CN112910363B - 一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统 - Google Patents

一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112910363B
CN112910363B CN202110087465.5A CN202110087465A CN112910363B CN 112910363 B CN112910363 B CN 112910363B CN 202110087465 A CN202110087465 A CN 202110087465A CN 112910363 B CN112910363 B CN 112910363B
Authority
CN
China
Prior art keywords
control
motor
voltage
sine wave
square wave
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.)
Active
Application number
CN202110087465.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112910363A (zh
Inventor
陈宝栋
毛琨
郭傲
张旨
杨伟伟
郑世强
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.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
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 Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202110087465.5A priority Critical patent/CN112910363B/zh
Publication of CN112910363A publication Critical patent/CN112910363A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112910363B publication Critical patent/CN112910363B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/061—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for DC powered loads
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N15/00—Holding or levitation devices using magnetic attraction or repulsion, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，包括核心控制部分、功率驱动部分、转子位置检测部分、电机能量回馈部分以及电源管理部分；核心控制部分包括DSP控制单元、信号输入输出接口、通信接口；功率驱动部分包括IGBT单元及驱动电路，转子位置检测部分包括线反电势过零点检测、电压电流采样电路，电机能量回馈部分包括宽电压范围输入的Buck控制单元，电源管理部分包括交流电转直流电的整流模块、直流电转直流电的电源隔离模块；本发明在同一个硬件系统中实现方波控制与正弦波控制两种功能，一体化设计结构紧凑，提高电机控制系统的集成度；功能全面，能增强可靠性；易于调试，实现灵活，有效地拓宽单一功能电机控制系统应用范围。

Description

一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，在一个系统内实现方波与正弦波一体化控制，适用于磁悬浮分子泵、磁悬浮飞轮等磁悬浮电机技术相关的旋转机械，也适用于伺服传动、鼓风机、电主轴等电机驱动相关的工业领域。
背景技术
与传统电机(例如直流电机、交流同步电机、开关磁阻电机和异步感应电机等)相比，永磁电机的结构紧凑、能量密度高、运行效率高、控制特性好，其转子为永磁体无需励磁，并且可以直接与高速旋转的负载相连。与机械轴承相比，磁悬浮轴承以其无机械接触、无需润滑、可主动振动控制、能做到极低噪音等优势越来越受到欢迎。磁悬浮轴承技术与优点明显的永磁电机结合，形成磁悬浮永磁电机，可广泛应用于航空航天、精密仪器、机械制造以及电力驱动等工业领域。
对于一台磁悬浮永磁电机，既可以采用方波电流进行驱动，也可以采用正弦波电流进行驱动，但两种控制方式各有特点，控制效果也各不相同。方波电流控制输出力矩大、控制算法简单，但存在转矩脉动，并且电机的相电流谐波含量高；正弦波电流控制输出力矩精度高、转矩脉动小，相电流谐波含量低，但是控制算法复杂。
