CN109039170A - 永磁同步电机的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机的控制系统，包括整流桥、逆变桥、控制板，PWM驱动模块、以及检测保护电路；所述的检测保护电路板包括信号采集单元、用以对所述的信号采集单元的输出进行标幺化的调理电路，以及与所述的调理电路输出连接的保护电路，所述的信号采集单元包括相电压采集单元和电流采集单元，所述的保护电路包括或门，所述的或门的两输入端分别与相电压采集单元和电流采集单元对应的调理电路的输出连接，所述的或门的输出端连接至所述的PWM驱动模块。本发明采用采集后硬件电路进行信号整理后直接控制PWM驱动模块，有效提高控制的鲁棒性，同时，将信号进行标幺化处理，整体电路控制清晰。采用信号调理电路统一了电流，电压的接口信号电平，方便检测电路的设计和归一化应用。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的控制系统。
背景技术
永磁同步电机具有能量密度高、寿命长、无污染、易于维护等优点，在工业控制、能源交通、军事装备等领域获得了广泛的应用。永磁同步电机的控制系统的主电路通常由二极管整流器和逆变器构成，当发生故障或异常情况时，一般通过软件封锁PWM(脉宽调制)信号，控制PWM模块关闭驱动信号，停止逆变器运行的方式进行保护，该种方式适用于大多数故障情况，不过单一的软件保护方式严重依然控制电路的正常运行，一旦控制电路失效，便无法正常工作，同时软件保护方式缺乏对于主电路器件的保护，因此必须设计一种永磁同步电机控制电路的保护装置。
永磁同步电机的控制系统采用单一的软件保护方式时存在以下几个缺点：
(1)运行软件程序的控制芯片存在跑飞、死机的情况，一旦发生故障时不能正常工作，软件将无法执行保护程序，因此单一的软件保护方式存在一定的安全隐患；如何有效进行保护安全设计成为继续解决的问题。
(2)故障时电机控制系统的主电路输入、输出开关没有断开，由于只是停止逆变器的运行，二极管整流桥不受控制，因此整流输出的直流电压一直存在，这也会存在安全问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机的控制系统，能有效提高控制安全性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种永磁同步电机的控制系统，包括整流桥、逆变桥、控制板，PWM驱动模块、以及检测保护电路；所述的检测保护电路板包括信号采集单元、用以对所述的信号采集单元的输出进行标幺化的调理电路，以及与所述的调理电路输出连接的保护电路，所述的信号采集单元包括相电压采集单元和电流采集单元，所述的保护电路包括或门，所述的或门的两输入端分别与相电压采集单元和电流采集单元对应的调理电路的输出连接，所述的或门的输出端连接至所述的PWM驱动模块。
在上述技术方案中，所述调理电路包括用以将采集信号整理为5V信号的信号调理电路，以及运算放大器，所述的运算放大器的正极经第一电阻R1与所述的信号调理电路输出连接，负极与自身输出端相连，输出端经第四电阻R4连接至所述的或门。
在上述技术方案中，还包括输入侧直流接触器，所述的输入侧直流接触器的三对触点对应串接入所述的整流桥的输入相上，所述的保护电路的输出端与输入侧直流接触器控制连接。
在上述技术方案中，所述的保护电路的输出经反相器接三极管的基极，三极管的集电极串接所述的输入侧直流接触器的继电器线圈后接24V，所述的三极管的发射极接地。
在上述技术方案中，还包括防止对母线电容充电时电流过流的预充电电路，所述的预充电电路包括设置在整流桥正极输出端的充电电阻、直流变换电源以及防过流直流接触器，其中，所述的直流变换电源的输入端与整流桥的输出相连接，所述的防过流直流接触器的继电器线圈串接在直流变换电源的输出侧，所述的防过流防过流直流接触器的一对常开触点与所述的充电电阻并联设置。
在上述技术方案中，所述的直流变换电源的输出为24V直流电，所述的防过流直流接触器为24V直流接触器。
在上述技术方案中，还包括直流供电电源，所述的直流供电电源包括以三相输入电源中的U、V相做为输入的直流冗余模块，与所述的直流冗余模块的输出端并接的多个直流电源模块，所述的直流电源模块分别为所述的控制板、检测保护电路及电压检测电路和PWM驱动模块供电。
在上述技术方案中，所述的控制板为DSP控制板，还包括与所述的DSP控制板通讯连接显示装置。
在上述技术方案中，所述的显示装置为LCD显示装置，其与所述的DSP控制板以RS232方式通讯，还包括与所述的DSP控制板通讯的存储芯片，所述的DSP通过隔离芯片以及通讯芯片与所述的LCD显示装置连接。
在上述技术方案中，所述的逆变桥的正极输入端上设置有熔断器。
在上述技术方案中，还包括与所述的控制板通讯的CAN通讯单元，所述的CAN通讯单元为带隔离的CAN芯片。
