CN114759841A - 采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统 - Google Patents

采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统 Download PDF

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任祥正
彭树文
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Abstract

本发明公开了一种采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，包括主电路和驱动电路，所述主电路包括依次连接的三相交流电源、三相半控整流桥和三相逆变桥，三相逆变桥的输出端与永磁同步电机的三相连接，三相半控整流桥两个输出端之间串联母线电容；所述控制电路包括DSP控制板，以及分别与其连接的系统驱动模块、检测保护电路、直流供电电源和LCD显示存储单元，所述DSP控制板实现对三相半控整流桥的控制；系统驱动模块驱动三相半控整流桥、三相逆变器和制动IGBT。本发明具有良好的控制效果和稳态精度，由于采用改进的反电势算法的控制系统消除了积分初值误差和直流偏移误差，有效提高了转子位置角的检测精度。

Description

采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，具体涉及一种采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统。
背景技术
交流永磁同步电机由于其高效的能量利用率、优良的机械性能等优点，在工业控制领域获得了广泛的应用。永磁同步电机通常采用矢量控制的方式，该方式需要时刻检测转子位置角度用于运算控制，转子位置角度通常采用机械式位置传感器获得，但机械传感器的存在增加了电机的体积和成本，降低了系统的可靠性，也限制了在一些特殊场合的推广应用，因此现在很多永磁同步电机采用无位置传感器检测算法进行控制，而这种方式转子位置角的检测精度不高。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，包括主电路和驱动电路，所述主电路包括依次连接的三相交流电源、三相半控整流桥和三相逆变桥，三相逆变桥的输出端与永磁同步电机的三相连接，三相半控整流桥两个输出端之间串联母线电容；所述控制电路包括DSP控制板，以及分别与其连接的系统驱动模块、检测保护电路、直流供电电源和LCD显示存储单元，所述DSP控制板实现对三相半控整流桥的控制；系统驱动模块驱动三相半控整流桥、三相逆变器和制动IGBT；直流供电电源为DSP控制板和LCD显示存储单元供电；LCD显示存储单元实现永磁同步电机参数的显示、调节和存储。
在上述技术方案中，所述三相半控整流桥的输出端与母线电容的正极之间串联熔断器，母线电容的正极与三相逆变桥输入端之间串联输出IGBT。
在上述技术方案中，所述三相半控整流桥由三个二极管D1～D3和三个可控硅G1～G3组成；可控硅G1～G3组成上桥臂，二极管D1～D3组成下桥臂；可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容的正极连接，二极管D1、D2、D3的正极与母线电容的负极连接。
在上述技术方案中，所述三相逆变桥由六个可控硅Q1～Q6组成，上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成。
在上述技术方案中，所述系统驱动模块包括输出驱动模块、三相半控整流桥驱动模块和PWM驱动模块，输出驱动模块控制输出IGBT的通断；PWM驱动模块驱动三相逆变桥；三相半控整流桥驱动模块对三相半控整流桥中的可控硅进行关断控制。
在上述技术方案中，所述检测保护电路包括相电流采集电路、直流电压采集电路和保护电路。
在上述技术方案中，所述相电流采集电路将交流信号转换为直流信号后再转换为0-3V的信号。
在上述技术方案中，所述直流电压采集电路包括Ⅲ号运算放大器和Ⅳ号运算放大器，Ⅲ号运算放大器正极串联电阻R7～R11后接Vdc+信号，其负极串联电阻R12～R16后接Vdc-信号，其输出端串联电阻R19后与Ⅳ号运算放大器正极连接，Ⅳ号运算放大器输出端与端口Vdout连接。
在上述技术方案中，所述保护电路包括Ⅰ号或门和Ⅱ号或门，Ⅰ号或门输入端分别连接电流和电压信号，输出端输出保护信号至系统驱动模块；Ⅱ号或门输入端分别连接温度和控制信号，输出端输出保护信号至系统驱动模块。
在上述技术方案中，所述LCD显示存储单元包括液晶显示屏、按键输入、通讯芯片、隔离芯片和存储芯片；LCD显示存储单元采用RS232方式与DSP控制板通讯，采用IS07221隔离芯片对信号进行隔离。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一直采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，具有良好的控制效果和稳态精度，由于采用改进的反电势算法的控制系统消除了积分初值误差和直流偏移误差，有效提高了转子位置角的检测精度。
