CN107769649A - 基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器 - Google Patents

基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器 Download PDF

Info

Publication number
CN107769649A
CN107769649A CN201710989087.3A CN201710989087A CN107769649A CN 107769649 A CN107769649 A CN 107769649A CN 201710989087 A CN201710989087 A CN 201710989087A CN 107769649 A CN107769649 A CN 107769649A
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
voltage
synchronous motor
ultrahigh speed
permagnetic synchronous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710989087.3A
Other languages
English (en)
Inventor
吴益飞
林立斌
郭健
黄迪
沈宏丽
周梦兰
洪宇
王天野
薛舒严
钱抒婷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201710989087.3A priority Critical patent/CN107769649A/zh
Publication of CN107769649A publication Critical patent/CN107769649A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0085Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022Synchronous motors
    • H02P25/024Synchronous motors controlled by supply frequency
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/0241Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/027Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an over-current
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/032Preventing damage to the motor, e.g. setting individual current limits for different drive conditions
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Abstract

本发明公开了一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器。该控制器包括两套相同的余度驱动单元,每个余度驱动单元包括整流模块、逆变模块、电源模块、霍尔检测模块、保护模块,其中:整流模块将市电三相交流电转换为直流母线电压提供给逆变模块,逆变模块将其转换成三相交流电,为超高速永磁同步电机供电;电源模块为整流模块的驱动芯片和控制系统提供电源;霍尔检测模块包括定子三相电流检测和直流母线电压检测,实现电压和电流信号的采集;保护模块包括电路短路保护模块、过流保护模块、电压保护模块、过热保护模块、制动保护模块。本发明采用双余度冗余控制,对驱动系统实施了完善的保护措施,具有更宽的调速范围和更高的可靠性。

Description

基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器
技术领域
本专利涉及电机技术领域,特别是一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器。
背景技术
随着加工技术的迅速发展,高速、高精度数控机床也得到了快速发展。超高速电机主轴作为高端数控机床的关键功能部件,其性能指标直接决定了高端数控机床的发展水平。高速异步感应电机凭借较为成熟的制造工艺已在各个领域中得到广泛应用,同时相应的驱动控制技术也较为成熟。然而由于异步感应电机采用感应式转子,转矩密度相对较低,转子损耗严重,会在高速状态引起转子产生较大的热量,并且存在电机运行效率低、功率密度低、动态响应慢、稳速困难等问题,因此多用在转速低于20000r/min的应用场合。
随着永磁材料的发展,以及电机制造工艺的进一步改善,永磁同步电机已由中低速领域逐渐发展到了高速领域。但目前永磁同步电机由于驱动控制技术的限制大都应用与于中高速场合,无法满足超高速数控机床的要求。与此同时,目前使用较多的单一驱动控制系统在个别部件出现故障时,很容易导致整个系统失控,严重影响加工精度与加工进度。