两种控制方式的主要区别在于对转子位置信息的精度要求不同。方波控制需要间隔60°电角度的换相信号，即只需获得转子的六个离散位置；而正弦波控制需要360°电角度的连续位置才能进行高精度控制，这样导致两种控制方式需要两种不同的转子位置检测方法。在某些应用场合需要以两种控制方式切换的形式驱动电机，或者在研发阶段需采用一种控制方式，在测试阶段需采用另一种控制方式。一般的电机控制系统会根据要求设计为单一控制方式，即只能采用方波控制或只能采用正弦波控制，这样的设计没有集成两种控制方式于一体，无法充分利用硬件资源，降低控制系统的使用灵活性，导致其应用范围较小，同时增加控制系统的研制成本。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有单一功能控制系统的不足，设计一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，充分利用硬件资源，在一套控制系统中实现两种控制方式，增强控制系统的集成度与灵活性；为了使控制系统结构更加紧凑，采用无位置传感器方法检测方波控制和正弦波控制所需的转子位置信息，增强控制系统的可靠性；考虑磁轴承的特殊性，在本发明中设计了基于电机能量回馈的总电源突然失效时的延迟供电功能，降低磁悬浮电机的跌落转速，保护电机本体。
本发明的技术解决方案为：一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，将方波控制与正弦波控制所需的硬件条件集成到一套系统中，采用无位置传感器的检测方法得到两种控制方式所需的转子位置信息，将电机母线与电机能量回馈部分连接，在总电源失效时通过转换母线电压提供控制系统正常工作的电压，主要包括：核心控制部分、功率驱动部分、转子位置检测部分、电机能量回馈部分以及电源管理部分。电源管理部分负责提供整个控制系统的强电与弱电，保障系统正常工作。电机能量回馈部分不仅负责正常运行时电源管理部分中弱电电源的供给，还承担掉电保护功能，即总电源失效时，为控制系统输出连续的电压。转子位置检测部分负责检测电流、电压以及线反电势过零点信号，满足方波与正弦波控制对转子位置不同的估算需求，是该系统实现方波与正弦波一体化控制的关键之一。核心控制部分根据方波控制与正弦波控制对驱动信号、采样信号的不同要求，通过配置DSP控制单元的引脚功能复用，并进行相应的电路设计，利用一个DSP控制单元分别进行方波控制与正弦波控制，是该系统实现一体化控制的另一个关键部分。功率驱动部分根据核心控制部分输出的驱动信号按一定顺序导通相应的功率开关管，以实现磁悬浮永磁电机的方波控制或正弦波控制。
该系统的核心控制部分包括DSP控制单元、上位机、按键控制、显示模块以及信号调理电路。通过配置DSP控制单元的相应引脚为ECAP功能，可以捕获信号调理电路输出的模拟霍尔信号，获得六个离散的转子位置信息，根据换相表输出相应的PWM信号，从而实现磁悬浮永磁电机的方波控制。此外，还需单独配置一路PWM信号，用于控制制动时工作的开关管。DSP控制单元中的AD模块采集信号调理电路输出的电压、电流采样信号，在方波控制方式下，电压电流信号起到监控电机运行状态的作用；当需要对电机进行正弦波控制时，根据电机反电势模型，电压电流信号用于估算连续的转子位置，实现磁悬浮永磁电机的正弦波控制。在正弦波控制方式下，DSP控制单元的ECAP功能禁用，并选择其中一个引脚配置为APWM功能，用于控制制动时工作的开关管。DSP控制单元的ECAN模块、SPI模块以及部分GPIO引脚分别与上位机、显示模块以及按键控制通讯，实现远程监控与灵活操作。
该系统的功率驱动部分包括IGBT单元、光耦隔离、驱动电路、缓冲电路以及制动电路。核心控制部分输出的PWM信号经过光耦隔离与驱动电路的处理输入IGBT单元，控制开关管按照一定顺序导通，输出方波电流或正弦波电流驱动电机旋转。制动电路包含了制动开关管与制动电阻，在磁悬浮永磁电机降速时，核心控制部分单独输出一路PWM信号，控制制动开关管以消耗电机能量，实现能耗制动。缓冲电路起到上电瞬间的缓冲保护作用，避免电压对后级系统的冲击。
该系统的转子位置检测部分包括线反电势过零点检测电路、电压采样电路以及电流采样电路。三相电输入线反电势过零点检测电路，利用硬件电路获得线反电势的过零点来模拟霍尔位置传感器的输出，提供六次换相信号，实现方波电流控制。电压采样电路利用电压传感器采集母线电压信息，电流采样电路利用电流传感器采集电机的相电流信息。利用采集到的电压和电流信息，结合电机反电势模型，估算得到连续的转子位置，实现正弦波电流控制。
该系统的电机能量回馈部分包括Buck控制单元、分压电路以及MOSFET。电机能量回馈部分的输入与电机母线相连，当外部电源失效时，母线电压等于电机三相反电势经过IGBT单元的三组反并联二极管整流之后得到的直流电压。根据母线电压的大小，Buck控制单元可输出相应占空比的信号驱动MOSFET，得到48V输出给电源管理部分使用。
