CN107359841A - 一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统及其控制方法，包括电源模块、开关磁阻电机、功率变换器模块和控制器模块、电机母线电压传感器模块、电机母线电流传感器模块和电机相电流传感器模块，潜水泵工作时，控制器模块直接或通过串口线缆接收上位机控制器的控制指令，控制电机转速和电流，同时，控制器模块通过对泵内传感器信号的检测和处理，实现对开关磁阻电机的故障诊断和处理；彻底消除了传统PID控制算法中由于参数整定不合理、误差跟踪迟钝等引起的转矩不平顺性；控制器使系统效率提高，满足潜水泵要求电机的低速大启动转矩，中速高效率以及宽广的恒功率范围，可以使开关磁阻电机在潜水泵领域得到推广应用。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种潜水泵用电机控制系统，更具体的说涉及一种带有通讯功能的智能潜水泵用开关磁阻电机控制系统，同时还提供一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统的控制方法。
背景技术
潜水泵作为一种由潜水电动机与水泵组合而成，按用途不同井用潜水泵主要用于从井中提取地下水，用于农田灌溉或人畜用水，也可在建筑、环保、城市、矿山排水中广泛应用，因此潜水电泵有着适用性广泛，结构紧凑，使用方便的优点。传统的潜水泵采用的电机主要有交流感应电机和永磁同步电机驱动系统。但是，这两种类型的电机分布存在以下先天不足：1、交流感应电机,其驱动电路复杂，成本高，功率因素滞后、调速性能差，相对于永磁电机而言，感应电机效率偏低。2、永磁同步电机驱动系统，首先，稀土永磁价格较贵，且稀土资源属于国家战略资源十分宝贵。同时，如果对永磁电机使用不当，在过高温度或过低温度下工作时，在冲击电流所产生的电枢反应作用下，会产生不可逆的退磁，使得电动机性能下降，甚至无法使用。
进而，目前开关磁阻电机得到了广泛的运用，开关磁阻电机是一种新型调速电机，因其电动机的转子没有滑环、绕组和永久磁铁等，具有结构紧凑牢固，可靠性高、质量轻、便于维修、驱动电路简单、在宽广的转速范围内效率都比较高等诸多优势。
但是开关磁阻电机如普通电机一样也同样存在着部分缺陷，如开关磁阻电机也同样因为其高度非线性、多变量耦合等变结构特性，使其控制器要求较高，传统的电机控制器及其控制方法难以有效和可靠的控制电机，难以解决开关磁阻电机的振动和噪声问题，不能满足潜水泵的使用需求。
发明内容
本发明专利针对现有的潜水泵常用交流感应电机和永磁同步电机的各种不足之处，采用开关磁阻电机作为潜水泵的主电机，并采用基于自适应反步滑模算法的控制方法解决开关磁阻电机存在的振动和噪声问题。
本发明的技术解决方法如下：一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，包括电源模块、开关磁阻电机、功率变换器模块和控制器模块，还包括电机母线电压传感器、电机母线电流传感器模块和电机相电流传感器模块，所述功率变换器模块采用三路不对称半桥输出，输出接口与开关磁阻电机的三路输入端相连接，输入接口与控制器模块的输出接口相连，所述电机母线电压传感器模块和电机母线电流传感器模块的输入端分别与电源模块的高压输出端相连接，电机母线电压传感器模块和电机母线电流传感器模块的输出端分别与控制器模块的模拟量输入接口相连接，所述电机相电流传感器模块的输入端与功率变换模块的三路不对称半桥的输出端相连接，电机相电流传感器模块的输出端与控制器模块的模拟量输入接口相连接。
电机相电流传感器模块包括A相电流传感器模块、B相电流传感器模块和C相电流传感器模块。
电源模块采用隔离变压器降压后分别为功率变换器模块和控制器模块提供电源，上电或掉电均采用程序延时控制，所述电源模块分别为功率变换器模块和控制器模块提供电源。
所述功率变换器模块包括功率变换器和IGBT驱动电路，IGBT驱动电路包括电机驱动芯片和IGBT功率开关器件，控制器模块依次通过IGBT功率开关器件、电机驱动芯片和功率变换器对开关磁阻电机进行控制。
控制器模块包括微控制芯片、旋转变压器、位置传感器解码电路、JTAG接口电路、晶振电路、复位电路、EEPROM、过流保护电路、温度/振动/漏水检测传感器和通信隔离电路，所述微控制芯片分别与晶振电路的输出端、复位电路的输出端、电机母线电流/电压传感器模块和电机相电流传感器模块的输出端相连接，所述旋转变压器的输出端与位置传感器解码电路相连接，所述过流保护电路的输入端与功率变换器模块的输出端相连接，所述过流保护电路的输出端与微控制器芯片的模拟量采集端口连接。
