CN114094880A

CN114094880A - 一种永磁同步电机驱动控制系统

Info

Publication number: CN114094880A
Application number: CN202111364746.7A
Authority: CN
Inventors: 李娜
Original assignee: Nanjing Linghua Microelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Linghua Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2022-02-25

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机驱动控制系统，所述系统包括：控制单元、检测单元、驱动单元，所述控制单元对整体系统进行控制，针对电平转换、通信电路、电源分配进行管理，所述检测单元对电压信号、电流信号、正余弦编码器信号以及温度信号进行处理，所述驱动单元对电路进行整流、滤波、逆变以及能耗制动，完成控制驱动，通过通信接口与上位机连接，上位机完成监控。本发明解决了现有永磁同步电机控制复杂、难以满足实际使用需求的问题。

Description

一种永磁同步电机驱动控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种永磁同步电机驱动控制系统。

背景技术

驱动器是一种用来精确控制电机运动的设备，被广泛应用于各种运动控制领域，尤其是工业设备领域。在工业生产设备中，往往存在多个运动机构，每个运动机构均使用一个或者多个电机，每个电机通常都配有一个驱动器，因此，驱动器应用广泛。而在高速高精度运动控制领域，例如精密数控机床、高速高精度贴片机、机器人等，通常使用永磁同步电机才能满足控制求，而国内永磁同步电机和驱动器市场往往被外国公司占领，国产驱动器和电机和国际水平还存在差异。

永磁同步电机与普通交流变频电机比它是高效率、高力矩惯量比、高能量密度，是个环保低碳电机。普通交流电机用变频器驱动，永磁同步电机不能直接在电网上运行，需要专用的驱动器驱动，并且在电机轴上必须安装转子位置反馈装置，如光学编码器和旋转变压器等。驱动器根据检测到的电机转子实时位置，控制电机的电流和转子位置同步，从而实现永磁同步电机的旋转。在一些工业应用领域，常常需要多个电机同步发力带动被驱动装置，多个电机同轴运行，需要多个驱动器和多个位置检测装置，成本高，并且容易发生两台电机出力不均匀的现象。另外三相永磁同步电机传统控制方法需对采集到的电流量进行A/D转换，然后由数字电路完成采集、坐标变换、电流环控制、输出坐标变换等工作，最终输出三相控制量。数字电路需要完成的算法较多，不利于复杂控制算法的实现。

发明内容

为此，本发明提供一种永磁同步电机驱动控制系统，以解决现有永磁同步电机控制复杂、难以满足实际使用需求的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开了一种永磁同步电机驱动控制系统，所述系统包括：控制单元、检测单元、驱动单元，所述控制单元对整体系统进行控制，针对电平转换、通信电路、电源分配进行管理，所述检测单元对电压信号、电流信号、正余弦编码器信号以及温度信号进行处理，所述驱动单元对电路进行整流、滤波、逆变以及能耗制动，完成控制驱动，通过通信接口与上位机连接，上位机完成监控。

进一步地，所述控制单元包括：DSP主控模块、FPGA协处理模块、电平转换模块、通信接口模块和电源管理模块；

所述DSP主控模块包括第一晶振电路、DSP供电与复位电路、JTAG 调试接口电路、启动模式选择电路、ADC参考电压电路、基板接口电路；

所述第一晶振电路采用外部无源晶振作为整个系统的时钟输入，根据用户手册选择范围为25pF的电容对频率进行微调，并配置DSP芯片的时钟控制寄存器，使系统时钟频率配置在100MHz；

所述DSP供电与复位电路对片上晶振、SRAM、模拟电源进行3.3V 供电，对数字电源进行3.3V和1.2V供电，电源管理芯片输入为5V，通过控制相应引脚的高低电平，发出复位信号，实现DSP芯片的复位；

