CN1255777A - 交直流电动机通用的驱动器及其驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明交直流电动机通用的驱动器及其驱动控制方法,用于驱动控制永磁同步电动机、感应式异步电动机或永磁直流电动机。本驱动器包括数字控制单元、电流控制单元、PWM波发生单元以及主回路单元。系统中还有电流、速度反馈监测器件。电动机接到驱动器输出端子上。当驱动不同的电动机时,不必改动硬件电路,只需对数字控制单元进行控制模式设置,按控制软件程序完成系列运算,最后由主回路单元输出,实现对电动机的驱动控制。

Description

交直流电动机通用的驱动器及其驱动控制方法

本发明属于电机驱动领域，涉及一种交流电动机和直流电动机通用的驱动器及其驱动控制方法。

在实际应用中，不同类型的电动机在生产生活中都被大量使用。永磁同步电动机、感应式异步电动机和永磁直流电动机都是应用很广泛的电动机。在目前已有技术条件下，生产者和使用者面对的情况是，控制这三种不同的电动机，需要使用不同类型的驱动器，也就是说这三种电动机的驱动器是不能通用的。

用于控制交流电动机的已有技术驱动器的一个例子如图11所示，用于控制永磁直流电动机的已有技术驱动器的一个例子如图12所示。

图11所示的交流电动机驱动器由速度运算单元(623)、微分运算器(626)、矢量控制单元(622)、电流运算单元(610)、PWM波发生单元(611)、主回路单元(600)组成。

当控制交流电动机(604)时，与电动机同轴安装的光电编码器(605)发出的转子位置信号(631)，经过微分运算器(626)后，形成反馈速度信号(645)，将该信号(645)与速度指令(627)同时输入到速度运算单元(623)，经运算后得到的转矩电流指令值iq(646)输入到矢量控制单元(622)，并根据转子位置信号(631)计算得到3相电枢电流指令值iu(636)、iv(637)和iw(638)，同时由电流传感器(606)和(607)得到了U相和V相的电枢电流反馈信号iuf(619)和ivf(630)，W相电枢电流反馈iwf(648)则由U相和V相的电枢电流反馈信号(629)和(630)经过相加并取反运算iwf＝(iuf+ivf)(619)得到，然后，U、V、W三相的电枢电流指令和电枢电流反馈分别经过电流运算单元(616)、(617)、(618)和PWM波发生单元(611)、(612)、(613)，形成PWM驱动信号q1～q6输入到主回路单元(600)。

三相交流电源(101)进入到主回路单元(600)，经过整流(602)、滤波(603)后，形成直流母线电压(608)～(609)，将其加在由六只带有续流二极管的大功率晶体管V1～V6组成的全控桥上，各晶体管的基极驱动信号q601～q606控制各晶体管的通断，对直流母线电压进行斩波，由此形成的脉宽调制电压通过输出端子(632)加在交流电动机的三相电枢绕组(633)、(634)、(635)上，驱动交流电动机(604)运转。

以上所述控制交流电动机的已有技术驱动器，在控制永磁同步电动机或者感应式异步电动机时，由于两种电动机的结构不同，驱动器中矢量控制单元(622)的结构也是不同的。也就是说用于控制这两种不同的电动机的驱动器需要分别设计。

图12所示永磁直流电动机已有技术驱动器由速度运算单元(1023)、电流运算单元(1018)、PWM波发生单元(1015)、主回路单元(61)组成。

当控制永磁直流电动机(1004)时，与电动机同轴安装的测速发电机(1005)发出的速度反馈信号(1031)与速度指令(1027)同时输入到速度运算单元(1023)，经运算得到电流指令(1036)，同时由电流传感器(1006)得到电枢电流反馈信号(1029)，然后，电枢电流指令(1036)和电枢电流反馈信号(1029)分别经过电流运算单元(1018)和PWM波发生单元(1015)之后，形成PWM驱动信号q1001～q1003输入到主回路单元(61)。

三相交流电源(101)引入到主回路单元(61)经过整流(1002)、滤波(1003)后，形成直流母线电压(1008)-(1009)，加在由四只带有续流二极管的大功率晶体管V1001-V1004组成的全控桥上，各晶体管的基极驱动信号q1001、q1006控制各晶体管的通断，从而对直流母线电压进行斩波，形成的脉宽调制电压通过输出端子(1032)加在永磁直流电动机的电枢绕组(1033)、(1034)上，驱动永磁直流电动机(1004)运转。

以上所述是用于控制永磁直流电动机的已有技术驱动器。由于永磁直流电动机与交流电动机的构造不同，致使直流电动机驱动器与交流电动机驱动器中的电流运算单元和速度运算单元、主回路单元、PWM波发生单元的结构也是不同的，而且由于永磁直流电动机无需进行矢量控制。因此当控制永磁直流电动机时，需要设计与交流电动机不同的驱动器。