该系统的电源管理部分包括AC/DC模块、DC/DC(+15V)模块、DC/DC(+12V)模块、DC/DC(+5V)模块以及DC/DC(±15V)模块。AC/DC模块将两相交流电整流为直流电，作为电机母线电压输入功率驱动部分。DC/DC(+15V)模块、DC/DC(+12V)模块、DC/DC(+5V)模块以及DC/DC(±15V)模块将输入的48V直流电分别转换成+15V、+12V、+5V以及±15V直流电分别供给系统各部分使用，保证整个系统的可靠工作。
首先，将两相交流电输入电源管理部分得到母线电压，把母线电压分别输入至电机能量回馈部分与功率驱动部分，电机能量回馈部分产生48V供给电源管理部分的DC/DC模块使用，从而产生弱电电源供给核心控制部分、转子位置检测部分以及功率驱动部分；然后，转子位置检测部分利用磁悬浮永磁电机的电流、电压以及反电势可以得到与转子位置相关的电信号，并输入至核心控制部分进行转子位置的估算；接着，核心控制部分根据方波或正弦波控制算法产生PWM驱动信号输入至功率驱动部分；最后，功率驱动部分在PWM驱动信号的作用下，将电源管理部分得到的母线电压变换成驱动电压输入至磁悬浮永磁电机，从而实现磁悬浮永磁电机的方波控制或正弦波控制。
本发明的原理是：本发明通过检测电流、电压以及线反电势过零点信号，根据无位置传感器方法可分别得到转子的离散位置与连续位置，根据方波控制与正弦波控制对驱动信号输出、采样信号输入的不同要求，通过配置DSP控制单元的引脚功能复用，一个DSP控制单元可以根据得到的离散位置和连续位置信息输出不同的PWM驱动信号，经过隔离放大后控制功率开关管模块按一定顺序导通从而输出不同的驱动电压，对电机进行方波控制或正弦波控制，在一套控制系统中实现两种控制方式；此外考虑到磁轴承的特殊性，在外部供电电源突然失效时，利用电机回馈到母线上的能量得到与正常运行时同样的电压，供给电源管理部分，为控制系统输出连续的电压，以避免发生磁悬浮轴承因突然断电而导致转子在高速下跌落的事故。
本发明与现有技术相比优点在于：
(1)现有电机控制系统大多是根据应用场景的要求设计为单一控制方式，一套控制系统只能使用一种控制方式驱动电机，而本发明在同一套控制系统中实现方波控制与正弦波控制两种功能，一体化设计可以提高电机控制系统的集成度，充分利用硬件资源，减小控制系统的体积，节约成本。
(2)本发明采用无位置传感器的检测方法，利用线反电势过零点检测电路以及电压电流测量值分别得到离散的与连续的转子位置信息，分别适用于方波控制以及正弦波控制，功能全面，转子位置检测灵活，可以简化硬件系统，增强系统可靠性。
(3)此外，现有的电机控制系统应用场合单一，本发明设计的一体化控制系统在以往基础上能有效地拓宽单一电机控制系统的应用范围，可以只使用方波控制，也可以只使用正弦波控制，或者根据应用对象进行控制方式的组合，例如有些负载较重、转速较低的场合可以先方波启动再切换正弦波控制，有些负载轻、转速高的场合可以先正弦波启动再切换方波控制，易于调试，实现灵活，弥补了传统电机控制系统控制方式单一的不足。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2a，图2b和图2c为本发明的核心控制部分电路原理图，图2a为DSP控制单元电路图，图2b为上位机接口、PWM信号输出接口、按键控制接口及显示模块接口电路图，图2c为信号调理电路图；
图3a，图3b为本发明的功率驱动部分电路原理图，其中图3a为IGBT单元与缓冲电路图，图3b为制动单元、光耦隔离与驱动电路原理图；
图4为本发明的转子位置检测部分的线反电势过零点检测电路原理图；
图5为本发明的线反电势过零点换相信号示意图；
图6为本发明的转子位置检测部分的电压电流采样电路原理图；
图7为本发明的基于电机模型的连续转子位置估算原理框图；
图8为本发明的电机能量回馈部分电路原理图；
图9为本发明的电源管理部分电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明的系统结构框图，包括核心控制部分17、功率驱动部分11、转子位置检测部分23、电机能量回馈部分1以及电源管理部分5。电源管理部分5负责提供整个控制系统的强电与弱电，保障系统的正常工作。电机能量回馈部分1不仅负责正常运行时电源管理部分中弱电电源的供给，还承担了掉电保护功能，即在总电源突然失效时，利用电机回馈到母线上的能量得到与正常运行时同样的电压，为控制系统输出连续的电压，以避免发生磁悬浮轴承因突然断电而在高速下跌落的事故。转子位置检测部分23负责检测电流、电压以及线反电势过零点信号，满足方波与正弦波控制对转子位置估算的不同需求，是该系统实现方波与正弦波一体化控制的关键之一。核心控制部分17根据方波控制与正弦波控制对驱动信号输出、采样信号输入的不同要求，通过配置DSP控制单元的引脚功能复用，并进行相应的电路设计，利用一个DSP控制单元分别进行方波控制与正弦波控制，是该系统实现一体化控制的另一个关键部分。功率驱动部分11根据核心控制部分17输出的驱动信号按一定顺序导通相应的功率开关管，以实现磁悬浮永磁电机的方波控制或正弦波控制。
