CN111817628B - 极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置及方法 - Google Patents

极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置及方法，该装置包括ARM+FPGA架构的双控制核心线路、三相相电流反馈采样的线路、功率驱动线路线路、强弱电隔离线路、测角功能线路、故障检测保护功能线路、数字和模拟部分电源、通信接口线路。本发明通过ARM完成FOC控制算法和速度滤波，FPGA完成低通SINC3滤波器来实现对delta‑sigma型ADC数字滤波器的结果进行滤波得到真实的电流值，光栅角度的读取以及对电流信号的过流检测、保护信号的处理、对外通讯接口等功能。此结构能更好实现FOC+SVPWM电机算法，并结合伺服控制算法实现了全数字化、小型化的设计理念，读取定子的电流、转子的位置及速度，电流环、速度环、位置环三环控制。

Description

极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置及方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制技术领域，尤其是一种极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置及方法。
背景技术
永磁同步电机是一种无刷电机，使用永磁同步电机替代直流有刷电机可提升旋转式惯导设备中电机在长时间连续旋转工作条件下的可靠性。捷联式惯导和高精度转台需要工作在低速甚至超低速的状态下，单、双轴捷联系统基本运行的速度范围为0.5～1rpm，但目前针对低速运行系统的平稳控制的关键技术未有效突破，这造成了捷联式惯导设备应用永磁同步电机的技术瓶颈，是永磁同步电机在捷联式惯导上未实现工程应用的主要原因。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、精度高且性能稳定的极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置及方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置，包括FPGA、ARM、RS422通信模块、信号隔离电路、圆光栅接口模块、故障指示模块、三路隔离模块、三相电流采样调理电路、电机模块、功率驱动模块、PWM控制信号隔离模块、保护电路、保护信号隔离模块、电平转换模块、信号隔离模块、温度检测电路和母线采样电路；所述ARM包括A/D转换模块、SPWM发生器、角度处理模块，所述FPGA包括通讯模块、Sinc3滤波器模块、Biss协议处理模块；所述RS422通信模块输出端连接信号隔离电路输入端，信号隔离电路输出端连接通讯模块输入端，圆光栅接口模块输出端连接Biss协议处理模块输入端，Biss协议处理模块输出端连接故障指示模块输入端，电机模块输出端连接三相电流采样调理电路输入端，三相电流采样调理电路输出端连接三路隔离模块输入端，三路隔离模块输出端分别连接Sinc3滤波器模块输入端、电机模块输出端连接保护电路输入端，保护电路输出端连接保护信号隔离模块输入端，保护信号隔离模块输出端连接电平转换模块输入端，电平转换模块输出端连接PWM控制信号隔离模块输入端，PWM控制信号隔离模块输出端连接功率驱动模块输入端，功率驱动模块输出端连接电机模块的输入端，电机模块输出端分别连接温度检测电路输入端和母线采样电路输入端，温度检测电路输出端和母线采样电路输出端分别连接信号隔离模块输入端，信号隔离模块输出端连接A/D转换模块。
所述功率驱动模块采用BSC046N10NS3G系列MOS管和集成MOS栅极驱动模块IR2110组合的驱动电路；所述三相电流采样调理电路采用温度性能良好的高精度合金电阻；所述母线采样电路采用隔离式ADC采样电路；所述ARM采用STM32F407模块；所述FPGA采用XC6SLX25-2-FTG256I模块；所述三路隔离模块采用电阻分流器结合隔离Σ-ΔADC方案，所述隔离式Σ-Δ数字ADC为AMC1306模块。
所述故障指示模块为欠压、过压、过流、过热超温故障指示模块。
一种极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、读取并处理转子的实时位置信息，位置指令信号与实时位置信号相减得到位置控制误差量，输入位置环控制器；
