，无摩擦，寿命长。
磁轴承系统采用电磁力来支承转子，对于电源可靠性要求极高，传统的磁悬浮分子泵电机驱动系统并不具备磁轴承电力失效补偿的功能。磁悬浮分子泵一般采用不间断电源系统或者使用基于电机能量回馈的开关电源装置，具备一定的电力失效补偿能力，其中不间断电源系统必须使用化学电池，增加了系统硬件和维护成本，而基于电机能量回馈的开关电源使用的是集成的模拟控制芯片，采用传统的模拟控制方法，这种控制方式对于开关电源变换器的非线性和参数时变特性无法进行有效补偿，此外其工作独立于电机的驱动装置，无法和整个分子泵控制系统进行有效通讯，限制了系统电源转换效率的进一步提高。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有磁悬浮分子泵系统电力失效补偿时所采用的的开关电源系统无法对于开关变换器所具有的非线性和参数时变特性进行有效控制的不足，提出一种以DSP为核心，基于数字控制技术的，带有电力失效补偿功能的磁悬浮永磁电机控制装置。
本发明的技术解决方案：一种带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置，包括：
单相可控整流模块2：与DSP控制器模块3相连接，输入220V单相交流电，DSP控制模块3以霍尔电压传感器4的输出作为反馈，通过电压闭环控制输出相控整流信号，控制单相可控整流模块2实现AC/DC相控整流，输出0V～310V可调的直流电压，为三相逆变桥模块8提供直流母线电压；
DSP控制器模块3：作为整个电机控制装置的核心模块，与单相可控整流模块2、三相逆变桥模块8、高压DC/DC模块6、低压DC/DC模块7相连接，通过霍尔电压传感器4的输出作为反馈，产生相控整流信号，控制单相可控整流模块2实现AC/DC可控整流，通过霍尔电流传感器5的输出作为反馈，使用电流转速双闭环电机控制器产生PWM信号，控制三相逆变桥模块8，实现对永磁电机11的驱动，通过对电压传感器1的输出进行监控，在外部电力失效时，采用电压传感器4的输出作为反馈，通过电压控制器产生PWM信号，控制高压DC/DC模块6，实现对永磁电机的回馈能量进行转换，得到磁轴承功放系统电源，另外低压DC/DC模块7在系统外部电力失效时，输出+5V和+15V为DSP控制器模块3供电；
高压DC/DC模块6：与DSP控制器模块3、低压DC/DC模块7以及磁轴承功放系统9相接，正常工作时DSP控制器模块3关闭PWM信号，高压DC/DC模块6不工作，当外部电力失效时，DSP控制器模块3根据电压传感器4以及预定值，通过电压闭环非线性滑模控制器产生PWM信号，驱动高压DC/DC模块6，实现对于电机回馈能量的转换，输入为电机直流母线电压，输出+28V，为磁轴承功放系统9和低压DC/DC模块7提供直流电源；
低压DC/DC模块7：与高压DC/DC模块6、DSP控制器模块3和磁轴承控制系统10相连接，正常运行时不工作，而当外部电力失效时，高压DC/DC模块6输出+28V直流电压作为其输入，通过隔离DC/DC模块转化为+5V和+15V，为DSP控制模块3提供控制电源；
三相逆变桥模块8：与单相可控整流模块2和DSP控制器模块3输出相连接，输入相控整流出的直流电压，DSP控制器模块3根据电流传感器5的输出作为反馈，按照给定的转速，通过电流转速双闭环控制器输出PWM信号，控制三相逆变桥模块8将直流电压逆变为三相交流电压，驱动永磁电机11。
所述的带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置，所述DSP控制器模块3采用TMS320F28335浮点型DSP作为核心控制芯片。
所述的带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置，所述电机控制装置采用单相可控整流模块取代了传统不同整流桥，并将整流桥控制软件算法和永磁电机驱动算法使用单片DSP控制器实现，且电机的软起动过程为：
（1）DSP控制模块3控制单相可控整流模块2实现AC/DC转换，输出预设的软起动电压，此时DSP控制模块3控制三相逆变桥模块8关闭；
（2）DSP控制模块3通过电压传感器4监测母线电压，当系统达到预设的软起动电压，DSP控制模块3输出6路PWM信号，采用三相六拍的驱动方式，PWM采用H_PWM_L_ON的调制方式，控制逆变桥，驱动电机，且PWM占空比从0升至50%，电机开始加速；
（3）DSP控制模块3控制单相可控整流模块2逐渐升高直流母线电压至电机额定电压，此过程中DSP控制器模块3保持驱动三相逆变桥模块8的PWM占空比50%；