如图2所示，是本发明的核心控制部分17的电路原理图，其中图2a为DSP控制单元电路图，图2b为上位机接口、PWM信号输出接口、按键控制接口及显示模块接口电路图，图2c为信号调理电路图。分别对应了图1中的DSP控制单元21、上位机18、按键控制19、显示模块20以及信号调理电路22。通过配置DSP控制单元21的相应引脚为ECAP功能，可以捕获信号调理电路22输出的模拟霍尔信号HALL01_DSP、HALL02_DSP和HALL03_DSP，获得六个离散的转子位置信息，根据方波控制的换相表输出相应的PWM信号，从而实现磁悬浮永磁电机的方波控制。此外，还需单独配置一路PWM信号，即DSP_PWM_BRAKE，用于控制制动时工作的开关管。DSP控制单元21中的AD模块采集信号调理电路22输出的母线电压、相电流信号，即AIN_A2_DSP、AIN_A4_DSP、AIN_A5_DSP及AIN_A6_DSP。在方波控制方式下，电压电流信号起到监控电机运行状态的作用；当需要对电机进行正弦波控制时，根据电机反电势模型，电压电流信号用于估算连续的转子位置，以实现磁悬浮永磁电机的正弦波控制。在正弦波控制方式下，DSP控制单元21的ECAP功能禁用，并选择其中一个引脚配置为APWM功能，用于控制制动时工作的开关管。采用方波控制或正弦波控制时，为了与功率驱动部分的电平相匹配，需要将DSP控制单元的驱动信号(DSP_EPWM1A～DSP_EPWM3B)经过特定的PWM信号输出接口转换后，得到PWM1～PWM6，输出至功率驱动部分。DSP控制单元21的ECAN模块配置相应的引脚为DSP_CANRXA和DSP_CANTXA，实现CAN通讯，可通过上位机进行运行状态监控；配置SPI模块引脚为DSP_SPISTEA、DSP_SPISIMOA及DSP_SPICLKA，与外置的显示模块相连，实现电机运行参数的显示；部分GPIO引脚配置为通用IO口，即DSP_IO1～DSP_IO6，与按键控制通讯，实现远程操作。
如图3所示，为本发明的功率驱动部分电路原理图，其中图3a为IGBT单元与缓冲电路，图3b为制动单元、光耦隔离与驱动电路。图1中的核心控制部分17根据方波控制或正弦波控制输出相应的PWM信号，经过光耦隔离与驱动电路的处理输入IGBT单元，控制IGBT单元中的开关管按照一定顺序导通，输出方波电流或正弦波电流驱动电机旋转。制动单元包含了制动开关管与制动电阻，在磁悬浮永磁电机降速时，核心控制部分单独输出一路PWM信号，控制制动开关管以消耗电机能量，实现能耗制动。缓冲电路主要由负温度系数热敏电阻、电解电容等构成，在上电瞬间可以起到限流、缓冲保护作用，避免电压对后级系统的冲击。
如图4所示，为本发明的转子位置检测部分的线反电势过零点检测电路原理图。线反电势过零点检测电路的输入端与电机三相线以及中线连接，三相电输入后首先经过由电阻、电容构成的无源低通滤波器，对相反电势进行分压并滤除杂波得到VA、VB及VC信号。然后将这三路信号两两分为一组输入三个比较器，得到HA、HB及HC信号，该信号为呈现出高低电平变化的方波，该方波信号的过零点即为线反电势的过零点。接着通过光耦隔离电路得到HALLA、HALLB及HALLC，输入核心控制单元。线反电势的过零点可以模拟开关霍尔传感器的信号输出，核心控制单元据此得到六次换相信号，估算得到离散的转子位置，实现方波电流控制。
如图5所示，为本发明的线反电势过零点换相信号示意图，eAB、eBC和eCA分别是三组线反电势。根据线反电势的六个过零点可以得到三个高低电平变化的方波信号Ha、Hb和Hc，该信号即为模拟霍尔信号。由DSP控制单元的ECAP模块采集该信号，在程序中根据每一路信号的上升沿与下降沿进行中断处理，根据当前Ha、Hb和Hc的高低电平解算得到换相信号，从而控制IGBT单元中相应的开关管导通或关断。
如图6所示，为本发明的转子位置检测部分的电压电流采样电路原理图。电流采样电路利用电流传感器采集电机的U相、V相电流以及母线电流信息，得到相应的模拟量Iu、Iv以及Idc，输入至DSP控制单元的AD采样模块。电压采样电路先利用隔离放大光耦传感器以及分压电阻采集母线电压，然后将该电压信号输入运放芯片得到与真实电压成倍数关系的模拟量Udc，也输入至DSP控制单元的AD采样模块。在程序中利用采集到的电压和电流信息，结合电机反电势模型，估算得到连续的转子位置，实现正弦波电流控制。