步骤2、位置环控制器的输出信号分别减经处理的转子速度信号，输入速度环控制器；
步骤3、采样电机的相电流并转换，通过clark及park变换得到q轴及d轴的信号；
步骤4、采用Id＝0控制策略，速度环控制器输出信号与经处理的转子q轴电流进行比较得到误差量作为q轴电流环控制器的输入，d轴电流环控制器的输入设定为0；
步骤5、q轴、d轴电流环控制器分别对电机的电流进行校正控制，反park变换后输入SVPWM模块，SVPWM模块产生PWM波，驱动电机旋转。
所述步骤1的具体实现方法为：圆光栅接口将转子信息输入Biss协议处理模块，并由FPGA将信号传输至ARM，ARM内的角度处理模块处理位置信号后将位置信号输入至FOC算法，FOC算法将位置信息与位置指令信号相减，输入位置环控制器。
所述步骤2的具体实现方法为：ARM将位置信息处理并转换为速度信号并输入至FOC算法，FOC算法将位置环控制器输出信号减经处理的转子速度信号，输入速度环控制器。
所述步骤3的具体实现方法为：三相电流采集调理电路采集并调理三相电机的电流，并将调理后的电流输入至三相隔离电路，三相隔离电路将监测到的电流值转换为数字信号曼彻斯特码形式并与转换时钟一起输入至Sinc3滤波器模块，Sinc3滤波器的输出通过FSMC总线传输，ARM在每一个FOC解算周期的规定采样点去读取相应通道的电流值。
所述步骤5的具体实现方法为：FOC算法对q轴、d轴电流环控制器分别进行反park变换后输入SVPWM模块，SVPWM模块将信号输出至电平转换模块，转换电平后的信号输入至PWM控制信号隔离模块，PWM控制信号隔离模块将输出信号输入至功率驱动模块来对电机的电流经行修正。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过ARM完成FOC控制算法和速度滤波，FPGA完成低通SINC3滤波器来实现对delta-sigma型ADC数字滤波器的结果进行滤波得到真实的电流值，光栅角度的读取以及对电流信号的过流检测、保护信号的处理、对外通讯接口等功能。此结构使ARM和FPGA充分发挥各自的优势，同时在性能上还弥补了各自的不足，节约了大量时间和资源，提高了系统的性能；并能更好更快的实现FOC+SVPWM的电机算法，并结合伺服控制算法，实现了全数字化、小型化的设计理念，读取定子的电流、转子的位置及速度，对电流的实时控制。并能够实现电流环、速度环、位置环三环控制，从而完成控制任务。
2、本发明通过采用电阻分流器结合隔离Σ-ΔADC方案，直接得到电流的高速的数据位流，采用Sinc3滤波器进行滤波，不需要乘法器实现，占用空间少，得到的电流精度也很高，适合FPGA实现，而且在FPGA很灵活实现不同的拓扑结构组合滤波，方便结合不同的控制算法来提高控制效果。
附图说明
图1是本发明的控制装置电路方框图；
图2是本发明的控制原理框图；
图3是本发明进行测试时得到的速度闭环控制转速曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置，如图1所示，包括FPGA、ARM、RS422通信模块、信号隔离电路、圆光栅接口模块、欠压、过压、过流、过热超温故障指示模块、三路隔离模块、三相电流采样调理电路、电机模块、功率驱动模块、PWM控制信号隔离模块、保护电路、保护信号隔离模块、电平转换模块、信号隔离模块、温度检测电路、母线采样电路，其中ARM包括A/D转换模块、SPWM发生器、角度处理模块，FPGA包括通讯模块、Sinc3滤波器模块、Biss协议处理模块；其中RS422通信模块输出端连接信号隔离电路输入端，信号隔离电路输出端连接通讯模块输入端、圆光栅接口模块输出端连接Biss协议处理模块输入端、Biss协议处理模块输出端连接欠压、过压、过流、过热超温故障指示模块输入端、电机模块输出端连接三相电流采样调理电路输入端、三相电流采样调理电路输出端连接三路隔离模块输入端、三路隔离模块输出端分别连接Sinc3滤波器模块输入端、电机模块输出端连接保护电路输入端、保护电路输出端连接保护信号隔离模块输入端、保护信号隔离模块输出端连接电平转换模块输入端、电平转换模块输出端连接PWM控制信号隔离模块输入端、PWM控制信号隔离模块输出端连接功率驱动模块输入端、功率驱动模块输出端连接电机模块的输入端、电机模块输出端分别连接温度检测电路输入端和母线采样电路输入端、温度检测电路输出端和母线采样电路输出端分别连接信号隔离模块输入端、信号隔离模块输出端连接A/D转换模块。