（4）DSP控制模块3控制单相可控整流模块2的输出稳定在电机额定电压，采用电流传感器5的输出、电机转速估计值以及转速预设值，使用电流转速双闭环PI调节器来计算控制量，转化为PWM信号，输出至三相逆变桥模块8，实现系统电机起动从开环控制至闭环控制的切换。
所述的带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置，外部电力失效时，带有电力失效补偿功能的磁悬浮永磁电机控制装置的处理过程为：
（1）DSP控制器模块3首先进行故障诊断，进行现场控制参数的存储；
（2）DSP控制器模块3根据预设值和电压传感器4控制高压DC/DC模块输出+28V，同时关闭三相逆变桥模块8和单相可控整流模块2；
（3）DSP控制器模块3根据电压传感器4，监测电机直流母线电压低于+30V时，逐步降低给定值，直至低于+15V，低压DC/DC模块停止工作，整个系统停止工作。
本发明的原理：本发明功能上分为电机驱动装置和电力失效补偿装置，电机正常运行时，DSP控制器模块首先通过控制单相可控整流模块和三相逆变器模块实现软起动功能，然后固定母线电压，通过电流传感器的反馈，采用PI控制器，实现电机的电流转速双闭环调速系统，此时电力失效补偿装置不工作；系统外部电力出现失效时，DSP控制器关闭三相逆变器模块和单项可控整流模块，此时磁悬浮永磁电机工作在发电模式下，DSP控制器根据母线电压数值，采用非线性滑模控制器，对电力失效补偿装置中的高压DC/DC开关变换器模块进行电压闭环控制，将永磁电机回馈的能量转化为磁轴承功放电源，同时通过低压DC/DC变换器模块转化为电机和磁轴承控制电源，从而实现磁轴承系统的电力失效补偿。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明是将电力失效补偿装置和永磁电机驱动装置集成在一起，采用DSP控制器进行统一控制，在正常情况下DSP控制器通过整流和逆变装置驱动磁悬浮永磁电机，在电机外部电力失效情况下，DSP控制器控制非线性控制器控制电力失效补偿装置中的开关变换器，进行电源转换，对磁轴承系统进行电力失效补偿，与现有的磁悬浮分子泵电机驱动装置相比具有以下特点：
（1）本发明将电力失效补偿装置集成到电机控制系统中，采用DSP控制器进行基于数字控制算法的统一处理，在电力正常时，DSP控制器驱动永磁电机运行，而在外部电力失效时，DSP控制器则控制电力失效补偿装置中的开关变换器进行电力变换，和传统将分子泵电机驱动装置和开关电源系统分开控制的方法相比，能够提高系统的集成度和通用性，无需对开关电源系统进行特殊要求。
（2）本发明的电力失效补偿装置中的开关变换器控制采用基于数字控制算法的非线性滑模控制器，和传统的基于模拟控制方法的开关电源相比，能够有效的补偿开关变换器的非线性和参数时变特性，提高系统的响应速度和鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的电机电流转速双闭环控制框图；
图3为本发明的开关变换器电压闭环控制系统框图；
图4为本发明的单相可控整流模块电路；
图5为本发明的三相逆变器模块电路；
图6为本发明的高压DC/DC变换器模块电路；
图7为本发明的软件工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明主要包括可控整流模块2、三相逆变模块8、DSP控制模块3、高压DC/DC模块6和低压DC/DC模块7。该装置正常运行时，DSP控制模块3首先通过单相可控整流模块2调节母线电压至起动电压值，然后控制三相逆变模块8驱动永磁电机运行，并逐步提高母线电压至额定值，DSP控制模块3输出6路PWM信号，采用三相六拍的驱动方式，PWM采用“H_PWM_L_ON”的调制方式，控制逆变桥，驱动电机，且PWM占空比从0升至50%，电机开始加速，DSP控制模块3通过电压传感器4检测母线电压，同时控制单相可控整流模块2逐渐升高直流母线电压至电机额定电压，此过程中DSP控制器模块3保持驱动三相逆变桥模块8的PWM占空比50%，DSP控制模块3控制单相可控整流模块2的输出稳定在电机额定电压，采用电流传感器5的输出、电机转速估计值以及转速预设值，使用电流转速双闭环PI调节器来计算控制量，转化为PWM信号，输出至三相逆变桥模块8，实现系统电机起动从开环控制至闭环控制的切换，系统同时通过电压传感器1监控外部交流电源，外部电力失效时，DSP控制模块3控制高压DC/DC变换器6模块运行，关闭单相可控整流模块2和三相逆变模块8，此时永磁电机进入发电模式，系统依靠电机回馈的能量通过高压DC/DC模块6和低压DC/DC模块7转化为磁轴承的功率电源和控制电源，实现磁悬浮分子泵系统在外部电力失效情况下的补偿功能。