微控制芯片通过通信隔离电路与控制系统设置的上位计算机进行通讯。
控制器模块采用自适应反步滑模控制算法，对开关磁阻电机的转速和电流进行双闭环调节器模式控制，电流环为内环，转速环为外环。
本发明还提供一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统的控制方法，包括潜水泵磁阻电机控制系统主程序和潜水泵磁阻电机控制系统主程序包括的启动子程序、运行子程序、故障监测中断子程序和自适应反步滑模控制子程序，其中主程序具体运行步骤如下：
a、系统初始化，包括系统各子程序控制初始化、GPIO初始化、中断初始化、外设初始化、电机参数及初始功率值初始化、禁止看门狗、读取EEPROM、读取电机零位置和中断使能；
b、系统故障监测中断子程序，包括电机系统是否过压或欠压、电机母线是否过流、是否过热、机械密封振动是否超过阈值、以及是否存在漏水信号；其中每100ms一个周期任务检测电压、电流，每50ms一个周期检测温度、振动值，每10ms一个周期检测漏水点信号。
c、潜水泵开关磁阻电机控制器模块进入运行子程序后，首先读电机转子位置传感器的输入信号，进行转子位置的预测，以此为电机运行时的位置参考，一旦电机开始运行时，程序将进入自适应反步滑模控制子程序，进一步通过PWM综合控制IGBT驱动电路模块，达到控制电机转速和电流的目的；如电机不启动，电机将延时1s后关闭IGBT驱动电路模块。
所述的步骤c中的自适应反步滑模控制子程序通过自适应反步滑模算法计算IGBT驱动电路模块的PWM的值，对斩波占空比进行调整，同时也通过实时采样的电流、电压和转速值，判断是否达到控制目标，是否过流、过压。
本发明潜水泵工作时，微控制器直接或通过串口线缆接收上位计算机的控制指令，控制开关磁阻电机的转速和电流、并将处理后的电机母线电压、电流、转速和潜水泵状态等信号发送回微控制器或上位计算机。同时，微控制器通过对泵内传感器信号的检测和处理，实现对开关磁阻电机的故障诊断和处理；其中电机转速和电流的控制方法采用基于自适应反步滑模控制算法，彻底消除了传统PID控制算法中由于参数整定不合理、误差跟踪迟钝等引起的转矩不平顺性；控制系统使系统效率提高，满足潜水泵要求电机的低速大启动转矩，中速高效率以及宽广的恒功率范围，可以使开关磁阻电机在潜水泵领域得到推广应用。
本发明的有益效果是实现了在潜水泵中对开关磁阻电机的转速控制和电流控制，使开关磁阻电机的震动和噪音降低和可控，较之传统的异步电机，本发明的可靠性和电机效率更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明IGBT驱动电路示意图；
图3为本发明功率变换器电路示意图；
图4为本发明双闭环结构自适应反步滑模控制算法的控制方法示意图；
图5为本发明控制方法的主程序流程示意图；
图6为本发明启动子程序流程示意图；
图7为本发明运行子程序流程示意图；
图8为本发明故障检测中断子程序流程示意图；
图9为本发明自适应反步滑模控制子程序流程示意图；
其中：1.母线电流传感器；2.母线电压传感器；3.A相电流传感器；4.B相电流传感器；5.C相电流传感器。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，所述的主控制电路模块包括ARM公司的STM32微控制芯片、旋转变压器、位置传感器解码电路、IGBT功率开关器件、功率变换器、JTAG接口电路、晶振电路、复位电路、EEPROM、过流保护电路、温度/振动/漏水检测传感器信号采集电路及通信电路。所述的STM32微控制芯片分别与晶振电路的输出端、复位电路的输出端、电机母线电流/电压/相电流采样电路的输出端相连接，所述的IGBT驱动电路的输出端与功率变换器的输入端、旋转变压器的输出端与位置传感器的解码电路相连接，所述过流保护电路的输入端与功率变换器的输出端相连接，所述的过流保护电路的输出端与STM32微控制器模拟量采集端口连接。
所述的IGBT功率开关器件和功率变换器共同构成主功率电路。所述的电机驱动模块的型号为IR2136S，IR2136S内部集成有个一个电流比较器CC、一个电流放大器CA、一个自身工作电源前置电压检测器UVD、一个故障逻辑处理单元FL及一个锁存逻辑CL。所述电机驱动模块正常工作时，从内部脉冲形成部分输出6路脉冲信号，分别为3路低电压侧功率IGBT的信号，PWM1H O、PWM2H O、PWM3H O，3路高电压侧功率IGBT的信号，PWM1H N、PWM2H N、PWM3H N。此外STM32F103R8T6作为微控制器时，将FAULT信号接入STM32F103R8T6控制器的PC9引脚，当电机驱动或逆变桥不正常时（如过电压、过电流），该中断有效，从而对系统和电机进行保护。