而且，所述功率驱动模块选择了超小型封装的BSC046N10NS3G系列MOS管和集成MOS栅极驱动模块IR2110组合的驱动电路以满足电机起动电流的额定值可能是稳态运行电流的3～6倍。三相电流采样调理电路采用温度性能良好的高精度合金电阻。电流、电压的采样采用隔离式ADC采样电路以满足由于惯导设备的工作环境较为恶劣，降低电机工作时电流波动对系统的影响。ARM采用STM32F407，FPGA采用XC6SLX25-2-FTG256I(Sparton-6)，ARM+FPGA的硬件架构，集高性能的浮点运算处理系统和可编程逻辑于一体，提供出色的并行处理处理能力、实时性能高，以满足FOC+SVPWM的电机算法。三路隔离模块采用电阻分流器结合隔离Σ-ΔADC方案，其中隔离式Σ-Δ数字ADC为AMC1306。
一种适用于极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制方法，如图2所示，所述方法的具体步骤包括：
⑴、读取并处理转子位置信息得到位置信号，位置指令信号减位置信号，输入位置环控制器。本步骤的具体实现方法为：圆光栅接口将转子信息输入Biss协议处理模块，并由FPGA将信号传输至ARM，ARM内的角度处理模块处理位置信号后将位置信号输入至FOC算法，FOC算法将位置信息与位置指令信号相减，输入至位置环控制器。
⑵、位置环控制器输出信号减经处理的转子速度信号，输入速度环控制器。本步骤的具体实现方法为：ARM将位置信息处理并转换为速度信号并输入至FOC算法模块，FOC算法模块将位置环控制器输出信号减经处理的转子速度信号，分别输入速度环控制器。
⑶、采样电机的相电流并转换，通过clark及park变换得到q轴及d轴的信号。本步骤的具体实现方法为：三相电流采集调理电路采集并调理三相电机的电流，并将调理后的电流输入至三相隔离电路，三相隔离电路将监测到的电流值转换为数字信号曼彻斯特码形式并与转换时钟一起输入至Sinc3滤波器模块，Sinc3滤波器的输出通过FSMC总线传输，ARM在每一个FOC解算周期的规定采样点去读取相应通道的电流值。
⑷、速度环控制器输出信号与经处理的转子q轴电流进行比较得到误差量作为q轴电流环控制器的输入，采用Id＝0控制策略，d轴电流环控制器的输入设定为0；
⑸、q轴、d轴电流环控制器分别进行反park变换后输入SVPWM模块，SVPWM模块控制EPWM对电机的电流进行修正。本步骤的具体实现方法为：FOC算法对q轴、d轴电流环控制器分别进行反park变换后输入SVPWM模块，SVPWM模块将信号输出至电平转换模块，转换电平后的信号输入至PWM控制信号隔离模块，PWM控制信号隔离模块将输出信号输入至功率驱动模块来对电机的电流经行修正。
而且，对外通信方法为RS422通信模块将接受的信号输入信号隔离电路，信号隔离电路再输出至通讯模块；电流信号的过流检测方法为温度检测电路和母线采样电路检测电机的信息，并转换成信号通过信号隔离模块输入至A/D转换模块，ARM将信号输入至FPGA，FPGA的Biss协议处理模块将信号输出至欠压、过压、过流、过热超温故障指示模块，强弱电隔离的方法为连接在电平转换模块与电机之间的保护隔离电路及保护电路。
下面，为验证本发明一种极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置及方法的正确性和精度，进行了仿真工作，以验证控制器可实现性；并按现有旋转式惯导设备的技术参数，设计并生产了装配有永磁同步电机和光栅的测试平台，在测试平台上对控制驱动器进行综合调试。
在测试系统上进行速度闭环控制和位置闭环控制的实验，速度控制模式时当转速分别为0.5rpm(3°/s)、1rpm(6°/s)时，转子速度如图3所示，其速度的平稳性达到2％。
上述测试结果证明本发明能够用于极低转速旋转系统中的全数字永磁同步电机控制，实现了在极低速旋转要求下对永磁同步电机的高精度的控制要求。