如图7所示，为本发明的基于电机模型的连续转子位置估算原理框图。DSP控制单元根据采集得到的U相、V相电流iu、iv以及母线电压udc，结合开关管的导通逻辑可以推算出U-V-W的三相电流iu,v,w与三相电压uu,v,w。然后根据旋转坐标变换将三相电流与电压由A-B-C坐标系变换至α-β坐标系，得到α-β坐标系下的电流与电压，即iα、iβ、uα和uβ。根据永磁电机的数学模型，可以计算得到α-β坐标系下的磁链ψα和ψβ。最后由反正切运算求得连续的转子位置θ，进而对转子位置进行微分运算可得转速ω。
如图8所示，为本发明的电机能量回馈部分电路原理图。该电路主要由Buck控制单元、分压电路、MOSFET以及外围配置电路构成。Buck控制单元的输入与电机母线UDC相连，正常情况下该输入等于母线电压；当总电源失效时，Buck控制单元的输入等于电机三相反电势经过IGBT单元的三组反并联二极管整流之后回馈到母线的直流电压。Buck控制单元的反馈输入VFB为固定的0.8V，经过配置分压电路的电阻R14与R15，可以得到48V电压输出。根据48V与UDC的比例关系，Buck控制单元可输出相应占空比的控制信号驱动2个MOSFET(Q1与Q2)开通与关断，最终将输入的母线电压UDC调节至48V输出。
如图9所示，为本发明的电源管理部分电路原理图。该电路图主要由AC/DC、DC/DC(+5V)、DC/DC(+15V)、DC/DC(+12V)以及DC/DC(±15V)构成。AC/DC模块将两相交流电整流为直流电，作为电机母线电压输入图1的功率驱动部分11。DC/DC(+5V)模块、DC/DC(+15V)模块、DC/DC(+12V)模块以及DC/DC(±15V)模块分别将图1的电机能量回馈部分1产生的48V直流电转换成+5V、+15V、+12V以及±15V直流电分别供给核心控制部分17、功率驱动部分11、转子位置检测部分23以及电机能量回馈部分1，保证整个系统的可靠工作。
尽管上面对本发明的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，其特征在于：包括核心控制部分（17）、功率驱动部分（11）、转子位置检测部分（23）、电机能量回馈部分（1）及电源管理部分（5）；
电源管理部分（5），提供各级电源，保障系统的正常工作；
电机能量回馈部分（1），负责正常运行时电源管理部分（5）中弱电电源的供给，同时承担掉电保护功能，即在外部供电电源突然失效时，利用电机回馈到母线上的电压得到与正常运行时同样的电压，供给电源管理部分，为控制系统输出连续的电压，以避免发生磁悬浮轴承因突然断电而在高速下跌落的事故；
转子位置检测部分（23），负责检测磁悬浮永磁电机的电流、电压以及线反电势过零点信号，满足方波控制与正弦波控制对磁悬浮永磁电机的转子位置估算的不同需求，并将获得的转子位置信号输入核心控制部分（17）以便后续电机驱动算法的运算处理；
核心控制部分（17），根据方波控制与正弦波控制对驱动信号输出、采样信号输入的不同要求，通过配置DSP控制单元的引脚功能复用，分别设计方波控制与正弦波控制需要的信号输出和信号采集电路，利用一个DSP控制单元分别进行方波控制与正弦波控制；核心控制部分（17）所需的转子位置信号由转子位置检测部分（23）获得，核心控制部分（17）得到的PWM信号输入功率驱动部分（11）以驱动磁悬浮永磁电机运行；通过配置DSP控制单元（21）的相应引脚为ECAP功能，捕获信号调理电路（22）输出的模拟霍尔信号，获得六个离散的转子位置信息，根据方波控制要求的开通顺序输出相应的PWM信号，实现磁悬浮永磁电机的方波控制；当需要对电机进行正弦波控制时，根据电机反电势模型，电压、电流信号用于估算连续的转子位置，以实现磁悬浮永磁电机的正弦波控制；在正弦波控制方式下，DSP控制单元（21）的ECAP功能禁用，并选择其中一个引脚配置为APWM功能，用于控制制动时工作的开关管；
功率驱动部分（11），根据核心控制部分（17）输出的驱动信号，按方波或正弦波控制要求的开通顺序导通相应的功率开关管，以实现磁悬浮永磁电机的方波或正弦波控制。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，其特征在于：所述核心控制部分（17）包括DSP控制单元（21）、上位机（18）、按键控制（19）、显示模块（20）以及信号调理电路（22）；此外，单独配置一路PWM信号，用于控制制动时工作的开关管；DSP控制单元（21）中的AD模块采集信号调理电路（22）输出的电压、电流信号，在方波控制方式下，电压、电流信号起到监控电机运行状态的作用；DSP控制单元（21）的ECAN模块、SPI模块以及部分GPIO引脚分别与上位机（18）、按键控制（19）以及显示模块（20）通讯，上位机（18）基于CAN总线协议的软件界面，运行于计算机系统中，实现远程监控与灵活操作。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，其特征在于：所述功率驱动部分（11）包括IGBT单元（14）、光耦隔离（15）、驱动电路（16）、缓冲电路（12）以及制动电路（13）；核心控制部分（17）根据方波控制或正弦波控制输出的PWM信号经过光耦隔离（15）与驱动电路（16）的处理输入IGBT单元（14），控制开关管按照方波或正弦波控制要求的开通顺序导通，输出方波电流或正弦波电流驱动电机旋转；制动电路（13）包含了制动开关管与制动电阻，在磁悬浮永磁电机降速时，核心控制部分（17）单独输出一路PWM信号，控制制动开关管以消耗电机能量，实现能耗制动；缓冲电路（12）起到上电瞬间的缓冲保护作用，避免电压对后级系统的冲击。