从所述的母线电压/电流传感器模块包括电机母线电流传感器1和电机母线电压传感器2，其采用的型号分别是5V供电采样精度0.5%的CSM006NPT5系列霍尔电流传感器和TLP521-2电压比较器。
电机相电流传感器模块包括A相电流传感器模块3、B相电流传感器模块4和C相电流传感器模块5。所述的IGBT功率变换模块中以电机绕组A相为例，包括IGBT大功率开关器件型号为G60N100，耐压值为1000V，集电极额定电流60A，续流二极管型号为RHRP3060，其反向耐压600V，导通额定电流30A。模块还包括预充电电阻和薄膜电容，其中电容C1用于对进线电压进线滤波，每相绕组采用两个IGBT开关电器Q1和Q4，和两个续流二极管T1和T4。电阻R4为均压电阻，与C1并联。C1和R4以及C4和R10接在IGBT两端，起滤波作用，用于抑制开关损耗和关断过电压。T1、T2为瞬态抑制二极管，用于抑制产生的静电。电阻R1和R7为正温热敏电阻，当流过电流增大时，其阻抗相应增加，从而抑制过电流。其它两相的上下桥IGBT模块与前述的型号相同。
结合开关磁阻电机（SRM）的特点和调速系统低速时转矩脉动影响较大，本控制器采用转速电流双闭环模式控制，电流环为内环，转速环为外环。双环调节器均采用自适应反步滑模（SMC）控制算法，其中速度调节器根据期望目标速度与实际测的速度的差值，控制量转换为电机实际的转矩输出，经过转矩限幅、并合理分配每一相对应的转矩，再结合电流控制器和换相控制逻辑实现开关磁阻电机的控制。
本实施例还提供一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统的控制方法，如图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统的控制程序包括：潜水泵磁阻电机控制系统主程序、启动子程序、运行子程序、故障监测中断子程序和自适应反步滑模控制子程序等。其中部分程序具体包括以下步骤：
系统初始化，包括：系统各子程序控制初始化、GPIO初始化、中断初始化、外设初始化、电机参数及初始功率值初始化、禁止看门狗、读取EEPROM、读取电机零位置和中断使能。
1、系统初始化后，开始进行周期任务执行及故障监测，调用故障处理子程序，潜水泵开关磁阻电机系统故障主要包括：电机系统是否过呀或欠压、电机母线是否过流、是否过热、机械密封振动是否超过阈值、以及是否存在漏水信号。其中每100ms一个周期任务检测电压、电流，每50ms一个周期检测温度、振动值，每10ms一个周期检测漏水点信号。
2、进一步的，潜水泵开关磁阻电机控制器进入启动子程序时，相绕组通电时间长，相电流周期长，磁链及电流峰值大，在启动初期需要采用占空比为最大的方式达到最快的启动运行方式。当检测到电机转速超过100r/min时则认为电机已经正常启动，返回主程序
3、进一步的，潜水泵开关磁阻电机控制器进入运行子程序后，首先读电机转子位置传感器的输入信号，进行转子位置的预测，以此为电机运行时的位置参考。一旦电机开始运行时，程序将进入自适应反步滑模控制（SMC）子程序，进一步通过PWM综合控制功率开关电器IGBT，达到控制电机转速和电流的目的。如不启动，电机将延时1s后关闭功率开关电器IGBT。
4、进一步的，自适应反步滑模控制子程序中，此中断程序由STM32中的T1高级定时器确定时间，通过自适应反步滑模算法计算出开通角、关断角和占空比PWM的值，对斩波占空比进行更新，同时也通过实时采样的电流、电压和转速值，判断是否达到控制目标，是否过流、过压。
5、进一步的，自适应反步滑模控制子程序中系统给定期望转速和期望电流后，控制器根据位置信号的不同，分配合适的绕组导通相和导通时间，各相绕组电流上升，电磁总转矩也随之上升，在电磁转矩上升至负载转矩之前，电机不能转动。当到达之后，电机起动，由于电机的特性和其惯性作用，转速不会立即快速增长，但转矩迅速上升，直到。系统完成对电机转速和电流的控制。
Claims (9)