附图说明
图1是本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统的结构示意图；
图2是本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统中二极管整流桥的电路图；
图3是本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统中三相逆变桥的电路图
图4是本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统中系统驱动模块的示意图；
图5是本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统的检测保护电路中相电流采集电路的电路图；
图6是本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统的检测保护电路中直流电压采集电路的电路图；
图7是本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统的检测保护电路中保护电路的电路图；
图8是本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统中LCD显示存储单元的电路图。
其中：
1 三相交流电源 2 三相半控整流桥
3 三相逆变桥 4 永磁同步电机
5 母线电容 6 DSP控制板
7 输出IGBT 8 熔断器
9 系统驱动模块 10 检测保护电路
11 直流供电电源 12 LCD显示存储单元
13 Ⅰ号运算放大器 14 Ⅱ号运算放大器
15 Ⅲ号运算放大器 16 Ⅳ号运算放大器
17 Ⅰ号或门 18 Ⅱ号或门
19 存储芯片 20 隔离芯片
21 通讯芯片。
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技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统的技术方案。
如图1所示，一种采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统包括主电路和驱动电路。
所述主电路包括依次连接的三相交流电源1、三相半控整流桥2和三相逆变桥3，三相逆变桥3的输出端与永磁同步电机4的三相连接，三相半控整流桥2两个输出端之间串联母线电容5，三相半控整流桥2的输出端与母线电容5的正极之间串联熔断器8，母线电容5的正极与三相逆变桥3输入端之间串联输出IGBT7。
主电路中三相交流电源1进入三相半控整流桥2，三相半控整流桥2在DSP控制板6和系统驱动模块9的控制下，将交流电转换为直流电。采用三相半控整流桥代替原有的二极管整流桥，不仅省去了直流接触器、充电电阻等预充电电路器件，简化了硬件结构，而且更能控制母线电容5的充电速率，有效防止充电时发生过流。母线电容5用于稳定直流电压，三相逆变桥3用于永磁同步电机4的矢量控制实现。系统改变了原有制动接触器的位置，同时采用制动IGBT7代替直流接触器，一旦故障，直接断开直流母线的正端，因此不需要制动电阻，不仅提高了反应速度，同时大大节约了成本减小了体积。同时为防止直流母线短路损坏系统硬件，增加熔断器8进行保护。
所述控制电路包括DSP控制板6，以及分别与其连接的系统驱动模块9、检测保护电路10、直流供电电源11和LCD显示存储单元12，DSP控制板6是系统的控制核心，用于三相半控整流桥控制、电压电流、温度等信号采集、三相逆变器PWM信号输出脉冲宽度调制、电机控制算法以及人机通讯等功能的实现。系统驱动模块9驱动三相半控整流桥2、三相逆变器3以及制动IGBT7。直流供电电源11为DSP控制板6和LCD显示存储单元12提供直流电，直流供电电源采用Mean Well的多路输出电源，型号为QP-200F，可同时输出+24V、±15V、+5V等电源，无需再设计电源转化，大大节省了电路的复杂性。LCD显示存储单元12主要用于实现永磁同步电机参数的显示、调节以及存储功能。
永磁同步电机控制系统的主电路和控制电路连接方式如图1所示，具体电路连接为：
三相交流电源1的U、V、W分别与三相半控整流桥2的1、2、3端连接，三相半控整流桥2的4端与与熔断器8的一端连接，三相半控整流桥2的5端与母线电容5的负极以及三相逆变桥3的2端连接。熔断器8的另一端与母线电容5、输出IGBT7的集电极连接，输出IGBT7的发射极与三相逆变桥3的1端连接。三相逆变桥3的3、4、5分别与永磁同步电机4的A、B、C相连接。
如图2所示，所述三相半控整流桥2的具体电路连接如下：