本发明的优点和有益效果为：
本发明采用采集后硬件电路进行信号整理后直接控制PWM驱动模块，有效提高控制的鲁棒性，同时，将信号进行标幺化处理，整体电路控制清晰。采用信号调理电路统一了电流，电压的接口信号电平，方便检测电路的设计和归一化应用。
附图说明
图1是永磁同步电机的控制系统结构图。
图2为直流供电模块输入侧结构示意图。
图3为直流供电模块的供电部分结构示意图。
图4为LCD显示存储结构示意图。
图5为隔离CAN通讯单元结构示意图。
图6为调理电路结构示意图。
图7为保护电路示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
本发明的永磁同步电机的控制系统包括三相交流电源1、整流桥2、逆变桥3、控制板6，PWM驱动模块7、设置在所述的整流桥的两输出端之间的母线电容5，检测保护电路8，以及永磁同步电机4；所述的检测保护电路板包括信号采集单元、用以对所述的信号采集单元的输出进行标幺化的调理电路，以及与所述的调理电路输出连接的保护电路，所述的信号采集单元包括相电压采集单元和电流采集单元，所述的保护电路包括或门，所述的或门的两输入端分别与相电压采集单元和电流采集单元对应的调理电路的输出连接，所述的或门的输出端连接至所述的PWM驱动模块。
其中，所述调理电路包括用以将采集信号整理为5V信号的信号调理电路，以及运算放大器26，所述的运算放大器的正极经第一电阻R1与所述的信号调理电路输出连接，负极与自身输出端相连，输出端经第四电阻R4连接至所述的或门27。
其具体连接关系如下：
信号调理电路输出的信号Input与电阻R1、R2连接，电阻R2的另一端与GND连接，电阻R1的另一端与电阻R3、电容C1以及运算放大器26的正端连接。电阻R3、电容C1的另一端与GND连接。运算放大器26的负端与自身输出端连接，运算放大器26的输出端与电阻R4、电容C2、二极管D7的负极、二极管D8的正极连接。电容C2的另一端、二极管D7的正极与GND连接，二极管D8的负极与3.3V连接。在所述的运算放大器的输出端设置有两个二极管D7和D8构成的限幅电路，当大于3.3+二极管导通压降时候上边的二极管D8导通，当小于0时二极管D7导通压降时候下边二极管导通，能有效控制进入或门的电压。
由于先通过信号调理电路，将电流、直流电压等信号整理为5V的信号，因此检测电路采用统一的形式进行采集，采集的电机相电流和直流电压已经进行标幺化，采集信号经滤波后直接进入或门。具体地，电流采集单元对应的调理电路的输出电流Iout与电阻R5连接，电阻R5的另一端与电容C3、或门27的1端连接。相电压采集单元对应的调理电路的输出电流Vdout与电阻R6连接，电阻R6的另一端与电容C4、或门27的2端连接。或门27的输出端与发光二极管D9的正极以及PWM驱动模块7连接，发光二极管D9的负极与地连接
本发明采用采集后硬件电路进行信号整理后直接控制PWM驱动模块，有效提高控制的鲁棒性，同时，将信号进行标幺化处理，整体电路控制清晰。
实施例二
为有效截断整流桥侧的输入，本发明的控制系统还包括输入侧直流接触器，所述的输入侧直流接触器的三对触点12对应串接入所述的整流桥的输入相上，所述的保护电路的输出端与输入侧直流接触器30连接。即，所述的保护电路的输出经反相器28接三极管T1的基极，所述的输入侧直流接触器的继电器线圈串接在三极管的集电极上且另一端接24V，所述的三极管的发射极接地。其中输入侧接触器12直接由检测保护电路8控制，检测保护电路8判断是否过流、过压，若发生故障，将保护信号输入到PWM驱动模块7中，通过输出保护信号直接封锁PWM驱动模块7的输出，并由发光二极管D9报警，然后通过反相器拉低电平使继电器线圈使能，从而断开输入侧接触器12，完成硬件保护功能。同时DSP控制板6收到保护信号后，封锁PWM信号，停止程序运行，完成系统软件保护。熔断器17的功能则是为了防止直流母线短路，保护三相逆变器。主电路中采用熔断器代替制动电阻、制动接触器进行保护，直接熔断机制进行保护也是减少控制，提高控制稳定性。
具体如图，三相交流电源1的U、V、W分别与输入接触器12的1、3、5触点连接，输入接触器12的2、4、6触点分别与二极管整流桥2的1、2、3端连接，二极管整流桥2的5端与母线电容5、直流变换电源16的负极以及三相逆变桥3的2端连接。熔断器17的一端连接，熔断器17的另一端与三相逆变桥3的1端连接。三相逆变桥3的3、4、5端分别与永磁同步电机4的A、B、C相连接。
或门27的输出端与反相器28的输入端相连接，反相器28的输出端与电阻R7连接。电阻R7的另一端与三极管T1的基极连接，三极管T1的发射极与AGND连接。三极管T1的集电极与续流二极管D10的正极、继电器线圈Ts连接，续流二极管D10的负极、继电器线圈Ts另一端与+24V连接。