发明内容
本专利的目的在于提供一种高精度、高可靠性的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,使得超高速永磁同步电机能够稳定可靠运行。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,包括两套相同的余度驱动单元,每个余度驱动单元包括整流模块、逆变模块、电源模块、霍尔检测模块、保护模块,其中:
整流模块将市电三相交流电转换为直流电,直流电经过母线电容稳压后得到的直流母线电压提供给逆变模块;
逆变模块将直流电转换成频率可调的三相交流电,为超高速永磁同步电机供电,驱动超高速永磁同步电机运转;
电源模块将整流模块输出的直流母线电压转换为24V电压,为整流模块的驱动芯片和控制系统提供电源;
霍尔检测模块包括定子三相电流检测和直流母线电压检测,电压电流信号经过霍尔检测模块得到电压电流模拟量数值并输出至AD采样模块供控制系统采样和读取,实现超高速永磁同步电机供电系统的电压和电流信号的采集;
保护模块包括电路短路保护模块、过流保护模块、电压保护模块、过热保护模块、制动保护模块;
所述两套余度驱动单元的判错处理与互锁机制如下:
当出现以下四种情况中任意一种,相应模块则输出故障信号至控制系统:驱动系统中过流保护模块的霍尔电流传感器检测出电机定子三相电流超过工作允许值;电压保护模块中霍尔电压传感器检测出的直流母线电压与标称电压相比为过压或欠压;过流保护模块中IGBT器件的驱动芯片检测到IGBT集电极和发射极两端的电压持续过大;过热保护模块检测出整流模块、逆变模块或电机定子温度超过设定值;
控制系统接收到故障信号,处理器立即输出封锁PWM的控制信号至该余度驱动单元,关闭当前控制单元,启用另一控制单元及配套的余度驱动单元。
进一步地,所述整流模块的输入端设有高压陶瓷电容,用于滤除高频干扰得到三相交流电,三相交流电经过整流芯片得到直流母线电压,最后通过电解电容的稳压和滤波得到最终的直流母线电压;采用压敏电阻在三相输入电压过高时导通大电流,采用均压电阻使电解电容两端电压均等,同时使用无感电容吸收母线电容产生的过高脉冲电流。
进一步地,所述逆变模块采用以IGBT作为开关器件的三相全桥逆变电路,整流模块的直流母线电压输出至逆变模块为其供电,由驱动隔离模块输入的PWM信号经过IGBT驱动芯片分别将正负信号转换为+15V和-9V,对IGBT器件进行正打开和负关断,将直流母线电压逆变成三相交流电压,为超高速永磁同步电机供电。
进一步地,所述电路短路保护模块在市电三相交流输入时接入50A的空气断路器,在系统发生短路故障电流超过50A时断路器立即切断电源。
进一步地,所述过流保护模块包括软件保护和硬件保护:软件保护使用控制系统的DSP模块通过霍尔电流传感器对电机定子三相电流进行检测,当其超过工作允许值时,发出过流故障报警信号并封锁本通道PWM信号的输出,切断超高速永磁同步电机的供电;硬件保护通过IGBT器件的驱动芯片检测IGBT集电极和发射极两端的电压,当驱动系统发生短路导致驱动芯片通过大于阈值电流且持续时间大于3us时,驱动芯片通过软关断引脚对IGBT执行软关断,将故障报警引脚变为低电平进行报警,并反馈到主控制系统。
进一步地,所述电压保护模块采用霍尔电压传感器对直流母线电压进行AD采样检测,将检测到的电压信号送入比较器判断驱动系统是否出现过压或者欠压;当直流母线电压超过标称电压的1.1倍或低于标称电压的0.85倍时,比较器输出过压或欠压故障信号至控制系统,控制系统捕获到该信号开始计时,如果发生过压故障时间超过3s,则控制系统判断驱动系统发生了过压故障,同时封锁本通道PWM脉冲的输出。
进一步地,所述过热保护模块对整流模块和逆变模块以及超高速永磁同步电机定子进行温度检测、监控;
将温度检测元件安装在散热器上,用于检测散热模块中散热器的温度,当温度传感器检测到散热器温度高于设定的临界温度时,输出高电平信号至风扇驱动电路,风扇回路导通,启用风扇加速散热器散热;若逆变模块的IGBT器件或者超高速电机发生过热现象则主控制系统封锁PWM信号输出。
进一步地,所述制动保护模块用于超高速永磁同步电机的减速制动;在减速制动的过程中,整流模块输出的直流母线电压升高,通过增加制动电阻,设定制动电阻的参数并配置驱动系统泄放直流母线泵升电压。
进一步地,两套余度驱动单元中,逆变模块驱动芯片的IGBT门极输入口增加与非门芯片进行逻辑处理,使得当一套控制单元运行时,另一控制单元关断。
本发明与现有技术相比,其显著优点是:(1)采用双余度冗余控制,使用单独每一通道控制单元时电机转速达到20000r/min;(2)对驱动系统实施了短路保护、过流保护、电压保护、过热保护、制动保护等完善的保护措施并且进行两套驱动单元互锁设计;(3)当某一套驱动单元发生故障时可即时输出故障信号至控制系统并稳定切换到另一套驱动单元运行,具有更宽的调速范围和更高的可靠性。
附图说明
图1为本发明基于冗余容错的超高速永磁同步电机系统硬件结构图。