三相半控整流桥2由三个二极管D1-D3和三个G1-G3组成。上桥臂为可控硅G1、G2、G3，下桥臂为二极管为D1、D2、D3，其中可控硅G1的正极与二极管D1的负极连接构成一个桥臂，可控硅G2的正极与二极管D2的负极连接构成一个桥臂，可控硅G3的正极与二极管D3的负极连接构成一个桥臂。可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容5的正极连接，二极管D1、D2、D3的正极与母线电容5的负极连接。
如图3所示，所述三相逆变桥3由六个可控硅Q1～Q6组成，上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成，其中可控硅Q1的发射极与可控硅Q2的集电极连接构成一个桥臂，可控硅Q3的发射极与可控硅Q4的集电极连接构成一个桥臂，可控硅Q5的发射极与可控硅Q6的集电极连接构成一个桥臂。
如图4所示，所述系统驱动模块12包括输出驱动模块、三相半控整流桥驱动模块以及三相逆变器PWM驱动模块，其中输出驱动模块选用落木源公司的驱动芯片KP101进行驱动，控制输出IGBT7的通断。三相逆变器PWM模块选用塞米控公司的SKHI22AH4R模块，该模块集成驱动和保护电路功能，无需光耦或变压器隔离，可直接将DSP的PWM信号连接到功率模块，方便应用。三相半控整流桥驱动模块采用集成了保护功能的可控硅触发电路，通过DSP对三相半控整流桥中的可控硅进行关断控制。
如图5～7所示，所述检测保护电路包括相电流采集电路、直流电压采集电路和保护电路。
图5为相电流采集电路，用于电机相电流采集，其具体连接关系如下：
电阻R1连接反馈电流CurInput1端口，另一端与电阻R3、电容C2以及Ⅰ号运算放大器13的负端连接，电阻R3、电容C2的另一端与Ⅰ号运算放大器13的输出端连接。电阻R2连接反馈电流CurInput2端口，另一端与电阻R4、电容C1以及Ⅰ号运算放大器13的正端连接，电阻R4、电容C1的另一端与AGND连接。电阻R5的一端与Ⅰ号运算放大器13的输出端连接，另一端与电阻R6、Ⅱ号运算放大器14的正端连接，电阻R6的一端与3.3V连接，另一端与Ⅱ号运算放大器14的正端连接。Ⅱ号运算放大器14的负端与其输出端连接，Ⅱ号运算放大器14的输出端与电容C3、二极管D5的负极、二极管D4的正极连接。电容C3的另一端、二极管D5的正极与AGND连接，二极管D4的负极与3.3V连接，电流输出信号与二极管D4的正极、二极管D5的负极连接。
图6为直流电压采集电路，用于直流电压采集，其具体连接关系如下：
Vdc+信号与电阻R7连接，电阻R7另一端与电阻R8连接，电阻R8另一端与电阻R9连接，R9另一端与电阻R10连接，R10另一端与电阻R11连接，R11另一端与电阻R18、电容C5以及Ⅲ号运算放大器15的负端连接。Vdc-信号与电阻R12连接，电阻R12另一端与电阻R13连接，电阻R13另一端与电阻R14连接，R14另一端与电阻R15连接，R15另一端与电阻R16连接，R16另一端与电阻R17、电容C4以及Ⅲ号运算放大器15的正端连接。电阻R17、电容C4的另一端与AGND连接。Ⅲ号运算放大器15的输出端与电阻R18、电容C5的另一端以及R19连接，电阻R19与电阻R20以及Ⅳ号运算放大器16的正端连接，电阻R20另一端与AGND连接。Ⅳ号运算放大器16的输出端与端口Vdout连接、电容C6连接，电容C6的另一端与AGND连接
图7为保护电路，用于系统保护，具体连接关系如下：
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。
电流CurFk与电阻R21连接，电阻R21的另一端与电容C7、Ⅰ号或门17的1端连接，电容C7的另一端与GND连接。电流VolFk与电阻R22连接，电阻R22的另一端与电容C8、Ⅰ号或门17的2端连接，电容C8的另一端与GND连接。Ⅰ号或门17的输出pro1信号，pro1与发光二极管D6的正极以及系统驱动模块9连接，发光二极管D6的负极与GND连接。
温度信号Tep与电阻R23连接，电阻R23的另一端与电容C9、Ⅱ号或门18的1端连接，电容C9的另一端与GND连接。控制信号Ctrl与电阻R24连接，电阻R24的另一端与电容C10、Ⅱ号或门18的2端连接，电容C10的另一端与GND连接。Ⅱ号或门18的输出pro2信号，pro2与发光二极管D7的正极以及系统驱动模块9连接，发光二极管D7的负极与GND连接。
如图8所示，所述LCD显示存储单元12集成了液晶显示屏、通讯、按键输入等单元，采用RS232方式与DSP通讯，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。LCD显示存储12与DSP控制板6的连接方式为：