当PWM驱动模块受控停止时，控制信号经反相器后使得输入侧直流接触器线圈导通，完成前端的电流断开，实现整体控制。
实施例三
在上述实施例的基础上，还包括防止对母线电容充电时电流过流的预充电电路，所述的预充电电路包括设置在整流桥正极输出端的充电电阻14、直流变换电源16以及防过流直流接触器，其中，所述的直流变换电源的输入端与整流桥的输出相连接，所述的防过流直流接触器的继电器线圈串接在直流变换电源的输出侧，所述的防过流防过流直流接触器的一对常开触点13与所述的充电电阻14并联设置。其中，所述的直流变换电源的输出为24V直流电，所述的防过流直流接触器为24V直流接触器。
其中，所述的直流变换电源的输出为24V直流电，所述的防过流直流接触器为24V防过流直流接触器。本发明的整流桥输出的直流电压是直流变换电源的输入电压，直流变换电源相当于降压电源，在对母线电容进行充电初期，直流变换电源的输入端电压比较小，当母线电容趋于饱和时，直流变换电源的输入端电压逐步增大，只有当整流桥输出的直流电压达到480V左右时，直流变换电源的输出电压才能达到24V，而只有24V电压才能让防过流直流接触器吸合，将充电电阻短接。当三相电断开或整流桥故障时，整流桥输出的直流电压不断下降，当低于480V时，直流变换电源无法输出24V直流电，防过流直流接触器便断开，充电电阻重新串联到电路中，有效保证母线电容的放电安全，整个过程无需外部信号控制，简单可靠，完全取决于母线电容是否达到相应电压值，控制稳定高，用并联在母线电容两侧的直流电压源控制接触器代替了原有的DSP控制信号，只要二极管整流器输出的直流电压达到一定值，便可以自动吸合，将充电电阻短接，无需DSP控制。
实施例四
本发明还包括输入端接交流电的直流供电电源，所述的直流供电电源包括以三相输入电源中的U、V相做为输入的直流冗余模块18，与所述的直流冗余模块18的输出端并接的多个直流电源模块，所述的直流电源模块分别为所述的控制板、检测保护电路及电压检测电路和PWM驱动模块供电。采用冗余供电方式，增强系统控制电的冗余能力，保证直流电的稳定供应，降低系统缺相造成控制电断开的概率。
具体如图所示，直流供电电源9为DSP控制板6和LCD显示输入10提供电源，其中直流电源9首先采用直流冗余模块提供24V直流电，其中直流冗余模块18可选用明纬电源的直流冗余模DR-RDN20，该模块采用冗余设计，利用三相输入电源中的U、V相做为输入，U、V相互为备用，产生+24V直流电，能最大限度的保证控制电正常。再通过金升阳公司的直流电源模块(型号为IB2405LS-1W、WRA2415S-3W以及K7803-500R2)分别将24V转换为为+5V、±15V以及+3.3V，其具体连接方式如下：
直流冗余模块18的+24信号分别与电容DVC1、DVC2的正极以及第一直流模块18的Vin相连接，电容DVC1、DVC2的负极与GND、第一直流模块18的GND相连接,+5V信号、电容DVC3的正极、DVR1的一端与第一直流模块18的Vout连接，电容DVC3的负极与DVR1的另一端与第一直流模块18的0V连接。
直流冗余模块18的+24信号分别与电容DVC4、DVC5的正极以及第二直流模块19的Vin相连接，电容DVC4、DVC5的负极与GND、第二直流模块19的GND相连接,+15V信号、电容DVC6、DVC7的正极与第二直流模块19的V+连接，电容DVC6、DVC7的负极与第二直流模块19的0V连接。电容DVC8、VC9的正极与第二直流模块19的0V连接，-15V信号、电容DVC8、DVC9的负极与直流模块19的V-连接。
直流冗余模块18的+24信号分别与电容DVC10、DVC11的正极以及第三直流模块20的Vin相连接，电容DVC10、DVC11的负极与GND、第三直流模块20的GND相连接,+3.3V信号、电容DVC12的正极与第三直流模块20的Vout连接，电容DVC12的负极与与GND连接。
实施例五
所述的控制板为DSP控制板，还包括与所述的DSP控制板通讯连接显示装置。具体地，所述的显示装置为LCD显示装置，其与所述的DSP控制板以RS232方式通讯，还包括与所述的DSP控制板通讯的存储芯片，所述的DSP通过通讯芯片与所述的LCD显示装置连接。
其中，还包括与所述的DSP控制板通讯的存储芯片，所述的DSP通过通讯芯片与所述的LCD显示装置连接，同时为防止干扰，采用IS07221隔离芯片对信号进行隔离，进一步提高了抗干扰性，存储单元采用AT2404芯片存储电机控制系统的主要参数。增加隔离芯片，提高通讯抗干扰能力和稳定性。
具体连接如下：