图2为基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器系统硬件电路结构图
具体实施方式
结合图1~2,本发明基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,包括两套相同的余度驱动单元,每个余度驱动单元包括整流模块1、逆变模块2、电源模块3、霍尔检测模块4、保护模块5,其中:
整流模块1将市电三相交流电转换为直流电,直流电经过母线电容稳压后得到的直流母线电压提供给逆变模块2;
逆变模块2将直流电转换成频率可调的三相交流电,为超高速永磁同步电机供电,驱动超高速永磁同步电机运转;
电源模块3将整流模块1输出的直流母线电压转换为24V电压,为整流模块1的驱动芯片和控制系统提供电源;
霍尔检测模块4包括定子三相电流检测和直流母线电压检测,电压电流信号经过霍尔检测模块4得到电压电流模拟量数值并输出至AD采样模块供控制系统采样和读取,实现超高速永磁同步电机供电系统的电压和电流信号的采集;
保护模块5包括电路短路保护模块5-1、过流保护模块5-2、电压保护模块5-3、过热保护模块5-4、制动保护模块5-5;
所述两套余度驱动单元的判错处理与互锁机制如下:
当出现以下四种情况中任意一种,相应模块则输出故障信号至控制系统:驱动系统中过流保护模块5-2的霍尔电流传感器检测出电机定子三相电流超过工作允许值;电压保护模块5-3中霍尔电压传感器检测出的直流母线电压与标称电压相比为过压或欠压;过流保护模块5-2中IGBT器件的驱动芯片检测到IGBT集电极和发射极两端的电压持续过大;过热保护模块5-4检测出整流模块1、逆变模块2或电机定子温度超过设定值;
控制系统接收到故障信号,处理器立即输出封锁PWM的控制信号至该余度驱动单元,关闭当前控制单元,启用另一控制单元及配套的余度驱动单元。
具体地,所述整流模块1的输入端设有高压陶瓷电容,用于滤除高频干扰得到三相交流电,三相交流电经过整流芯片得到直流母线电压,最后通过电解电容的稳压和滤波得到最终的直流母线电压;采用压敏电阻在三相输入电压过高时导通大电流,采用均压电阻使电解电容两端电压均等,同时使用无感电容吸收母线电容产生的过高脉冲电流。
具体地,所述逆变模块2采用以IGBT作为开关器件的三相全桥逆变电路,整流模块1的直流母线电压输出至逆变模块2为其供电,由驱动隔离模块输入的PWM信号经过IGBT驱动芯片分别将正负信号转换为+15V和-9V,对IGBT器件进行正打开和负关断,将直流母线电压逆变成三相交流电压,为超高速永磁同步电机供电。
具体地,所述电路短路保护模块5-1在市电三相交流输入时接入50A的空气断路器,在系统发生短路故障电流超过50A时断路器立即切断电源。
具体地,所述过流保护模块5-2包括软件保护和硬件保护:软件保护使用控制系统的DSP模块通过霍尔电流传感器对电机定子三相电流进行检测,当其超过工作允许值时,发出过流故障报警信号并封锁本通道PWM信号的输出,切断超高速永磁同步电机的供电;硬件保护通过IGBT器件的驱动芯片检测IGBT集电极和发射极两端的电压,当驱动系统发生短路导致驱动芯片通过大于阈值电流且持续时间大于3us时,驱动芯片通过软关断引脚对IGBT执行软关断,将故障报警引脚变为低电平进行报警,并反馈到主控制系统。
具体地,所述电压保护模块5-3采用霍尔电压传感器对直流母线电压进行AD采样检测,将检测到的电压信号送入比较器判断驱动系统是否出现过压或者欠压;当直流母线电压超过标称电压的1.1倍或低于标称电压的0.85倍时,比较器输出过压或欠压故障信号至控制系统,控制系统捕获到该信号开始计时,如果发生过压故障时间超过3s,则控制系统判断驱动系统发生了过压故障,同时封锁本通道PWM脉冲的输出。
具体地,所述过热保护模块5-4对整流模块1和逆变模块2以及超高速永磁同步电机定子进行温度检测、监控;
将温度检测元件安装在散热器上,用于检测散热模块中散热器的温度,当温度传感器检测到散热器温度高于设定的临界温度时,输出高电平信号至风扇驱动电路,风扇回路导通,启用风扇加速散热器散热;若逆变模块2的IGBT器件或者超高速电机发生过热现象则主控制系统封锁PWM信号输出。
具体地,所述制动保护模块5-5用于超高速永磁同步电机的减速制动;在减速制动的过程中,整流模块1输出的直流母线电压升高,通过增加制动电阻,设定制动电阻的参数并配置驱动系统泄放直流母线泵升电压。
具体地,两套余度驱动单元中,逆变模块2驱动芯片的IGBT门极输入口增加与非门芯片进行逻辑处理,使得当一套控制单元运行时,另一控制单元关断。
实施例1
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明:
结合图1,超高速永磁同步电机冗余设计的驱动控制器包括两套完全相同的驱动单元,结合两套完全相同的控制单元的控制作用实现超高速永磁同步电机的超高速驱动控制。
结合图2,超高速永磁同步电机驱动系统中的每个余度驱动单元内包含整流模块1、逆变模块2、电源模块3、霍尔检测模块4、保护模块5。所述保护模块,包括电路短路保护模块5-1、过流保护模块5-2、电压保护模块5-3、过热保护模块5-4、制动保护模块5-5等。同时设计了主备驱动单元间的容错处理方案。