存储芯片19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20的INA、OUTA相连接，隔离芯片20的VCCA、GNDA分别与+3.3V和GND连接，隔离芯片20的OUTB、INB分别与通讯芯片21的SCITX、SCIRX端相连接，隔离芯片20的VCCB、GNDB分别与+3.3V和DGND连接。通讯芯片21的Tx+、Tx-、Rx+、Rx-端分别与LCD显示输入10的2、3、4、6端相连接。
本发明控制系统采用改进反电势算法和矢量控制方法，利用DSP28335控制板进行了软件编程，实现了上述控制，并进行了电机试验，试验结果表明，采用改进的反电势算法的控制系统消除了积分初值误差和直流偏移误差，有效提高了转子位置角的检测精度，同时采用改进反电势算法的矢量控制系统具有良好的控制效果和稳态精度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：包括主电路和驱动电路，
所述主电路包括依次连接的三相交流电源(1)、三相半控整流桥(2)和三相逆变桥(3)，三相逆变桥(3)的输出端与永磁同步电机(4)的三相连接，三相半控整流桥(2)两个输出端之间串联母线电容(5)；
所述控制电路包括DSP控制板(6)，以及分别与其连接的系统驱动模块(9)、检测保护电路(10)、直流供电电源(11)和LCD显示存储单元(12)，所述DSP控制板(6)实现对三相半控整流桥的控制；系统驱动模块(9)驱动三相半控整流桥(2)、三相逆变器(3)和制动IGBT(7)；直流供电电源(11)为DSP控制板(6)和LCD显示存储单元(12)供电；LCD显示存储单元(12)实现永磁同步电机(4)参数的显示、调节和存储。
2.根据权利要求1所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述三相半控整流桥(2)的输出端与母线电容(5)的正极之间串联熔断器(8)，母线电容(5)的正极与三相逆变桥(3)输入端之间串联输出IGBT(7)。
3.根据权利要求1所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述三相半控整流桥(2)由三个二极管D1～D3和三个可控硅G1～G3组成；可控硅G1～G3组成上桥臂，二极管D1～D3组成下桥臂；可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容(5)的正极连接，二极管D1、D2、D3的正极与母线电容(5)的负极连接。
4.根据权利要求1所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述三相逆变桥(3)由六个可控硅Q1～Q6组成，上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成。
5.根据权利要求1所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述系统驱动模块(9)包括输出驱动模块、三相半控整流桥驱动模块和PWM驱动模块，输出驱动模块控制输出IGBT(7)的通断；PWM驱动模块驱动三相逆变桥(3)；三相半控整流桥驱动模块对三相半控整流桥(2)中的可控硅进行关断控制。
6.根据权利要求1所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述检测保护电路(10)包括相电流采集电路、直流电压采集电路和保护电路。
7.根据权利要求6所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述相电流采集电路将交流信号转换为直流信号后再转换为0-3V的信号。
8.根据权利要求6所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述直流电压采集电路包括Ⅲ号运算放大器(15)和Ⅳ号运算放大器(16)，Ⅲ号运算放大器(15)正极串联电阻R7～R11后接Vdc+信号，其负极串联电阻R12～R16后接Vdc-信号，其输出端串联电阻R19后与Ⅳ号运算放大器(16)正极连接，Ⅳ号运算放大器(16)输出端与端口Vdout连接。
9.根据权利要求6所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述保护电路包括Ⅰ号或门(17)和Ⅱ号或门(18)，Ⅰ号或门(17)输入端分别连接电流和电压信号，输出端输出保护信号至系统驱动模块(9)；Ⅱ号或门(18)输入端分别连接温度和控制信号，输出端输出保护信号至系统驱动模块(9)。
10.根据权利要求1所述的采用改进反电势法的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述LCD显示存储单元(12)包括液晶显示屏、按键输入、通讯芯片(21)、隔离芯片(20)和存储芯片(19)；LCD显示存储单元(12)采用RS232方式与DSP控制板(6)通讯，采用IS07221隔离芯片对信号进行隔离。
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