1.一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，包括电源模块、开关磁阻电机、功率变换器模块和控制器模块，其特征在于：还包括电机母线电压传感器模块、电机母线电流传感器模块和电机相电流传感器模块，所述功率变换器模块采用三路不对称半桥输出，输出接口与开关磁阻电机的三路输入端相连接，输入接口与控制器模块的输出接口相连，所述电机母线电压传感器模块和电机母线电流传感器模块的输入端分别与电源模块的高压输出端相连接，电机母线电压传感器模块和电机母线电流传感器模块的输出端分别与控制器模块的模拟量输入接口相连接，所述电机相电流传感器模块的输入端与功率变换模块的三路不对称半桥的输出端相连接，电机相电流传感器模块的输出端与控制器模块的模拟量输入接口相连接。
2.根据权利要求1所述的一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，其特征在于：电机相电流传感器模块包括A相电流传感器模块、B相电流传感器模块和C相电流传感器模块。
3.根据权利要求1所述的一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，其特征在于：电源模块采用隔离变压器降压后分别为功率变换器模块和控制器模块提供电源，上电或掉电均采用程序延时控制，所述电源模块分别为功率变换器模块和控制器模块提供电源。
4.根据权利要求1所述的一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述功率变换器模块包括功率变换器和IGBT驱动电路，IGBT驱动电路包括电机驱动芯片和IGBT功率开关器件，控制器模块通过IGBT功率开关器件、电机驱动芯片和功率变换器对开关磁阻电机进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，其特征在于：控制器模块包括微控制芯片、旋转变压器、位置传感器解码电路、JTAG接口电路、晶振电路、复位电路、EEPROM、过流保护电路、温度/振动/漏水检测传感器和通信隔离电路，所述微控制芯片分别与晶振电路的输出端、复位电路的输出端、电机母线电流传感器模块、电机母线电压传感器模块和电机相电流传感器模块的输出端相连接，所述旋转变压器的输出端与位置传感器解码电路相连接，所述过流保护电路的输入端与功率变换器模块的输出端相连接，所述过流保护电路的输出端与微控制器芯片的模拟量采集端口连接。
6.根据权利要求5所述的一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，其特征在于：微控制芯片通过通信隔离电路与控制系统设置的上位计算机进行通讯。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统，其特征在于：控制器模块采用自适应反步滑模控制算法，对开关磁阻电机的转速和电流进行双闭环调节器模式控制，电流环为内环，转速环为外环。
8.采用权利要求1-7任一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统的控制方法，其特征在于包括潜水泵磁阻电机控制系统主程序和潜水泵磁阻电机控制系统主程序包括的启动子程序、运行子程序、故障监测中断子程序和自适应反步滑模控制子程序，其中主程序具体运行步骤如下：
a、系统初始化，包括系统各子程序控制初始化、GPIO初始化、中断初始化、外设初始化、电机参数及初始功率值初始化、禁止看门狗、读取EEPROM、读取电机零位置和中断使能；
b、系统故障监测中断子程序，包括电机系统是否过压或欠压、电机母线是否过流、是否过热、机械密封振动是否超过阈值、以及是否存在漏水信号；其中每100ms一个周期任务检测电压、电流，每50ms一个周期检测温度、振动值，每10ms一个周期检测漏水点信号；
c、潜水泵开关磁阻电机控制器模块进入运行子程序后，首先读电机转子位置传感器的输入信号，进行转子位置的预测，以此为电机运行时的位置参考，一旦电机开始运行时，程序将进入自适应反步滑模控制子程序，进一步通过PWM综合控制IGBT驱动电路模块，达到控制电机转速和电流的目的；如电机不启动，电机将延时1s后关闭IGBT驱动电路模块。
9.根据权利要求8所述的一种潜水泵用开关磁阻电机控制系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤c中的自适应反步滑模控制子程序通过自适应反步滑模算法计算IGBT驱动电路模块的PWM的值，对斩波占空比进行调整，同时也通过实时采样的电流、电压和转速值，判断是否达到控制目标，是否过流、过压。
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