4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，其特征在于：所述转子位置检测部分（23）包括线反电势过零点检测电路（26）、电压采样电路（25）及电流采样电路（24）；线反电势过零点检测电路（26）的输入端与电机三相线连接，利用硬件电路获得线反电势的过零点来模拟霍尔位置传感器的输出，估算得到离散的转子位置，提供六次换相信号，实现方波电流控制；电压采样电路（25）利用电压传感器采集母线电压信息，电流采样电路（24）利用电流传感器采集电机的相电流信息，利用采集到的电压和电流信息，结合电机反电势模型，估算得到连续的转子位置，实现正弦波电流控制。
5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，其特征在于：所述电机能量回馈部分（1）包括Buck控制单元（3）、分压电路（2）以及MOSFET（4）；电机能量回馈部分的输入与电机母线相连，正常情况下该输入等于母线电压；当总电源失效时，电机能量回馈部分的输入等于电机三相反电势经过IGBT单元（14）的三组反并联二极管整流之后回馈到母线的直流电压；经过设置分压电路（2），Buck控制单元（3）输出相应占空比的控制信号驱动MOSFET（4），将输入的母线电压调节至48V，输出给电源管理部分（5）使用。
6.根据权利要求1所述的一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，其特征在于：所述电源管理部分（5）包括AC/DC模块（6）、+15V DC/DC模块（7）、+12V DC/DC模块（10）、+5V DC/DC模块（8）以及±15V DC/DC模块（9）；AC/DC模块（6）将两相交流电整流为直流电，作为电机母线电压输入功率驱动部分（11）；+15V DC/DC模块（7）、+12V DC/DC模块（10）、+5V DC/DC模块（8）以及±15V DC/DC模块（9）将输入的48V直流电分别转换成+15V、+12V、+5V以及±15V直流电供给核心控制部分（17）、功率驱动部分（11）、转子位置检测部分（23）以及电机能量回馈部分（1），保证整个系统的可靠工作。
CN202110087465.5A 2021-01-22 2021-01-22 一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统 Active CN112910363B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110087465.5A CN112910363B (zh) 2021-01-22 2021-01-22 一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110087465.5A CN112910363B (zh) 2021-01-22 2021-01-22 一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112910363A CN112910363A (zh) 2021-06-04
CN112910363B true CN112910363B (zh) 2022-06-03

Family

ID=76116913

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110087465.5A Active CN112910363B (zh) 2021-01-22 2021-01-22 一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112910363B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1694345A (zh) * 2005-06-03 2005-11-09 孙力 步进电动机正弦波驱动器
JP2010011728A (ja) * 2008-06-24 2010-01-14 System Homes:Kk パルス符号幅変調モータ駆動システム
CN201667631U (zh) * 2010-02-11 2010-12-08 利德国际企业有限公司 一种无刷直流电机及其控制装置和使用它的液压系统