如图2所示，给出了本发明的电机电流转速双闭环控制结构框图，电机根据系统的预设值和实际估计的转速的差，输送给DSP控制系统模块中的PI转速控制器，经过计算得出电机的输出电磁力矩，将对应的电流给定送给DSP控制系统模块中的PI电流传感器，计算出系统的PWM控制量，采用“H_PWM_L_ON”的调制方式，控制三相逆变桥，实现电机的电流转速双闭环控制系统。
如图3所示，给出了本发明的开关变换器电压闭环控制系统结构框图，系统首先获得给定参考电压，然后根据输出电压传感器得到的输出电压反馈，输入DSP控制系统模块中，通过非线性滑模控制器计算出PWM控制量，控制高压DC/DC变换器的开关管，实现电压闭环控制系统，另外为了克服系统参数的时变特性，采用了卡尔曼滤波器Q(s)对系统参数实时在线估计，根据估计参数进行控制参数的在线调整，最终实现基于非线性滑模控制的电流电压双闭环控制系统。
如图4所示，给出了本发明的单相可控整流模块电路，该电路包括DA芯片和单相全隔离桥式全控整流调压器模块。DSP控制系统模块根据要求计算出所需控制量，通过SPI总线和DA芯片进行通讯，控制DA输出0～+5V模拟量，控制单相全隔离桥式全控整流调压器模块，对单相交流电进行相控整流，从而控制输出的直流电压。
如图5所示，给出了本发明的逆变模块电路，该功率器件采用了Fairchild公司的SPM芯片FSBB30CH60，该芯片耐压600V，额定电流30A，逆变模块工作时，DSP控制模块根据控制需求输出的6路PWM控制信号，通过隔离芯片输送给FSBB30CH60芯片，从而控制三相逆变桥的开关，对母线电压进行逆变，驱动电机。系统在工作时，只需一路+15V功率电源，通过Rbs1、Rbs2、Rbs3、Dbs1、Dbs2、Dbs3、Cbs1、Cbs2和Cbs3组成的自举电路进行供电，节省了驱动电源，降低成本。
如图6所示，给出了本发明的高压DC/DC模块电路，该电路采用基于Buck结构的DC/DC变换器结构，输入为电机系统的母线电压，开关管采用1200VIGBT，能够兼容单相和三相交流电源供电的电机控制系统，高压直流电源通过R1和R2NTC电阻限制了母线电容Cdc1、Cdc2、Cdc3和Cdc4充电电流，然后通过Q2、L1、D2和C3组成的Buck变换器将直流电压转换为交流电压，U1和U3为霍尔电压传感器，为控制系统提供Buck变换器的反馈电压和输入电压，，Buck变换器输出经过二极管D3防止电流倒流。
如图7所示，给出了本发明的软件控制流程图，系统上电后，进行系统的开机自检，系统通过各个传感器检测电压、电流的测量值以及开关管状态是否正常，如果各硬件正常且外部电源没有出现电力故障，那么系统进入待机状态，如果上位机给定指令起动电机，首先DSP控制模块控制单相整流模块调节母线电压直至预设的启动电压值，然后逐步提升逆变器的PWM占空比，接着电机开始执行电机的电流转速双闭环控制算法，DSP控制模块通过同时控制单相整流模块和逆变器模块，进行电机的调速控制，直至电机达到额定转速。电机工作期间，DSP控制系统始终通过外置电压传感器监控系统的外部电源，如果系统出现电力故障，那么系统进入电力补偿模式，首先系统采用电压闭环控制高压DC/DC模块输出+28V，然后关闭单相整流调压模块和逆变器模块，利用电机反馈回直流母线的能量进行电源转换供给分子泵控制系统，实现磁轴承系统的电力补偿功能，当母线电压低于+30V时，DSP控制模块自动成比例降低系统输出电压，位置输出电压为输入电压的80%直至系统最终停止工作。
本发明虽为带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵电机控制装置，但也可以作为一种通用的磁悬浮永磁电机驱动装置，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改系统硬件参数来灵活方便地实现其功能。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵永磁电机控制装置，其特征在于：该装置包括：
单相可控整流模块(2)：与DSP控制器模块(3)相连接，输入220V单相交流电，DSP控制器模块(3)以第二霍尔电压传感器(4)的输出作为反馈，通过电压闭环控制输出相控整流信号，控制单相可控整流模块(2)实现AC/DC相控整流，输出0V～310V可调的直流电压，为三相逆变桥模块(8)提供直流母线电压；