存储芯片22的A0、A1、A2、VSS以及WP端与GND连接，VCC端与+5V连接，SCL、SDA端分别与DSP控制板6的GPIO33、GPIO32相连接。DSP控制板6的GPIO14、GPIO13分别与隔离芯片23的INA、OUTA相连接，隔离芯片23的VCCA、GNDA分别与+3.3V和GND连接，隔离芯片23的OUTB、INB分别与通讯芯片24的SCITX、SCIRX端相连接，隔离芯片23的VCCB、GNDB分别与+3.3V和DGND连接。通讯芯片24的Tx+、Tx-、Rx+、Rx-端分别与LCD显示输入10的2、3、4、6端相连接。
同时所述的还包括与所述的控制板通讯的CAN通讯单元，所述的CAN通讯单元为带隔离的CAN芯片。CAN通讯单元采用带隔离的CAN芯片(型号为ISO1050)进行通讯，不仅提高了抗干扰性，而且无需外加其他隔离芯片，其连接方式如下：
CAN通讯端子分别与CAN通讯芯片25(型号为ISO1050)的CANH、CANL连接，CAN通讯芯片25的VCCB、GNDB分别与+5V电源、DGND连接。CAN通讯芯片25的VCCA、GNDA分别与+3.3V、GND连接。CAN通讯芯片25的TX、RX分别与DSP控制板6的GPIO31、GPIO30连接。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：包括整流桥、逆变桥、控制板、PWM驱动模块、以及检测保护电路；所述的检测保护电路包括信号采集单元、用以对所述的信号采集单元的输出进行标幺化的调理电路，以及与所述的调理电路输出连接的保护电路，所述的信号采集单元包括相电压采集单元和电流采集单元，所述的保护电路包括或门，所述的或门的两输入端分别与相电压采集单元和电流采集单元对应的调理电路的输出连接，所述的或门的输出端连接至所述的PWM驱动模块。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述调理电路包括用以将采集信号整理为5V信号的信号调理电路，以及运算放大器，所述的运算放大器的正极经第一电阻R1与所述的信号调理电路输出连接，负极与自身输出端相连，输出端经第四电阻R4连接至所述的或门。
3.如权利要求1所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于：还包括输入侧直流接触器，所述的输入侧直流接触器的三对触点对应串接入所述的整流桥的输入相上，所述的保护电路的输出端与输入侧直流接触器控制连接。
4.如权利要求3所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的保护电路的输出经反相器接三极管的基极，三极管的集电极串接所述的输入侧直流接触器的继电器线圈后接24V，所述的三极管的发射极接地。
5.如权利要求1所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于：还包括防止对母线电容充电时电流过流的预充电电路，所述的预充电电路包括设置在整流桥正极输出端的充电电阻、直流变换电源以及防过流直流接触器，其中，所述的直流变换电源的输入端与整流桥的输出相连接，所述的防过流直流接触器的继电器线圈串接在直流变换电源的输出侧，所述的防过流防过流直流接触器的一对常开触点与所述的充电电阻并联设置。
6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的直流变换电源的输出为24V直流电，所述的防过流直流接触器为24V直流接触器。
7.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：还包括直流供电电源，所述的直流供电电源包括以三相输入电源中的U、V相做为输入的直流冗余模块，与所述的直流冗余模块的输出端并接的多个直流电源模块，所述的直流电源模块分别为所述的控制板、检测保护电路及电压检测电路和PWM驱动模块供电。
8.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的控制板为DSP控制板，还包括与所述的DSP控制板通讯连接显示装置。
9.根据权利要求8所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的显示装置为LCD显示装置，其与所述的DSP控制板以RS232方式通讯，还包括与所述的DSP控制板通讯的存储芯片，所述的DSP通过隔离芯片以及通讯芯片与所述的LCD显示装置连接。
10.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的逆变桥的正极输入端上设置有熔断器。
11.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：还包括与所述的控制板通讯的CAN通讯单元，所述的CAN通讯单元为带隔离的CAN芯片。
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