整流模块1将市电三相交流电能转化为直流电能,直流电经过母线电容稳压后提供给逆变模块2。在整流模块1输入端,三相输入电压经过高压陶瓷电容消除高频干扰,经过X电容滤波后得到平稳的三相交流电,平稳的三相电经过整流芯片得到直流母线电压,通过电解电容的稳压和滤波作用得到平稳的直流母线电压。为了保护连接三相交流电的整流模块1,采用压敏电阻VDR在三相输入电压过高时导通大电流。为了防止电解电容被击穿,使用均压电阻确保电解电容两端电压近似均等,同时使用无感电容吸收母线电容产生的过高脉冲电流。
逆变模块2采用以IGBT作为开关器件的三相全桥逆变电路,将直流电能转变成频率可调的三相交流电能,驱动超高速永磁同步电机的高速运转。整流模块1的直流母线电压输出至逆变模块2为其供电,由驱动隔离模块输入的PWM信号经过IGBT驱动芯片分别将正负信号转换为+15V和-9V,对IGBT器件进行正打开和负关断,将直流母线电压逆变成三相交流电压,为超高速永磁同步电机供电。
电源模块3用于提供稳定、可靠的电源供给。整流模块1输出的直流母线电压经过通用驱动开关电源模块JS159-24被转换为24V电压,为整流模块2的驱动芯片KA962F和控制系统提供电源。
霍尔检测模块4包括电子三相电流检测和直流母线电压检测,电压电流信号经过霍尔检测模块4得到具体电压电流模拟量数值并输出至AD采样模块供控制系统采样和读取,实现超高速永磁同步电机供电系统的电压和电流信号的采集。
保护模块5的电路短路保护模块5-1在市电三相交流输入环节接入50A的空气断路器,在系统发生短路故障电流超过50A时断路器立即切断电源,避免故障的扩大。
保护模块5的过流保护模块5-2分为软件保护和硬件保护。软件保护使用控制系统的DSP模块通过霍尔元件对电机定子三相电流进行检测,当其超过工作允许值时,立即发出过流故障报警信号并封锁本通道PWM信号的输出,切断超高速永磁同步电机的供电。硬件保护通过IGBT器件的驱动芯片检测IGBT集电极和发射极两端的电压,当驱动系统发生短路导致IGBT芯片通过很大电流且持续时间大于3us时,驱动芯片通过软关断引脚对IGBT执行软关断,将故障报警引脚变为低电平进行报警,并反馈到主控制系统。
保护模块5的电压保护模块5-3采用霍尔电压传感器对直流母线电压进行AD采样检测,将检测到的电压信号送入比较器判断驱动系统是否出现过压或者欠压。当直流母线电压超过标称电压的1.1倍(591V)或低于标称电压的0.85倍(450V)时,比较器输出过压或欠压故障信号至控制系统,控制系统捕获到该信号开始计时,如果发生过压故障时间超过3s,则控制系统判断驱动系统发生了过压故障,同时封锁本通道PWM脉冲的输出。
保护模块5的过热保护模块5-4对整流模块1和逆变模块2以及超高速永磁同步电机定子进行温度检测、监控。将温度检测元件安装在散热器上,用于检测散热模块中散热器的温度。正常情况下驱动系统整流模块1和逆变模块2中的大功率器件发出热量由散热器直接吸收散发到空气中,当使用时间过长,温度传感器检测到散热器温度高于设定的临界温度时,输出高电平信号至风扇驱动电路,风扇回路导通,启用风扇加速散热器散热。若逆变模块的IGBT器件或者超高速电机发生过热现象则主控制系统封锁PWM信号输出。
保护模块5的制动保护模块5-5用于超高速永磁同步电机的减速制动中。在其减速制动的过程中,整流模块1输出的直流母线电压会升高,本系统通过增加制动电阻,设定制动电阻的参数并利用软件技术配置驱动系统泄放直流母线泵升电压,防止器件过压损坏。
所述冗余容错处理方案主要包括两驱动单元的判错处理机制与互锁机制。当出现以下四种情况中任意一种,相应模块则输出故障信号至控制系统:驱动系统中霍尔电流传感器检测出电机定子三相电流超过工作允许值;霍尔电压传感器检测出的直流母线电压与标称电压相比为过压或欠压;IGBT器件的驱动芯片检测到IGBT集电极和发射极两端的电压持续过大;过热保护模块检测出整流模块1、逆变模块2或电机定子温度超过设定值。控制系统接收到故障信号,处理器立即输出封锁PWM的控制信号至驱动系统,关闭当前控制单元,启用另一控制单元,同时与此控制单元配套的驱动单元也可实现运行。在控制系统互锁信号之外,在两驱动单元中逆变模块驱动芯片的IGBT门极输入口增加与非门芯片进行逻辑处理。使得当一套控制单元运行时,另一控制单元机构严格关断,实现了双余度控制系统的稳定运行。
进一步,超高速永磁同步电机驱动系统单周期总体工作流程如下:
步骤1,市电三相输入电压经过高压陶瓷电容消除高频干扰,经过X电容滤波后得到平稳的三相交流电,平稳的三相电经过整流芯片得到直流母线电压,通过电解电容的稳压和滤波作用得到平稳的直流母线电压。
步骤2,整流模块1输出的直流母线电压传送作为逆变模块2的输入,为其供电,同时经过通用驱动开关电源模块3JS159-24被转换为24V电压,为驱动芯片KA962F和控制系统提供电源。
步骤3,霍尔检测模块4分别对直流母线电压和定子三相电流信号进行检测,经过AD采样模块读取传输至控制系统,实现超高速永磁同步电机工作信号的采集,进行其转速转矩控制,得到PWM信号输出至驱动系统,若直流母线电压和定子三相电流超出设定范围,为进行驱动控制系统切换。
步骤4,由控制系统输出经由驱动隔离模块输入的PWM信号经过IGBT驱动芯片分别将正负信号转换为+15V和-9V,对IGBT器件进行正打开和负关断,通过三相全桥逆变电路将直流母线电压逆变成三相交流电压,同时若IGBT驱动芯片检测到IGBT集电极和发射极两端的电压,则切换控制单元和驱动单元。
步骤5,过热保护模块5-4检测对整流模块1、逆变模块2或电机定子温度进行温度检测,若待测模块温度过高,输出高电平至风扇驱动电路,打开风扇加速散热。
综上所述,本发明采用双余度冗余控制,使用单独每一通道控制单元时电机转速达到20000r/min;对驱动系统实施了短路保护、过流保护、电压保护、过热保护、制动保护等完善的保护措施并且进行两套驱动单元互锁设计;当某一套驱动单元发生故障时可即时输出故障信号至控制系统并稳定切换到另一套驱动单元运行,具有更宽的调速范围和更高的可靠性。

Claims (9)

1.一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,包括两套相同的余度驱动单元,每个余度驱动单元包括整流模块(1)、逆变模块(2)、电源模块(3)、霍尔检测模块(4)、保护模块(5),其中:
整流模块(1)将市电三相交流电转换为直流电,直流电经过母线电容稳压后得到的直流母线电压提供给逆变模块(2);
逆变模块(2)将直流电转换成频率可调的三相交流电,为超高速永磁同步电机供电,驱动超高速永磁同步电机运转;
电源模块(3)将整流模块(1)输出的直流母线电压转换为24V电压,为整流模块(1)的驱动芯片和控制系统提供电源;
霍尔检测模块(4)包括定子三相电流检测和直流母线电压检测,电压电流信号经过霍尔检测模块(4)得到电压电流模拟量数值并输出至AD采样模块供控制系统采样和读取,实现超高速永磁同步电机供电系统的电压和电流信号的采集;
保护模块(5)包括电路短路保护模块(5-1)、过流保护模块(5-2)、电压保护模块(5-3)、过热保护模块(5-4)、制动保护模块(5-5);
所述两套余度驱动单元的判错处理与互锁机制如下:
当出现以下四种情况中任意一种,相应模块则输出故障信号至控制系统:驱动系统中过流保护模块(5-2)的霍尔电流传感器检测出电机定子三相电流超过工作允许值;电压保护模块(5-3)中霍尔电压传感器检测出的直流母线电压与标称电压相比为过压或欠压;过流保护模块(5-2)中IGBT器件的驱动芯片检测到IGBT集电极和发射极两端的电压持续过大;过热保护模块(5-4)检测出整流模块(1)、逆变模块(2)或电机定子温度超过设定值;
控制系统接收到故障信号,处理器立即输出封锁PWM的控制信号至该余度驱动单元,关闭当前控制单元,启用另一控制单元及配套的余度驱动单元。
2.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,所述整流模块(1)的输入端设有高压陶瓷电容,用于滤除高频干扰得到三相交流电,三相交流电经过整流芯片得到直流母线电压,最后通过电解电容的稳压和滤波得到最终的直流母线电压;采用压敏电阻在三相输入电压过高时导通大电流,采用均压电阻使电解电容两端电压均等,同时使用无感电容吸收母线电容产生的过高脉冲电流。
3.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,所述逆变模块(2)采用以IGBT作为开关器件的三相全桥逆变电路,整流模块(1)的直流母线电压输出至逆变模块(2)为其供电,由驱动隔离模块输入的PWM信号经过IGBT驱动芯片分别将正负信号转换为+15V和-9V,对IGBT器件进行正打开和负关断,将直流母线电压逆变成三相交流电压,为超高速永磁同步电机供电。
4.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,所述电路短路保护模块(5-1)在市电三相交流输入时接入50A的空气断路器,在系统发生短路故障电流超过50A时断路器立即切断电源。
5.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,所述过流保护模块(5-2)包括软件保护和硬件保护:软件保护使用控制系统的DSP模块通过霍尔电流传感器对电机定子三相电流进行检测,当其超过工作允许值时,发出过流故障报警信号并封锁本通道PWM信号的输出,切断超高速永磁同步电机的供电;硬件保护通过IGBT器件的驱动芯片检测IGBT集电极和发射极两端的电压,当驱动系统发生短路导致驱动芯片通过大于阈值电流且持续时间大于3us时,驱动芯片通过软关断引脚对IGBT执行软关断,将故障报警引脚变为低电平进行报警,并反馈到主控制系统。
6.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,所述电压保护模块(5-3)采用霍尔电压传感器对直流母线电压进行AD采样检测,将检测到的电压信号送入比较器判断驱动系统是否出现过压或者欠压;当直流母线电压超过标称电压的1.1倍或低于标称电压的0.85倍时,比较器输出过压或欠压故障信号至控制系统,控制系统捕获到该信号开始计时,如果发生过压故障时间超过3s,则控制系统判断驱动系统发生了过压故障,同时封锁本通道PWM脉冲的输出。
7.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,所述过热保护模块(5-4)对整流模块(1)和逆变模块(2)以及超高速永磁同步电机定子进行温度检测、监控;
将温度检测元件安装在散热器上,用于检测散热模块中散热器的温度,当温度传感器检测到散热器温度高于设定的临界温度时,输出高电平信号至风扇驱动电路,风扇回路导通,启用风扇加速散热器散热;若逆变模块(2)的IGBT器件或者超高速电机发生过热现象则主控制系统封锁PWM信号输出。
8.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,所述制动保护模块(5-5)用于超高速永磁同步电机的减速制动;在减速制动的过程中,整流模块(1)输出的直流母线电压升高,通过增加制动电阻,设定制动电阻的参数并配置驱动系统泄放直流母线泵升电压。
9.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器,其特征在于,两套余度驱动单元中,逆变模块(2)驱动芯片的IGBT门极输入口增加与非门芯片进行逻辑处理,使得当一套控制单元运行时,另一控制单元关断。
CN201710989087.3A 2017-10-22 2017-10-22 基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器 Pending CN107769649A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710989087.3A CN107769649A (zh) 2017-10-22 2017-10-22 基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710989087.3A CN107769649A (zh) 2017-10-22 2017-10-22 基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107769649A true CN107769649A (zh) 2018-03-06

Family

ID=61268894

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710989087.3A Pending CN107769649A (zh) 2017-10-22 2017-10-22 基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107769649A (zh)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108923696A (zh) * 2018-06-07 2018-11-30 江苏江荣智能科技有限公司 一种低维护成本的永磁同步电机驱动电路
CN109109479A (zh) * 2018-07-25 2019-01-01 福州市联奇智能科技有限公司 一种可以远程控制的智能盖章机器人系统
CN109167553A (zh) * 2018-09-30 2019-01-08 合肥巨动力系统有限公司 一种基于mcu+cpld架构的电机控制系统安全机制实现方法
CN109474223A (zh) * 2018-10-31 2019-03-15 宁波德业变频技术有限公司 一种深井泵用变频控制系统
CN109560530A (zh) * 2018-12-18 2019-04-02 浙江零跑科技有限公司 基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置及方法
CN109639214A (zh) * 2018-12-31 2019-04-16 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七二研究所) 一种多相电机容错在线切通道过渡过程控制方法
CN110045660A (zh) * 2019-05-14 2019-07-23 河北工业大学 一种数字化极片轧机集成控制器
DE102019206089A1 (de) * 2019-04-29 2020-10-29 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors, Antriebssystem und Kraftfahrzeug
CN112234875A (zh) * 2020-10-28 2021-01-15 北京动力机械研究所 一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统
CN112398375A (zh) * 2020-11-05 2021-02-23 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种永磁同步电机控制系统及综合保护方法
CN112769361A (zh) * 2021-01-08 2021-05-07 上海航天控制技术研究所 一种数字化智能电机驱动器及驱动方法
CN113021332A (zh) * 2019-12-24 2021-06-25 合肥欣奕华智能机器有限公司 一种工业机器人控制系统以及控制设备
CN113696737A (zh) * 2021-08-31 2021-11-26 东风汽车集团股份有限公司 一种驱动电机总成及其电机控制模组和控制设备
CN113794384A (zh) * 2021-09-10 2021-12-14 珠海格力电器股份有限公司 一种电容电压控制装置、方法和电机控制设备
CN113839603A (zh) * 2020-06-08 2021-12-24 杭州先途电子有限公司 一种控制方法、控制系统和控制器
WO2022222332A1 (zh) * 2021-04-23 2022-10-27 精进电动科技股份有限公司 一种电机控制器的母线电压采样电路和电机控制器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202276306U (zh) * 2011-09-19 2012-06-13 北京工业大学 一种双通道冗余无刷直流电机驱动器
CN105474804B (zh) * 2012-12-14 2015-01-14 上海宇航系统工程研究所 冗余伺服控制系统
US20160006376A1 (en) * 2014-07-04 2016-01-07 Samsung Electronics Co., Ltd. System for controlling fault tolerance
CN105978443A (zh) * 2016-05-06 2016-09-28 深圳市合信自动化技术有限公司 一种具有母线泄放回路检测功能的伺服驱动器
CN206283443U (zh) * 2016-08-31 2017-06-27 上海新力动力设备研究所 电机驱动电路

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202276306U (zh) * 2011-09-19 2012-06-13 北京工业大学 一种双通道冗余无刷直流电机驱动器
CN105474804B (zh) * 2012-12-14 2015-01-14 上海宇航系统工程研究所 冗余伺服控制系统
US20160006376A1 (en) * 2014-07-04 2016-01-07 Samsung Electronics Co., Ltd. System for controlling fault tolerance
CN105978443A (zh) * 2016-05-06 2016-09-28 深圳市合信自动化技术有限公司 一种具有母线泄放回路检测功能的伺服驱动器
CN206283443U (zh) * 2016-08-31 2017-06-27 上海新力动力设备研究所 电机驱动电路

Cited By (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108923696A (zh) * 2018-06-07 2018-11-30 江苏江荣智能科技有限公司 一种低维护成本的永磁同步电机驱动电路
CN109109479A (zh) * 2018-07-25 2019-01-01 福州市联奇智能科技有限公司 一种可以远程控制的智能盖章机器人系统
CN109167553A (zh) * 2018-09-30 2019-01-08 合肥巨动力系统有限公司 一种基于mcu+cpld架构的电机控制系统安全机制实现方法
CN109474223B (zh) * 2018-10-31 2022-07-12 宁波德业变频技术有限公司 一种深井泵用变频控制系统
CN109474223A (zh) * 2018-10-31 2019-03-15 宁波德业变频技术有限公司 一种深井泵用变频控制系统
CN109560530A (zh) * 2018-12-18 2019-04-02 浙江零跑科技有限公司 基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置及方法
CN109639214A (zh) * 2018-12-31 2019-04-16 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七二研究所) 一种多相电机容错在线切通道过渡过程控制方法
CN109639214B (zh) * 2018-12-31 2021-06-25 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七一二研究所) 一种多相电机容错在线切通道过渡过程控制方法
DE102019206089A1 (de) * 2019-04-29 2020-10-29 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors, Antriebssystem und Kraftfahrzeug
CN110045660A (zh) * 2019-05-14 2019-07-23 河北工业大学 一种数字化极片轧机集成控制器
CN110045660B (zh) * 2019-05-14 2023-10-20 河北工业大学 一种数字化极片轧机集成控制器
CN113021332B (zh) * 2019-12-24 2022-05-27 合肥欣奕华智能机器股份有限公司 一种工业机器人控制系统以及控制设备
CN113021332A (zh) * 2019-12-24 2021-06-25 合肥欣奕华智能机器有限公司 一种工业机器人控制系统以及控制设备
CN113839603A (zh) * 2020-06-08 2021-12-24 杭州先途电子有限公司 一种控制方法、控制系统和控制器
CN112234875B (zh) * 2020-10-28 2023-01-13 北京动力机械研究所 一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统
CN112234875A (zh) * 2020-10-28 2021-01-15 北京动力机械研究所 一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统
CN112398375A (zh) * 2020-11-05 2021-02-23 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种永磁同步电机控制系统及综合保护方法
CN112769361A (zh) * 2021-01-08 2021-05-07 上海航天控制技术研究所 一种数字化智能电机驱动器及驱动方法
WO2022222332A1 (zh) * 2021-04-23 2022-10-27 精进电动科技股份有限公司 一种电机控制器的母线电压采样电路和电机控制器
CN113696737A (zh) * 2021-08-31 2021-11-26 东风汽车集团股份有限公司 一种驱动电机总成及其电机控制模组和控制设备
CN113794384A (zh) * 2021-09-10 2021-12-14 珠海格力电器股份有限公司 一种电容电压控制装置、方法和电机控制设备
CN113794384B (zh) * 2021-09-10 2023-09-29 珠海格力电器股份有限公司 一种电容电压控制装置、方法和电机控制设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107769649A (zh) 基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器
CN107547025B (zh) 超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统及方法
JP2008043196A (ja) インバータ駆動型pmモータ駆動部の故障処理
TWI475778B (zh) 在風電機組中用於檢測撬棍電路的裝置及方法
CN107121630A (zh) 一种电机控制系统的主动短路保护电路的自检方法及装置
CN104767176B (zh) 一种无刷直流电机峰值电流的单周期检测与保护方法
CN103748780A (zh) 一种永磁同步电机的启动方法
CN106549362A (zh) 一种电机及电机保护方法
CN108880344A (zh) 一种转矩控制方法和控制装置
CN106487317B (zh) 电动机驱动装置
CN105515493B (zh) 电镐用开关磁阻调速电机控制器
KR101501718B1 (ko) 영구자석 발전기 자동 제동 제어장치
CN109143064A (zh) 永磁同步电机换向过程中反电动势测试装置及方法
KR101665891B1 (ko) 모터 구동 트랜지스터 이상 감지 장치
CN115411700A (zh) 一种软硬件相结合的五相永磁同步电机过流控制方法
CN204993128U (zh) 新能源汽车永磁同步电机控制装置
CN109842327A (zh) 电动工具
CN105156343B (zh) 一种小功率换气扇
CN103023425A (zh) 高压变频电机空转转速测量电路
CN204967677U (zh) 永磁同步电机电源稳压保护控制系统
EP3576296A1 (en) Method for mitigating negative sequence effect resulting from non-symmetrical short circuit failure of synchronous electric machine based systems machine based systems
CN211500997U (zh) 一种基于水泵的缺水保护控制装置
CN109412480B (zh) 一种无刷励磁发电机灭磁特性的装置及方法
CN208288226U (zh) 一种电机零速度监控以及防护门互锁控制装置
CN205178929U (zh) 一种基于dsp的电梯永磁同步电机的dtc控制系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180306

RJ01 Rejection of invention patent application after publication