DSP控制器模块(3)：作为整个永磁电机控制装置的核心模块，与单相可控整流模块(2)、三相逆变桥模块(8)、高压DC/DC模块(6)、低压DC/DC模块(7)相连接，通过第二霍尔电压传感器(4)的输出作为反馈，产生相控整流信号，控制单相可控整流模块(2)实现AC/DC可控整流，通过霍尔电流传感器(5)的输出作为反馈，使用电流转速双闭环永磁电机控制器产生PWM信号，控制三相逆变桥模块(8)，实现对永磁电机(11)的驱动，通过对第一电压传感器(1)的输出进行监控，在外部电力失效时，采用第二霍尔电压传感器(4)的输出作为反馈，通过电压闭环PI控制器产生PWM信号，控制高压DC/DC模块(6)，实现对永磁电机的回馈能量进行转换，得到磁轴承功放系统电源，另外低压DC/DC模块(7)在系统外部电力失效时，输出+5V和+15V为DSP控制器模块(3)供电；
高压DC/DC模块(6)：与DSP控制器模块(3)、低压DC/DC模块(7)以及磁轴承功放系统(9)相接，正常工作时DSP控制器模块(3)关闭PWM信号，高压DC/DC模块(6)不工作，当外部电力失效时，DSP控制器模块(3)根据第二霍尔电压传感器(4)以及预定值，通过电压闭环PI控制器产生PWM信号，驱动高压DC/DC模块(6)，实现对于永磁电机回馈能量的转换，输入为永磁电机直流母线电压，输出+28V，为磁轴承功放系统(9)和低压DC/DC模块(7)提供直流电源；
低压DC/DC模块(7)：与高压DC/DC模块(6)、DSP控制器模块(3)和磁轴承控制系统(10)相连接，正常运行时不工作，而当外部电力失效时，高压DC/DC模块(6)输出+28V直流电压作为其输入，通过隔离DC/DC模块转化为+5V和+15V，为DSP控制器模块(3)提供控制电源；
三相逆变桥模块(8)：与单相可控整流模块(2)和DSP控制器模块(3)输出相连接，输入相控整流出的直流电压，DSP控制器模块(3)根据霍尔电流传感器(5)的输出作为反馈，按照给定的转速，通过电流转速双闭环永磁电机控制器输出PWM信号，控制三相逆变桥模块(8)将直流电压逆变为三相交流电压，驱动永磁电机(11)。
2.根据权利要求1所述的带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵永磁电机控制装置，其特征在于：所述DSP控制器模块(3)采用TMS320F28335浮点型DSP作为核心控制芯片。
3.根据权利要求1所述的带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵永磁电机控制装置，其特征在于：所述永磁电机控制装置采用单相可控整流模块取代了传统的整流桥，并将整流桥控制软件算法和永磁电机驱动算法使用单片DSP控制器实现，且永磁电机的软起动过程为：
(1)DSP控制器模块(3)控制单相可控整流模块(2)实现AC/DC转换，输出预设的软起动电压，此时DSP控制器模块(3)控制三相逆变桥模块(8)关闭；
(2)DSP控制器模块(3)通过第二霍尔电压传感器(4)监测母线电压，当系统达到预设的软起动电压，DSP控制器模块(3)输出6路PWM信号，采用三相六拍的驱动方式，PWM采用H_PWM_L_ON的调制方式，控制逆变桥，驱动永磁电机，且PWM占空比从0升至50％，永磁电机开始加速；
(3)DSP控制器模块(3)控制单相可控整流模块(2)逐渐升高直流母线电压至永磁电机额定电压，此过程中DSP控制器模块(3)保持驱动三相逆变桥模块(8)的PWM占空比50％；
(4)DSP控制器模块(3)控制单相可控整流模块(2)的输出稳定在永磁电机额定电压，采用霍尔电流传感器(5)的输出、永磁电机转速估计值以及转速预设值，使用电流转速双闭环永磁电机控制器来计算控制量，转化为PWM信号，输出至三相逆变桥模块(8)，实现系统永磁电机起动从开环控制至闭环控制的切换。
4.根据权利要求1所述的带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵永磁电机控制装置，其特征在于：外部电力失效时，带有电力失效补偿功能的磁悬浮分子泵永磁电机控制装置的处理过程为：
(1)DSP控制器模块(3)首先进行故障诊断，进行现场控制参数的存储；
(2)DSP控制器模块(3)根据预设值和第二霍尔电压传感器(4)控制高压DC/DC模块输出+28V，同时关闭三相逆变桥模块(8)和单相可控整流模块(2)；
(3)DSP控制器模块(3)根据第二霍尔电压传感器(4)，监测永磁电机直流母线电压低于+30V时，逐步降低给定值，直至低于+15V，低压DC/DC模块停止工作，整个系统停止工作。
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