所述JTAG调试接口电路通过使用仿真器实现DSP程序的在线调试及下载；

所述ADC参考电压电路为ADC提供所需电压，在输入端并联电容改善瞬态响应，在输出端并联不同容量的电容改善负载瞬态响应。

进一步地，所述FPGA协处理模块对DSP输出的6路上下桥臂PWM 信号的互锁逻辑判断，与DSP主控芯片进行数据通信以及对故障信号进行快速响应，FPGA协处理模块包括第二晶振电路、FPGA供电电路、 FPGA调试接口电路；

所述第二晶振电路采用有源晶振产生时钟信号，在时钟信号输出端设置匹配电阻；所述FPGA供电电路提供1.2V，2.5V，3.3V三种电压；所述FPGA调试接口电路用于进行程序的调试下载，提供了JTAG和ASP两种下载方式。

进一步地，所述电平转换模块采用集成电压转换芯片实现电平转换功能，集成电压转换芯片为带3态输出的低电压8位双通道电源转换收发器；所述通信接口模块进行主控系统、驱动系统与外设之间的信息交互，通过上位机，用户可以发送调速指令实现超高速电机的调速工作；上位机通过接收驱动系统发出的运行数据，可以实时监测电机的运行状态；所述电源管理模块对电源进行稳压处理，为不同的芯片提供不同的电压输出。

进一步地，所述检测单元包括母线电压信号调理电路、电流信号调理电路、正余弦编码器信号调理电路和温度信号调理电路；

所述母线电压信号调理电路设置有低通滤波器减少母线电压信号受到的高频干扰，还设置有稳压管，防止电压信号调理电路出现异常情况造成AD输入端口损坏。

进一步地，所述电流信号调理电路采用霍尔电流传感器进行母线电流检测和三相定子电流检测，将霍尔电流传感器输出的原始电流信号调理成为DSP可以采样的电压信号，霍尔电流传感器原始输出信号首先经过采样电阻将电流信号转换成-1.5V～+1.5V的电压信号，经过反向比例放大电路和反相加法电路之后得到电压范围为0V～+3V输出信号，最后经过稳压滤波后输出到DSP的AD端口。

进一步地，所述正余弦编码器信号调理电路中采用滞回比较器将正弦信号转换为方波信号；所述温度信号调理电路采用多谐振荡电路测量热敏电阻阻值，得到相应的温度信息。

进一步地，所述驱动单元包括：三相进线滤波电路、整流与滤波电路、三相全桥逆变电路及其门极驱动电路、能耗制动电路；

所述三相进线滤波电路用于输入三相电压的滤波处理，将压敏电阻分别串联在输入三相电任意两相之间，当两端电压过高时，阻值迅速下降，导通大电流，从而将两端电压钳位在一定相对固定的电压。

进一步地，所述整流与滤波电路用于实现三相380V交流电到直流电的转化，采用大容量的电解电容串并联构成母线电容，采用多个均压电阻实现母线高位电容和低位电容的均压，在母线两端并联了无感电容抑制浪涌电压以及聚酯薄膜电容和陶瓷圆片电容；所述三相全桥逆变电路及其门极驱动电路采用3相全桥逆变电路，选用6管封装的IGBT模块。

进一步地，所述能耗制动电路在电机制动时，实时监测母线电压，如果超过安全阈值，则按照期望的制动功率来计算泄放IGBT的开关占空比，然后生成PWM波发送到驱动电路进而控制能耗制动电路中的泄放 IGBT，当泄放IGBT导通时候，制动电阻被接到母线上，从而利用制动电阻分流将母线上多余的能量进行耗散，最终抑制母线电压的泵升。

本发明具有如下优点：

本发明公开了一种永磁同步电机驱动控制系统，通过控制单元针对整体的电路进行系统控制，满足电平转换、通信连接、电源分配需求，减小电源噪声，改善瞬态响应；通过检测单元对电压信号、电流信号、正余弦编码器信号以及温度信号进行调理，实现对电路的整体检测调整，通过驱动单元对电路进行整流、滤波、逆变以及能耗制动，消除干扰，完成控制驱动，通过通信接口与上位机连接，上位机完成监控，降低永磁同步电机控制复杂度，满足实际使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机驱动控制系统总体架构图；