CN201976054U (zh) * 2010-12-29 2011-09-14 万奥普（北京）石油工程技术开发研究院有限公司 方波和正弦波电机控制系统
CN103427757A (zh) * 2013-08-21 2013-12-04 北京航空航天大学 一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统
CN108282114A (zh) * 2016-12-30 2018-07-13 南通杰夫电气有限公司 永磁同步电机的控制方法及系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1694345A (zh) * 2005-06-03 2005-11-09 孙力 步进电动机正弦波驱动器
JP2010011728A (ja) * 2008-06-24 2010-01-14 System Homes:Kk パルス符号幅変調モータ駆動システム
CN201667631U (zh) * 2010-02-11 2010-12-08 利德国际企业有限公司 一种无刷直流电机及其控制装置和使用它的液压系统
CN201976054U (zh) * 2010-12-29 2011-09-14 万奥普（北京）石油工程技术开发研究院有限公司 方波和正弦波电机控制系统
CN103427757A (zh) * 2013-08-21 2013-12-04 北京航空航天大学 一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统
CN108282114A (zh) * 2016-12-30 2018-07-13 南通杰夫电气有限公司 永磁同步电机的控制方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112910363A (zh) 2021-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107565868B (zh) 一种五相永磁同步电机开路故障下的容错控制系统及方法
JP4429338B2 (ja) モータ制御装置、電流検出ユニット
Niasar et al. A novel position sensorless control of a four-switch, brushless DC motor drive without phase shifter
CN109450317B (zh) 电动装甲车永磁容错轮毂电机用驱动控制器及控制方法
JP5853097B2 (ja) 三相同期電動機駆動装置、一体型三相同期電動機、位置決め装置およびポンプ装置
CN103427757B (zh) 一种磁悬浮分子泵用磁轴承与电机一体化控制系统
CN102710188B (zh) 一种无刷直流电机的直接转矩控制方法和装置
CN106452225A (zh) 无位置传感器无刷直流电机换向相位实时校正系统及方法
CN203691303U (zh) 吸尘器用无位置传感器无刷直流电机控制器
CN101272114B (zh) 直流电动机变频控制装置
CN103856132A (zh) 一种交流伺服永磁同步电机控制系统
CN109039199B (zh) 一种用于eps控制器母线电流估算方法及系统
CN103633904A (zh) 无位置传感器的无刷直流电机控制方法及控制系统
CN111830434B (zh) 基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法
CN113872484B (zh) 三相电流重构方法、装置、设备和存储介质
CN108448956B (zh) 一种六相不对称方波电机的转子位置检测装置
CN102684578A (zh) 一种电机转矩直接控制系统
CN102223132B (zh) 一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法
CN112910363B (zh) 一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统
CN203457094U (zh) 一种交流伺服永磁同步电机控制系统
Raghu et al. SEPIC Converter based-Drive for Unipolar BLDC Motor
CN201726353U (zh) 一种洗碗机的变频器
CN202513832U (zh) 一种基于dsp的svpwm变频装置
CN211981786U (zh) 一种正弦波驱动风机控制电路
TWI426699B (zh) 同步電動機之驅動控制器及驅動控制方法

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant