CN106227099A - 一种双绕组永磁同步电机的协同控制系统 - Google Patents

一种双绕组永磁同步电机的协同控制系统 Download PDF

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周勇
王嫚
刘奇
韩雁婷
米彦昭
陈龙
朱忠良
李亚杰
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B2219/24—Pc safety
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Abstract

本发明提供了一种双绕组永磁同步电机的协同控制系统，包括两套结构相同的控制器，分别对于控制两台双绕组永磁同步电机，在硬件结构上采用完全电气双余度结构，在通信部分以及旋变信号解算部分等要求可靠性高的部分实现了余度备份策略，提高了控制系统工作的可靠性；在软件控制方面，两套控制器之间的DSP模块通过SPI进行通信，在正常工作的情况下两者互相监督，在出现故障的时候能够实现故障的快速隔离；该控制系统采用了系统反馈交叉算法，解决了运行过程中两个电机之间出现电磁转矩不平衡而导致的电机功率增加的问题，进一步提高了系统性能。

Description

一种双绕组永磁同步电机的协同控制系统
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种具有余度保障的双绕组永磁同步电机的协同控制系统。
背景技术
现代复杂运动条件下的运动控制系统中，如何提高运动的可靠性是一个很重要的问题。余度是提高可靠性的一种有效方法，常见的是使用单电机单控制器进行工作，例如专利申请号为201310609797.0的发明“一种面向双余度电机的分布式冗余通用控制器”提出了一种使用单个控制器来控制余度电机的控制方法，这样仅可以实现基本的冗余控制，但是一旦通信部分或DSP出现故障，整个系统将处于不可控制的状态。为此，在运动系统中采用两台电机，使用两套控制器实现余度备份，当其中一个电机出现故障时，系统可以从双机工作模式切换到单机工作模式，提高了系统的可靠性。专利申请号为200610164920.2的发明“双电机冗余控制系统”采用了两套控制器来控制两台电机，但是在上下位机之间的通信和旋变解算模块并未提供相应的余度备份模块，且针对两个电机之间的电磁转矩不平衡方面并没有给出有效的解决方法，因此，提高余度电机控制系统的可靠性并且解决它们之间的电磁转矩不平衡问题至关重要。
发明内容
为了克服现有技术单控制器控制单一、故障隔离能力不足和通信能力不强的问题，本发明提出了一种双绕组永磁同步电机的协同控制系统，在硬件设计上采用完全电气双余度策略，在通信部分以及旋变信号解算部分均采取了余度备份，提高了电路整体的可靠性，并在软件算法中采用系统交叉反馈算法解决了两个双绕组永磁同步电机之间的电磁转矩不平衡问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双绕组永磁同步电机的协同控制系统，包含两套结构相同的控制器，分别对于控制两台双绕组永磁同步电机；每套控制器包括DSP模块、通信模块、SPI通信电路、信号检测处理单元、驱动电路、IPM模块、复杂可编程逻辑模块和RDC转换电路，其中信号检测处理单元包括电压传感器和电流传感器；
每套控制器中，通信模块将上位机发出的信号指令传递给DSP模块；DSP模块输出PWM信号，PWM信号经过复杂可编程逻辑模块输入到驱动电路，进行功率放大后完成对功率开关管的栅极控制，输出三相电流信号，三相电流信号通过IPM模块与电机的三相绕组连接，实现电机绕组的换向控制；电机转子的位置信号通过RDC转换电路输出到复杂可编程逻辑模块，解算出数字信号传递给DSP模块；所述的电压传感器和电流传感器分别读取电机母线电压信号和母线电流信号，经过信号检测处理单元传递到DSP模块；所述的DSP模块根据上位机指令、母线电压信号、母线电流信号和电机转子位置信息，完成闭环控制，输出PWM信号；两套控制器的DSP模块之间通过SPI模块相互通信，两者相互监督，实现故障的检测和相互隔离。
所述两套控制器的DSP模块之间采用系统交叉反馈方法来消除余度电机间的电磁转矩不平衡的现象。
所述的RDC转换电路包括集成电路和包络检波模块，分别对转子位置信号进行解算，两者互为余度。
所述的集成电路将电机的转子位置信号解算为10位的二进制信号，来判断电机的位置。
所述的通信模块采用UART实现上位机和DSP模块的通信，并采用CAN作为UART的备份。
本发明的有益效果是：在硬件结构上采用完全电气双余度结构，在通信部分以及旋变信号解算部分等要求可靠性高的部分实现了余度备份策略，提高了控制系统工作的可靠性；在软件控制方面，两套控制器之间的DSP模块通过SPI进行通信，在正常工作的情况下两者互相监督，在出现故障的时候能够实现故障的快速隔离；该控制系统采用了系统反馈交叉算法，解决了运行过程中两个电机之间出现电磁转矩不平衡而导致的电机功率增加的问题，进一步提高了系统性能。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是完全电气双余度原理框图；
图3是双余度电机控制系统软件通信结构示意图；
图4是系统软件采用系统交叉反馈算法解决余度电机的电磁转矩纷争问题示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种双绕组永磁同步电机的协同控制系统，该控制系统在硬件结构上采用完全电气双余度策略，包含两套结构相同的控制器，控制部分1和控制部分2，分别对于控制两台双绕组永磁同步电机，每套控制器包括DSP模块、通信模块、SPI通信电路、信号检测处理单元、驱动电路、IPM模块、复杂可编程逻辑模块、RDC转换电路以及电源模块，其中信号检测处理单元包括电压检测单元和电流检测单元。
上位机发出信号指令，通过通信模块将信号传递给DSP模块。DSP模块输出PWM信号，PWM信号经过CPLD电路输入到驱动电路，驱动电路对CPLD输出的PWM信号进行功率放大，完成对功率开关管的栅极控制，实现电机绕组的换向控制，输出三相电流信号，三相电流信号输入IPM模块，IPM输出与电机的三相绕组连接；位置信号传递到RDC转换电路，输出经过复杂可编程逻辑模块，将解算过的数字信号传递给DSP模块，两套控制器之间通过SPI模块相互通信，读取对方的旋变信号值；经电压传感器和电流传感器读取到的母线电压信号和母线电流信号经过信号检测处理单元传递到DSP集成的AD采样通道；通过UART模块，DSP将相应的信号传递给上位机，实现上下位机之间的相互通信。在系统运行过程中，配置控制部分1为主路，控制部分2为从路作为热备份，当系统正常工作时，两个部分共同承担系统负载，各承担一半的负载，当任一部分出现故障时，通过上位机将此部分从控制系统中切除，由另一部分承担全部负载，从而使系统正常运行。
DSP模块主芯片为TMS320F28335，设有：看门狗模块，JTAG仿真互联模块，PWM输出模块，SCI、SPI、CAN输出接口，通过I/O端口与外部输入单元相连，外部中断接口用来接收外部的中断信息。DSP模块根据上位机指令、信号检测处理单元的模拟量反馈值以及通过其数据总线读取到的电机转子位置信息，完成闭环控制算法，控制PWM信号的输出，DSP的引导模式应当设计为片内FLASH引导模式。
RDC转换电路将旋转变压器的模拟信号解算为数字信号，送给CPLD模块。旋转变压器信号解算包括两个部分：专用集成电路解算方法和包络检波方法，两者互为余度，提高了解算的准确性和可靠性。其中专用集成电路解算是采用芯片AD2S80，通过配置外围硬件电路，将电机的位置信号解算为10位的二进制信号，包络检波方法则是通过包络检波硬件电路来对转子位置信号进行解算，来判断电机的位置。
所述IPM模块用智能功率模块PM100RL1A060作为主变流器，集中了三相逆变桥以及每个开关管的驱动和过流保护电路，由DSP向所述电机发出三相PWM电压，该部分的三相电流和直流母线电压电流信号经过相应的传感器进行数模转换之后输送到DSP模块。
通信模块采用UART实现上位机和下位机的通信，在具体的实施中，采用了CAN通信作为UART通信部分的备份，两者构成通信方面的余度，当其中任一部分出现无法通信的情况，另一部分继续保持通信，这种结构可以保证通信的正常进行。在控制策略的选择上，使用系统交叉反馈方法来消除余度电机间的电磁转矩不平衡的现象。两余度之间的DSP模块通过SPI相互通信，两者相互监督，实现故障的检测和相互隔离。
所述的电流检测和电压检测部分，在检测电流和电压信号的同时具有过流保护和过压保护的功能，在电流和电压超过一定的给定值之后，此部分会通过比较电路输出相应的故障信号，并将此故障信号输送到DSP模块的相应部分，进而对故障做出相应的响应。
在控制系统设计中，同电压模拟电源与数字电源间使用磁珠滤波，模拟地与数字地之间使用磁珠实现单点联通，各种开关量输入处理设计钳位、滤波电路，模拟输入量设计钳位、滤波电路，数字量输出使用缓冲器增强驱动能力，差分输入信号使用终端匹配电阻、预置电平增强及钳位处理，使用TVS器件吸收各路电源电压尖峰。

Claims (5)

1.一种双绕组永磁同步电机的协同控制系统，包括两套结构相同的控制器，分别对于控制两台双绕组永磁同步电机，其特征在于：每套控制器包括DSP模块、通信模块、SPI通信电路、信号检测处理单元、驱动电路、IPM模块、复杂可编程逻辑模块和RDC转换电路，其中信号检测处理单元包括电压传感器和电流传感器；每套控制器中，通信模块将上位机发出的信号指令传递给DSP模块；DSP模块输出PWM信号，PWM信号经过复杂可编程逻辑模块输入到驱动电路，进行功率放大后完成对功率开关管的栅极控制，输出三相电流信号，三相电流信号通过IPM模块与电机的三相绕组连接，实现电机绕组的换向控制；电机转子的位置信号通过RDC转换电路输出到复杂可编程逻辑模块，解算出数字信号传递给DSP模块；所述的电压传感器和电流传感器分别读取电机母线电压信号和母线电流信号，经过信号检测处理单元传递到DSP模块；所述的DSP模块根据上位机指令、母线电压信号、母线电流信号和电机转子位置信息，完成闭环控制，输出PWM信号；两套控制器的DSP模块之间通过SPI模块相互通信，两者相互监督，实现故障的检测和相互隔离。
2.根据权利要求1所述的双绕组永磁同步电机的协同控制系统，其特征在于：所述两套控制器的DSP模块之间采用系统交叉反馈方法来消除余度电机间的电磁转矩不平衡的现象。
3.根据权利要求1所述的双绕组永磁同步电机的协同控制系统，其特征在于：所述的RDC转换电路包括集成电路和包络检波模块，分别对转子位置信号进行解算，
两者互为余度。
4.根据权利要求1所述的双绕组永磁同步电机的协同控制系统，其特征在于：所述的集成电路将电机的转子位置信号解算为10位的二进制信号，来判断电机的位置。
5.根据权利要求1所述的双绕组永磁同步电机的协同控制系统，其特征在于：所述的通信模块采用UART实现上位机和DSP模块的通信，并采用CAN作为UART的备份。
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