图2为本发明实施例提供的第一晶振电路图；

图3为本发明实施例提供的DSP供电与复位电路图；

图4为本发明实施例提供的JATG调试接口电路图；

图5为本发明实施例提供的ADC参考电压电路图；

图6为本发明实施例提供的FPGA协处理模块输入输出信号示意图；

图7为本发明实施例提供的FPGA晶振电路图；

图8为本发明实施例提供的FPGA供电电路；

图9为本发明实施例提供的FPGA调试接口电路；

图10为本发明实施例提供的PWM驱动信号电平转换电路；

图11为本发明实施例提供的PWM控制信号电平转换电路图；

图12为本发明实施例提供的PWM故障信号电平转换电路图；

图13为本发明实施例提供的方波编码器电平转换电路图；

图14为本发明实施例提供的RS-232接口电路图；

图15为本发明实施例提供的RS-485接口电路图；

图16为本发明实施例提供的CAN总线接口电路图；

图17为本发明实施例提供的iport3模块接口电路原理图；

图18为本发明实施例提供的电压转换方案示意图；

图19为本发明实施例提供的5V电源电路图；

图20为本发明实施例提供的3.3V、2.5V、1.2V电源电路图；

图21为本发明实施例提供的母线电压信号调理电路框图；

图22为本发明实施例提供的母线电压采集电路图；

图23为本发明实施例提供的电流信号调理电路框图；

图24为本发明实施例提供的U相电流信号调理电路原理图；

图25为本发明实施例提供的正余弦编码器信号调理电路框图；

图26为本发明实施例提供的正余弦编码器A相信号调理电路原理图；

图27为本发明实施例提供的多谐振荡电路侧拉链IGBT模块热敏电阻电路图；

图28为本发明实施例提供的两极反相电路图；

图29为本发明实施例提供的驱动单元电路总体框图；

图30为本发明实施例提供的三相进线滤波电路图；

图31为本发明实施例提供的蒸馏与滤波电路原理图；

图32为本发明实施例提供的上电缓冲控制电路原理框图；

图33为本发明实施例提供的母线电压两极反相比例放大电路图；

图34为本发明实施例提供的上电缓冲电路继电器薄荷控制电路图；

图35为本发明实施例提供的三相全桥逆变电路接口原理图；

图36为本发明实施例提供的母线泵升电压抑制工作原理图；

图37为本发明实施例提供的能耗制动电力原理图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了一种永磁同步电机驱动控制系统，所述系统包括：控制单元、检测单元、驱动单元，所述控制单元对整体系统进行控制，针对电平转换、通信电路、电源分配进行管理，所述检测单元对电压信号、电流信号、正余弦编码器信号以及温度信号进行处理，所述驱动单元对电路进行整流、滤波、逆变以及能耗制动，完成控制驱动，通过通信接口与上位机连接，上位机完成监控。

控制单元包括：DSP主控模块、FPGA协处理模块、电平转换模块、通信接口模块和电源管理模块；

DSP主控模块主要包括第一晶振电路、DSP供电与复位电路、JTAG 调试接口电路、启动模式选择电路、ADC参考电压电路、基板接口电路。

针对第一晶振电路，本发明采用20MHz外部无源晶振作为整个系统的时钟输入，将晶振的X、Y引脚分别接至DSP芯片的X1、X2两个引脚， GND引脚接至DSP芯片的Vss-OSC晶振地引脚，根据用户手册选择范围为25pF的电容对频率进行微调，并配置DSP芯片的时钟控制寄存器，使系统时钟频率配置在100MHz。系统第一晶振电路的原理图如图2所示。

