CN107786132A - 一种用于高功率密度电机的高速、高精度伺服控制系统 - Google Patents

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酒晨霄
包艳
赵小鹏
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尹舒平
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Abstract

本发明公开了一种用于高功率密度电机的高速、高精度伺服控制系统。本发明在智能功率模块(7)和高功率密度电机(9)之间嵌入补偿电感组(8)的方式，间接增大高功率密度电机(9)内部的相电感，减小了电机相电流波动并提高了电机运行平稳性。本发明对电机反馈的模拟信号和数字信号进行高速、精确的调理，提高了整个控制系统的实时性和控制精度，满足高功率密度电机(9)的伺服控制需求。本发明采用多种故障保护措施，极大增加了控制系统的可靠性。本发明具有霍尔传感器(13)和旋转变压器(15)接口，用以适应多种控制算法，提高了控制系统的适用范围。

Description

一种用于高功率密度电机的高速、高精度伺服控制系统
技术领域
本发明属于伺服控制技术，具体涉及一种用于高功率密度电机的高速、高精度伺服控制系统。
背景技术
高功率密度电机具有轴向结构紧凑、功率密度大、可直接驱动高速负载等优点，已经越来越多的应用在航空航天等领域中。这种电机没有定子铁心，因此无涡流损耗、磁滞损耗，因此电机功率密度较大，但同样是因为无铁心结构，导致此种电机定子绕组相电感极小，电机控制时电流不平稳，造成电机力矩输出波动大。如何实现电机的高速、稳定运行是伺服控制系统急需解决的问题。
目前，电机伺服控制系统仅能实现常规直流电机、异步机、同步机的伺服控制，尚无对高转速的高功率密度电机相匹配的伺服控制系统。
发明内容
本发明的目的是：提出了一种用于高功率密度电机的高速、高精度伺服控制系统。本发明通过在智能功率模块7和高功率密度电机9之间嵌入补偿电感组8的方式，间接增大高功率密度电机9内部定子绕组的相电感以抑制控制电流波动和提高电机电磁力矩的输出平稳性。通过对电机反馈的模拟信号和数字信号进行高速、精确的调理，大大提高整个控制系统的实时性和控制精度，满足高功率密度电机9的伺服控制需求。采用多种故障保护措施，极大增加控制系统的可靠性，使电机安全运行。
本发明的技术方案是：一种用于高功率密度电机的高速、高精度伺服控制系统，该发明包括高压直流电源1、母线监控模块2、故障检测模块3、温度监测模块4、数字信号处理器5、高速隔离器6、智能功率模块7、补偿电感8、高功率密度电机9、高速AD转换模块10、相电流检测模块11、信号处理电路12、霍尔传感器13、解调电路14、旋转变压器15、隔离CAN总线收发器16。高压直流电源1输出300V高压，一方面作为智能功率模块7的直流母线电源，另一方面经过母线监控模块2检测和调理，输入到数字信号处理器5，实时监测母线电压和母线电流。故障检测模块3检测智能功率模块7的故障信号，并输出到数字信号处理器5。温度监测模块4检测高功率密度电机9内部温度并调理输出过热信号到数字信号处理器5，以防止电机由于温度过高导致失效。数字信号处理器5通过隔离CAN总线收发器16接收CAN总线上的速度指令并结合霍尔传感器13或者旋转变压器15反馈的转子位置值和速度值，实时输出有效控制信号组至高速隔离器6，以控制高功率密度电机9。当数字信号处理器5检测到母线监控模块2的过流和过压信号、故障检测模块3的故障信号或者温度监测模块4的电机过热信号三者中的任何一个信号时，数字信号处理器5关闭控制信号组输出。高速隔离器6将输入的控制信号组进行隔离保护和电平转换后，输出至智能功率模块7。智能功率模块7根据来自高速隔离器6输入的控制信号组顺序开启智能功率模块7内部的开关管以控制高功率密度电机9。补偿电感组8嵌入在智能功率模块7和高功率密度电机9之间，用来间接提高高功率密度电机9内部的相电感以减小控制电流波动和提高电机运行平稳性。相电流检测模块11检测补偿电感组8输出的电机两相电流至高速AD转换模块10。高速AD转换模块10将输入的电机两相电流进行调理并经高速AD转换成数字信号，输入到数字信号处理器5以进行电机电流环控制。霍尔传感器13感应高功率密度电机9转子磁钢位置，输出位置信号经过信号处理电路12滤波和整形后，输出到数字信号处理器5，实现高功率密度电机9的三相六状态控制。旋转变压器15可以360度精确反映高功率密度电机9转子磁钢位置，输出位置信号经过解调电路14解调后输出到数字信号处理器5，实现高功率密度电机9的空间矢量控制。