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置，其特征在于：包括FPGA、ARM、RS422通信模块、信号隔离电路、圆光栅接口模块、故障指示模块、三路隔离模块、三相电流采样调理电路、电机模块、功率驱动模块、PWM控制信号隔离模块、保护电路、保护信号隔离模块、电平转换模块、信号隔离模块、温度检测电路和母线采样电路；所述ARM包括A/D转换模块、SPWM发生器、角度处理模块，所述FPGA包括通讯模块、Sinc3滤波器模块、Biss协议处理模块；所述RS422通信模块输出端连接信号隔离电路输入端，信号隔离电路输出端连接通讯模块输入端，圆光栅接口模块输出端连接Biss协议处理模块输入端，Biss协议处理模块输出端连接故障指示模块输入端，电机模块输出端连接三相电流采样调理电路输入端，三相电流采样调理电路输出端连接三路隔离模块输入端，三路隔离模块输出端分别连接Sinc3滤波器模块输入端、电机模块输出端连接保护电路输入端，保护电路输出端连接保护信号隔离模块输入端，保护信号隔离模块输出端连接电平转换模块输入端，电平转换模块输出端连接PWM控制信号隔离模块输入端，PWM控制信号隔离模块输出端连接功率驱动模块输入端，功率驱动模块输出端连接电机模块的输入端，电机模块输出端分别连接温度检测电路输入端和母线采样电路输入端，温度检测电路输出端和母线采样电路输出端分别连接信号隔离模块输入端，信号隔离模块输出端连接A/D转换模块。
2.根据权利要求1所述的极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述功率驱动模块采用BSC046N10NS3G系列MOS管和集成MOS栅极驱动模块IR2110组合的驱动电路；所述三相电流采样调理电路采用温度性能良好的高精度合金电阻；所述母线采样电路采用隔离式ADC采样电路；所述ARM采用STM32F407模块；所述FPGA采用XC6SLX25-2-FTG256I模块；所述三路隔离模块采用电阻分流器结合隔离Σ-ΔADC方案，所述隔离式Σ-Δ数字ADC为AMC1306模块。
3.根据权利要求1所述的极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述故障指示模块为欠压、过压、过流、过热超温故障指示模块。
4.一种如权利要求1或2或3所述极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、读取并处理转子的实时位置信息，位置指令信号与实时位置信号相减得到位置控制误差量，输入位置环控制器；
步骤2、位置环控制器的输出信号分别减经处理的转子速度信号，输入速度环控制器；
步骤3、采样电机的相电流并转换，通过clark及park变换得到q轴及d轴的信号；
步骤4、采用Id＝0控制策略，速度环控制器输出信号与经处理的转子q轴电流进行比较得到误差量作为q轴电流环控制器的输入，d轴电流环控制器的输入设定为0；
步骤5、q轴、d轴电流环控制器分别对电机的电流进行校正控制，反park变换后输入SVPWM模块，SVPWM模块产生PWM波，驱动电机旋转。
5.根据权利要求4所述极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：圆光栅接口将转子信息输入Biss协议处理模块，并由FPGA将信号传输至ARM，ARM内的角度处理模块处理位置信号后将位置信号输入至FOC算法模块，位置指令信号分别减位置实时信号，输入至位置环控制器。
6.根据权利要求4所述的极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：ARM将位置信息处理并转换为速度信号并输入至FOC算法，FOC算法将位置环控制器输出信号分别减经处理的转子速度信号，输入速度环控制器。
7.根据权利要求4所述极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：三相电流采集调理电路采集并调理三相电机的电流，并将调理后的电流输入至三相隔离电路，三相隔离电路将监测到的电流值转换为数字信号曼彻斯特码形式并与转换时钟一起输入至Sinc3滤波器模块，Sinc3滤波器的输出通过FSMC总线传输，ARM在每一个FOC解算周期的规定采样点去读取相应通道的电流值。
8.根据权利要求4所述极低转速旋转系统的全数字永磁同步电机控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤5的具体实现方法为：FOC算法对q轴、d轴电流环控制器分别进行反park变换后输入SVPWM模块，SVPWM模块将信号输出至电平转换模块，转换电平后的信号输入至PWM控制信号隔离模块，PWM控制信号隔离模块将输出信号输入至功率驱动模块来对电机的电流经行修正。
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