在DSP供电与复位电路中，片上晶振、SRAM、模拟电源所需电源均为3.3V，数字电源需要3.3V和1.2V供电，本发明采用电源管理芯片 PF5300，该电源管理芯片输入为5V，可在VOUT1和VOUT2分别得到 3.3V和1.2V电平输出，不同功用的3.3V电平可通过电感进行隔离滤波后得到。

TMS320F28377D的上电顺序为先上3.3V内核电源，再上1.2V电源，根据PF5300芯片手册，将SEQ引脚接至低电平，即可实现VOUT1先输出，当输出电压上升至3.3V的83％后，VOUT2再变为高电平。满足上电顺序要求。

和

可以控制DSP芯片的复位，低电平有效，将

接至高电平，当按下S1时

输入低电平，发出复位信号，实现DSP芯片复位。电源管理模块及复位电路如图3所示。JTAG调试接口电路如图4所示，使用XDS100V3仿真器，可以实现DSP程序的在线调试及下载功能。

ADC参考电压电路中DSP的ADC工作需要3V参考电压，本系统采用基准电压源芯片ADR423提供ADC所需要的3.0V电压，该芯片输出的电压具有高精度、低噪声的特点。根据芯片手册，在输入端并联了1uF和 10uF的电容以减小电源噪声并改善瞬态响应。在输出端并联了0.1uF和 10uF电容以滤除低电平噪声电压并改善负载瞬态响应。ADC参考电压电路如图5所示。

FPGA协处理模块，FPGA作为协处理器，在系统中主要完成对DSP 输出的6路上下桥臂PWM信号的互锁逻辑判断，与DSP主控芯片进行数据通信以及对故障信号进行快速响应。其输入与输出信号如图6所示。

与DSP主控模块类似，FPGA协处理模块包括第二由晶振电路、FPGA 供电电路、FPGA调试接口电路。

第二晶振电路中，本系统选用50MHz和100MHz的有源晶振产生时钟信号，为了减少信号振荡和反射，在时钟信号输出端设置62欧匹配电阻。时钟电路原理图如图7所示。FPGA共需要提供三种电压，分别是 1.2V，2.5V，3.3V，FPGA供电电路如图8所示。FPGA调试接口电路，调试电路主要用于进行程序的调试下载。FPGA提供了两种下载方式JTAG 和ASP，电路如图9所示。

电平转换模块，在不同器件之间进行信号传输时，由于各自的电压不尽相同，必然存在电平兼容问题，因此需要进行电平转换。

由于DSP芯片和FPGA芯片的I/O口输出的信号电压只有3.3V，并且电流能力不足以驱动多个光耦隔离驱动芯片。因此，必须借助电平转换电路，对输出的PWM信号进行功率放大，使其达到驱动的要求。

在超高速电机运行过程中，主控会不断地分析判断故障信号，并且输出控制信号对功率驱动模块等进行控制。但是DSP、FPGA的IO口输出电压均为3.3V，而保护单元和功率驱动单元产生的故障信号和所需要的控制信号都是5V电平，直接传输显然存在电平兼容问题，故也需要进行电平转换。

此外，本发明研究的驱动控制器为了兼容5V的编码器接口，需要对编码器的信号进行电压转换。

本发明设计电路设计的电平转换电路主要有四类：3.3V转5V的 PWM驱动信号；3.3V转5V的控制信号；5V转3.3V的故障信号；5V 转3.3V的编码器信号。本发明采用集成电压转换芯片来实现电平转换功能。

电压转换芯片的选择主要考虑三个要求：第一，足够的电流驱动能力，本发明驱动电路中光耦驱动所需的驱动电流为10mA，因此电要求压转换芯片的输出引脚的电流驱动能力要大于10mA；第二，由于PWM信号的频率较高，可以达到25kHz，1024线方波编码器在40000rpm高速旋转时的频率可以达到682.666kHz，因此要求电压转换芯片的转换频率上限至少能达到1000kHz；第三，可以实现3.3V和5V电压双向转换。