本发明的特点在于(1)在智能功率模块7和高功率密度电机9之间嵌入补偿电感组8的方式，间接增大高功率密度电机9内部的相电感，可减小电机相电流波动并提高电机运行平稳性；(2)对电机反馈的模拟信号和数字信号进行高速、精确的调理，提高了整个控制系统的实时性和控制精度，满足高功率密度电机9的伺服控制需求；(3)采用多种故障保护措施，极大增加了控制系统的可靠性；(4)具有霍尔传感器13和旋转变压器15接口，用以适应多种控制算法，提高了控制系统的适用范围。
本发明的有益效果是：嵌入的补偿电感组8间接增大了高功率密度电机9内部的相电感，极大减小了电机相电流波动并提高了电机运行平稳性。对电机反馈的模拟信号和数字信号进行高速、精确的调理，大大提高了整个控制系统的实时性和控制精度，满足了高功率密度电机9的伺服控制需求。采用了多种故障保护措施，极大增加了控制系统的可靠性，使电机运行平稳安全。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明所述用于高功率密度电机的高速、高精度伺服控制系统的结构示意图；
其中，1-高压直流电源；2-母线监控模块；3-故障检测模块；4-温度监测模块；5-数字信号处理器；6-高速隔离器；7-智能功率模块；8-补偿电感；9-高功率密度电机；10-高速AD转换模块；11-相电流检测模块；12-信号处理电路；13-霍尔传感器；14-解调电路；15-旋转变压器；16-隔离CAN总线收发器。
具体实施方式
本发明包括有高压直流电源1(输出电压0～300V，电流0～100A)、母线监控模块2(主要由电流传感器LA100-P、电压传感器LV25_P和运算放大器OPA2227U组成)、故障检测模块3(主要由DM74LS08和PC817XI3组成)、温度监测模块4(由OPA2227U组成的比例运算放大电路)、数字信号处理器5(TMS320F28335)、高速隔离器6(由HCPL4504和外围电阻、电容组成)、智能功率模块7(PM150RLA060)、补偿电感8(由三个感值为120mH的电感组成)、高功率密度电机9、高速AD转换模块10(AD7329)、相电流检测模块11(LA100-P)、信号处理电路12(由OPA2227U组成的比例运算放大电路)、霍尔传感器13(HK3040G)、解调电路14(主要由AD2S1200WST组成)、旋转变压器15(TS2225N12E)、隔离CAN总线收发器16(ISO1050DUBR)。
本发明中高压直流电源1输出300V高压U1和50A电流I1，一方面作为智能功率模块7的直流母线电源，另一方面经过母线监控模块2检测和调理，输入到数字信号处理器5，实时监测母线电压和母线电流。
故障检测模块3检测智能功率模块7的故障信号Ufo、Wfo、Vfo，并输出故障标识FO到数字信号处理器5，以保护智能功率模块7。
温度监测模块4检测高功率密度电机9内部温度TEMP并调理输出过热信号DSP_TEMP到数字信号处理器5，以防止电机由于温度过高导致失效。
数字信号处理器5通过隔离CAN总线收发器16接收CAN总线上的速度指令并结合霍尔传感器13或者旋转变压器15反馈的转子位置值和速度值，实时输出有效控制信号组G1～G6至高速隔离器6，以控制高功率密度电机9。
数字信号处理器5检测到母线监控模块2的过流信号I2和过压信号U2、故障检测模块3的故障信号FO或者温度监测模块4的电机过热信号DSP_TEMP三者中的任何一个信号时，数字信号处理器5关闭控制信号组G1～G6输出。
高速隔离器6将输入的控制信号组G1～G6进行隔离保护和电平转换后，输出OUT1～OUT6至智能功率模块7。
智能功率模块7根据来自高速隔离器6输入的控制信号组OUT1～OUT6顺序开启智能功率模块7内部的开关管以控制高功率密度电机9。
补偿电感组8嵌入在智能功率模块7和高功率密度电机9之间，用来间接提高高功率密度电机9内部的相电感以减小控制电流波动和提高电机伺服控制效率。
相电流检测模块11检测补偿电感组8输出的电机两相电流IA、IB至高速AD转换模块10。
高速AD转换模块10将输入的电机两相电流IA、IB进行调理并经高速AD转换成数字信号，输入DSP_IA、DSP_IB信号到数字信号处理器5以进行电机电流环控制。
霍尔传感器13感应高功率密度电机9转子磁钢位置，输出位置信号组HALLA～HALLC经过信号处理电路12滤波和整形后，输出信号组HA～HC到数字信号处理器5，实现高功率密度电机9的三相六状态控制。
旋转变压器15可以360度精确反映高功率密度电机9转子磁钢位置，输出位置信号XSIN、XCOS经过解调电路14解调后输出12位数据D1～D12到数字信号处理器5，实现高功率密度电机9的空间矢量控制。

Claims (1)

1.一种用于高功率密度电机的高速、高精度伺服控制系统，包括高压直流电源(1)、母线监控模块(2)、故障检测模块(3)、温度监测模块(4)、数字信号处理器(5)、高速隔离器(6)、智能功率模块(7)、补偿电感(8)、高功率密度电机(9)、高速AD转换模块(10)、相电流检测模块(11)、信号处理电路(12)、霍尔传感器(13)、解调电路(14)、旋转变压器(15)、隔离CAN总线收发器(16)，其特征在于：
高压直流电源(1)，一方面作为智能功率模块(7)的直流母线电源，另一方面经过母线监控模块(2)检测和调理，输入到数字信号处理器(5)，实时监测母线电压和母线电流；
故障检测模块(3)检测智能功率模块(7)的故障信号，并输出到数字信号处理器(5)；
温度监测模块(4)检测高功率密度电机(9)内部温度并调理输出过热信号到数字信号处理器(5)，以防止电机由于温度过高导致失效；
数字信号处理器(5)通过隔离CAN总线收发器(16)接收CAN总线上的速度指令并结合霍尔传感器(13)或者旋转变压器(15)反馈的转子位置值和速度值，实时输出有效控制信号组至高速隔离器(6)，以控制高功率密度电机(9)；
数字信号处理器(5)检测到母线监控模块(2)的过流和过压信号、故障检测模块(3)的故障信号或者温度监测模块(4)的电机过热信号三者中的任何一个信号时，数字信号处理器(5)关闭控制信号组输出；
高速隔离器(6)将输入的控制信号组进行隔离保护和电平转换后，输出至智能功率模块(7)；
智能功率模块(7)根据来自高速隔离器(6)输入的控制信号组顺序开启智能功率模块(7)内部的开关管以控制高功率密度电机(9)；
补偿电感组(8)嵌入在智能功率模块(7)和高功率密度电机(9)之间，用来间接提高高功率密度电机(9)内部的相电感以减小控制电流波动和提高电机运行平稳性；
相电流检测模块(11)检测补偿电感组(8)输出的电机两相电流至高速AD转换模块(10)；
高速AD转换模块(10)将输入的电机两相电流进行调理并经高速AD转换成数字信号，输入到数字信号处理器(5)以进行电机电流环控制；
霍尔传感器(13)感应高功率密度电机(9)转子磁钢位置，输出位置信号经过信号处理电路(12)滤波和整形后，输出到数字信号处理器(5)，实现高功率密度电机(9)的三相六状态控制；
旋转变压器(15)可以360度精确反映高功率密度电机(9)转子磁钢位置，输出位置信号经过解调电路(14)解调后输出到数字信号处理器(5)，实现高功率密度电机(9)的空间矢量控制。
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