按照以上要求，经过一系列调研，最终选用带3态输出的低电压8 位双通道电源转换收发器VLT0102作为电平转换电路芯片。VLT0102可以实现3.3V和5V两种电平之间的双向转换，其最大传输延时均在10ns以内，理论转换速度最高可达到100MHz，满足PWM控制信号频率和编码器信号频率的需求；输出电流最大可达到50mA，满足光耦驱动芯片的电流驱动能力需求。PWM驱动信号电平转换电路原理图、控制信号电平转换电路原理图、故障信号电平转换电路原理图、方波编码器信号电平转换电路原理图分别如图10、图11、图12、图13所示。

通信接口模块的主要功能就是实现主控系统、驱动系统与外设之间的信息交互。通过上位机，用户可以发送调速指令实现超高速电机的调速工作；上位机通过接收驱动系统发出的运行数据，可以实时监测电机的运行状态。本设计中主要用到的通信接口电路有RS232、RS485、CAN 以及以太网通信接口电路。

本实施例中RS-232接口电路采用的是SP3232芯片实现，RS-232接口电路设计如图14所示；RS-485接口电路采用的是RSM3485系列隔离收发器模块，支持3.3V系统电平。该模块集成了电源隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件，方便用户嵌入设备。其主要特性如表1.

表1 RSM3485CHT主要参数

RS-485接口电路设计如图15所示。

CAN总线接口电路采用的是型号为SN65HVD230的CAN总线收发器芯片实现CAN通信，CAN总线接口电路设计如图16所示。以太网通信接口电路选用iPort3嵌入式串口设备联网模块实现以太网通信接口电路， iPort3以太网通信接口电路设计如图17所示。

电源管理模块为整个系统的运行提供了保障，为了确保各模块能够工作稳定，需要对电源进行稳压处理，为不同的芯片提供不同的电压输出。经过系统分析，主控模块各部分需求电压如表2所示。

表2控制单元各模块电源需求

控制单元的电源管理模块由24V开关电源供电。+5V使用 HZD10C_24S05开关电源模块获得，3.3V通过LM1117-3.3芯片稳压获得， 2.5V通过LM1117-2.5芯片稳压获得，1.2V通过LM1117-1.2芯片稳压获得，电压转换方案如图18所示。5V主要是给电平转换电路供电，采用HZD10C_24S05开关电源模块获得，电路如图19所示。在控制单元中， FPGA协处理模块、电平转换模块、通信模块电路等会用到3.3V、2.5V以及1.2V，通过对5V进行稳压处理可以分别获得3.3V、2.5V、1.2V电源电路如图20所示。

实施例2

本实施例针对检测单元进行展开描述，检测单元包括母线电压信号调理电路、电流信号调理电路、正余弦编码器信号调理电路和温度信号调理电路。

母线电压信号调理电路，母线电压信号来自于母线霍尔电压传感器 HNV-800T，该传感器可以测量0～800V的交直流电压，输出信号为0～4V 的电压信号。DSP的ADC可以测量的电压范围为3V，因此需要将霍尔电压传感器的原始输出信号进行调理之后再连接到DSP的AD采样通道上。母线电压信号调理电路框图如图21所示。首先传感器的原始输出信号经过第一级反相比例放大电路，放大系数为-1，然后经过第二级方向比例放大电路，放大系数为-3/4得到信号电压范围为0V～+3V输出信号，最后经过稳压滤波后输出到DSP的AD端口。母线电压信号调理电路原理图如图 22所示。R47和C29构成RC低通滤波器，用以减少母线电压信号受到系统的高频干扰。D4为3V稳压管，为了防止电压信号调理电路出现异常情况造成AD输入端口损坏。

电流信号调理电路，电流信号的检测包括母线电流检测和三相定子电流检测。电流信号采用霍尔电流传感器LF305S进行采集，该传感器可以测量0～300A的交直流电流，输出信号为-150mA～+150mA的电流信号，因此需要将霍尔电流传感器输出的原始电流信号调理成为DSP可以采样的电压信号。传感器原始输出信号首先经过采样电阻将电流信号转换成 -1.5V～+1.5V的电压信号，然后经过反向比例放大电路和反相加法电路之后得到电压范围为0V～+3V输出信号，最后经过稳压滤波后输出到DSP的 AD端口。电流信号调理电路框图如图23所示。

U相电流信号调理电路原理图如图24所示。记霍尔电流传感器输出信号为I_OUT，电流信号调理电路最终输出电压为U_OUT。下面推导U_OUT和 I_OUT的关系式。

首先霍尔电流传感器输出信号I_OUT经过并联的的两个20Ω采样电阻后，输出电压信号U₁＝10×I_OUT，然后经过反相比例放大电路后，输出为 U₂＝-U₁＝-10×I_OUT。由反相加法电路可得

代入U₂，化简可得

上式中，R₃＝10kΩ，R₆＝10kΩ，R₉＝100kΩ，代入式(1)中可以得到：

U_OUT＝1.5+10I_OUT (3)

正余弦编码器信号调理电路在永磁同步电机矢量控制中，转子的位置信息至关重要。本发明设计的驱动控制器中保留了位置传感器检测接口，主要有正余弦编码器检测接口和方波编码器检测接口。为了提高驱动控制器的通用性，将位置检测接口设置为统一接口，针对不同传感器设计相应的转接电路，从而达到位置检测模块的可更换性，兼容更多的编码器。正余弦编码器信号调理电路框图如图25所示。本发明采用滞回比较器将正弦信号转换为方波信号，电路原理图如图26所示。

温度信号调理电路，本系统中发热器件主要是整流桥、功率器件、电机本体，因此需要对这三者进行温度检测。在整流桥和IGBT模块中均有NTC测温电阻，电机本体中有PTC测温电阻。采用多谐振荡电路测量热敏电阻阻值，进而得到相应的温度信息，具体原理图如图27、如图28 所示。

实施例3

本实施例针对驱动单元展开描述，驱动单元是整个家电永磁同步电机系统的重要组成部分。该部分采用的方式是交流电变直流电、直流电变交流电的功率变换方式。

驱动单元包括三相进线滤波电路、整流与滤波电路、三相全桥逆变电路及其门极驱动电路、能耗制动电路。驱动单元电路总体框图如图29 所示。

三相进线滤波电路，三相进线滤波电路用于输入三相电压的滤波处理，其原理图如图30所示。分别串联在输入三相电任意两相之间的RV1、 RV2、RV3、是压敏电阻S20K550，耐压值为550V。串联在输入三相电任意两相之间。正常情况下，其阻值很高，近乎于开路；当其两端电压过高时，其阻值迅速下降，导通大电流，从而将两端电压钳位在一定相对固定的电压。因此其可以实现三相市电出现异常高压时对驱动控制器中压敏器件的保护。C5、C6、C7为KEMET生产的R47MKP金属化聚丙烯薄膜电容，用作安规X2电容；C8为EPCOS生产的B81141聚酯(MKT)薄膜电容，用作安规X1电容，可实现EMI抑制；C9为高压陶瓷电容，安规Y2电容，电容量是7nF，可消除高频干扰。

整流与滤波电路，整流与滤波电路的主要功能就是实现三相380V交流电到直流电的转化。整流器件由于市电供电存在一定的波动导致其整流出来的直流母线电压也会产生一定波动，此外，母线回路上的寄生电感以及逆变器件的高开关频率会引起母线浪涌电压。为了保护后续对于电压敏感的器件，因此整流器件输出的母线电压通常需要连接稳压和滤波电路才可以使用。整流与滤波电路原理图如图31所示。

其中整流电路由三相不可控整流桥实现，阻性负载时，平均输出电压为：

其中，U为输入相电压，U_PN为输出母线电压，α为导通角。本发明的驱动单元中，选取整流器件为SEMIX501D17Fs，其导通角度为0°，能够达到最大程度的输入电压利用率。

本发明采用滤波电容实现对于母线的滤波，由于设计驱动控制器容量较大，因此选用4个容量为3300μF、耐压值为450V的电解电容串并联构成母线电容，并采用四个56kΩ/5W的均压电阻实现母线高位电容和低位电容的均压。此外，为了减小母线回路上的寄生电感以及逆变器件的高频开关导致的浪涌电压，通过在母线两端并联了一个0.47μF/1200V的无感电容抑制浪涌电压。另外为了改善整流滤波电路的EMI特性，在母线电容两端并联EPCOS生产的型号为B32654的聚酯(MKT)薄膜电容以及两个VISHAY生产的型号为WYO472MCMCF0KR的陶瓷圆片电容。

由于系统上电瞬间电流过大，采用上电缓冲电路实现系统安全上电。具体方式是通过母线串联限流电阻来实现。上电瞬间限流电阻接入回路，母线瞬间充电电流被抑制；当电压达到80％额定输出值时，由上电缓冲控制电路控制继电器，将限流电阻短路从而使得系统工作在正常模式。其中上电缓冲控制电路原理框图如图32所示。通过采集母线电压，经过滞回比较电路判断是否到达闭合继电器对应的母线电压参考点。如果达到参考电压点，那么经过滞回比较电路、反相电路、光耦隔离电路，然后与控制单元使能信号相或之后通过三极管驱动电路实现继电器的闭合控制。母线电压信号两级反相比例放大电路原理图、电缓冲电路继电器闭合控制电路原理图分别如图33图34所示。

三相全桥逆变电路及其门极驱动电路采用3相全桥逆变电路，选用6 管封装的IGBT模块FS450R12KE4。三相全桥逆变电路接口原理图如图35 所示。

能耗制动电路当高速运行的电机进行制动时，会产生母线泵升电压进而对功率器件以及储能电容造成损坏。因此需要对泵升的母线电压加以抑制，通常的做法是设计一个能耗制动电路来实现泵升电压的抑制。能耗制动电路工作原理图如图36所示。当电机制动时，实时监测母线电压，如果超过安全阈值，则按照期望的制动功率来计算泄放IGBT的开关占空比，然后生成PWM波发送到驱动电路进而控制能耗制动电路中的泄放IGBT，当泄放IGBT导通时候，制动电阻被接到母线上，从而利用制动电阻分流将母线上多余的能量进行耗散，最终抑制母线电压的泵升。能耗制动电路原理图如图37所示。

制动电阻与泄放IGBT的选择按照以下计算进行选择。

本发明设计的驱动控制器制动最大电流I_b至少为76A。泵升电压抑制电路的安全阈值电压U_th选择为1.2倍正常母线电压，约为648V。

因此，制动电阻阻值可以有以下关系：

选择R_b为8Ω，下面计算制动电阻最大功率：

由于制动电阻间歇接入，所以制动电阻最大功率计算时加入调整参数λ，根据本发明设计的驱动控制器工作特性，这里选取λ为10。考虑一定裕量，制动电阻最终选择8Ω/6000W的RXHG大功率波纹线绕电阻。

泄放IGBT主要考虑连续集电极直流电流和集电极-发射极电压两个参数，根据上述制动电阻选型计算可得泄放IGBT的连续集电极直流电流至少要达到76A以上，集电极发射极电压至少大于1.5倍母线电压，保留一定裕量，经过一系列调研后最终选择西门康生产的单管IGBT作为泄放 IGBT，其连续集电极直流电流可以达到120A，集电极-发射极电压最大可达到1700V。

本发明公开的一种永磁同步电机驱动控制系统，完成控制驱动，通过通信接口与上位机连接，上位机完成监控，降低永磁同步电机控制复杂度，满足实际使用需求。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述系统包括：控制单元、检测单元、驱动单元，所述控制单元对整体系统进行控制，针对电平转换、通信电路、电源分配进行管理，所述检测单元对电压信号、电流信号、正余弦编码器信号以及温度信号进行处理，所述驱动单元对电路进行整流、滤波、逆变以及能耗制动，完成控制驱动，通过通信接口与上位机连接，上位机完成监控。

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述控制单元包括：DSP主控模块、FPGA协处理模块、电平转换模块、通信接口模块和电源管理模块；

所述DSP主控模块包括第一晶振电路、DSP供电与复位电路、JTAG调试接口电路、启动模式选择电路、ADC参考电压电路、基板接口电路；

所述DSP供电与复位电路对片上晶振、SRAM、模拟电源进行3.3V供电，对数字电源进行3.3V和1.2V供电，电源管理芯片输入为5V，通过控制相应引脚的高低电平，发出复位信号，实现DSP芯片的复位；

3.如权利要求2所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述FPGA协处理模块对DSP输出的6路上下桥臂PWM信号的互锁逻辑判断，与DSP主控芯片进行数据通信以及对故障信号进行快速响应，FPGA协处理模块包括第二晶振电路、FPGA供电电路、FPGA调试接口电路；

4.如权利要求2所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述电平转换模块采用集成电压转换芯片实现电平转换功能，集成电压转换芯片为带3态输出的低电压8位双通道电源转换收发器；所述通信接口模块进行主控系统、驱动系统与外设之间的信息交互，通过上位机，用户可以发送调速指令实现超高速电机的调速工作；上位机通过接收驱动系统发出的运行数据，可以实时监测电机的运行状态；所述电源管理模块对电源进行稳压处理，为不同的芯片提供不同的电压输出。

5.如权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述检测单元包括母线电压信号调理电路、电流信号调理电路、正余弦编码器信号调理电路和温度信号调理电路；

6.如权利要求5所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述电流信号调理电路采用霍尔电流传感器进行母线电流检测和三相定子电流检测，将霍尔电流传感器输出的原始电流信号调理成为DSP可以采样的电压信号，霍尔电流传感器原始输出信号首先经过采样电阻将电流信号转换成-1.5V～+1.5V的电压信号，经过反向比例放大电路和反相加法电路之后得到电压范围为0V～+3V输出信号，最后经过稳压滤波后输出到DSP的AD端口。

7.如权利要求5所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述正余弦编码器信号调理电路中采用滞回比较器将正弦信号转换为方波信号；所述温度信号调理电路采用多谐振荡电路测量热敏电阻阻值，得到相应的温度信息。

8.如权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述驱动单元包括：三相进线滤波电路、整流与滤波电路、三相全桥逆变电路及其门极驱动电路、能耗制动电路；

9.如权利要求8所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述整流与滤波电路用于实现三相380V交流电到直流电的转化，采用大容量的电解电容串并联构成母线电容，采用多个均压电阻实现母线高位电容和低位电容的均压，在母线两端并联了无感电容抑制浪涌电压以及聚酯薄膜电容和陶瓷圆片电容；所述三相全桥逆变电路及其门极驱动电路采用3相全桥逆变电路，选用6管封装的IGBT模块。

10.如权利要求8所述的一种永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述能耗制动电路在电机制动时，实时监测母线电压，如果超过安全阈值，则按照期望的制动功率来计算泄放IGBT的开关占空比，然后生成PWM波发送到驱动电路进而控制能耗制动电路中的泄放IGBT，当泄放IGBT导通时候，制动电阻被接到母线上，从而利用制动电阻分流将母线上多余的能量进行耗散，最终抑制母线电压的泵升。