本发明的目的，就是克服已有技术的上述缺陷，提供一种交直流电动机通用的驱动器及其驱动控制方法。其特点是按不同电动机设置不同的控制模式，由数字控制单元及其控制软件自动完成控制运算并发出指令。当驱动不同的电动机时，将电动机接到驱动器的输出端子上，不必改动硬件电路，而只需用本发明软件进行相应的设置，即可驱动控制电动机运转。

本发明交直流电动机通用的驱动器，包括电流运算单元、PWM波发生单元以及主回路单元，以电流传感器和光电编码器分别作为电动机的电流和速度及位置的反馈监测器件，其特征是本发明驱动器中有一含有微处理器的数字控制单元，该数字控制单元按所控制电动机的类别，设置不同的运行模式，取速度指令或电流指令和与电动机同轴安装的编码器信号作为其输入，针对所控制的电动机完成其软件初始设置，计算电动机的反馈位移和反馈速度并进行速度运算及矢量控制运算，得到电流指令并将其输入电流运算单元。

本发明驱动器中的电流运算单元，它取自数字控制单元输出的电流指令和从下述主回路单元输出的电流反馈信号作为其输入，进行电流环比例运算，得到PWM波调制信号。

PWM波发生单元，它取自电流运算单元的PWM波调制信号作为其输入，与三角波进行调制，得到PWM控制信号。

主回路单元，它取自三相交流电源和PWM波发生单元的PWM控制信号作为其输入，将三相交流电进行整流、滤波，形成直流母线电压，并由PWM控制信号控制大功率晶体管对直流母线电压进行斩波，输出脉宽调制电压，同时用电流传感器采样得到电流反馈信号。

本发明交直流电动机通用驱动器的结构及其驱动控制方法，结合以下附图所示实施例加以详细说明。

图1是本发明交直流电动机通用驱动器的原理框图。

图2是本发明驱动器中的数字控制单元的程序结构框图。

图3是本发明交直流电动机通用驱动器控制感应式异步电动机的原理框图。

图4是本发明交直流电动机通用驱动器控制永磁同步电动机的原理框图。

图5是本发明交直流电动机通用驱动器同时控制两台永磁直流电动机的原理框图。

图6是本发明交直流电动机通用驱动器控制一台永磁直流电动机的原理框图。

图7是本发明数字控制单元控制软件的主程序的流程图。

图8是本发明的数字控制单元控制软件定时器中断程序1的流程图。

图9是本发明的数字控制单元控制软件数字PID(比例、积分、微分)调节器子程序的程序流程图。

图10是本发明的数字控制单元控制软件定时器中断程序2流程图。

图11是一种用于控制交流电动机的已有技术的驱动器的方框图。

图12是一种用于控制直流电动机的已有技术的驱动器的方框图。

上述附图中，无论是已有技术驱动器或本发明实施例，相同的组成部分用相同的编号表示。

图1所示的本发明交直流电动机通用的驱动器的一个实施例，它包括数字控制单元(50)、电流控制单元(10)、PWM波发生单元(11、12、13)以及主回路单元(60)，以电流传感器(6、7)和光电编码器(31)作为电动机的电流和速度及位置的反馈监测器件。

本发明驱动器中的数字控制单元(50)，含有微处理器，取速度指令(27)和与电动机同轴安装的编码器信号(31)作为其输入，针对所控制的不同电动机完成其控制模式设置(1000)，计算电动机的反馈位移和反馈速度，并进行闭环速度运算或闭环速度运算及矢量控制运算，得到电流指令。

本发明驱动器中的电流运算单元(10)，它取自数字控制单元输出的电流指令和从下述主回路单元输出的电流反馈信号作为其输入，进行电流环比例运算，得到PWM波调制信号(80、81、82)。

PWM波发生单元(11、12、13)，它取自电流运算单元的PWM波调制信号(80、81、82)作为其输入，与三角波进行调制，得到PWM控制信号(q1-q6)。

本发明驱动器中的主回路单元(60)，它取自三相交流电(101)和PWM波发生单元(11、12、13)的PWM控制信号作为其输入，将三相交流电进行整流(2)、滤波(3)，形成直流母线电压(8)-(9)，并由PWM控制信号(q1-q6)控制大功率晶体管(V1-V6)对直流母线电压(8-9)进行斩波，输出脉宽调制电压，同时用电流传感器(6、7)采样得到电流反馈信号(29)、(30)。

图2是本发明数字控制单元(50)的程序结构框图。其驱动控制方法的特征在于，数字控制单元(50)首先针对所控制的不同电动机，完成控制模式的设置(1000)，包括程序入口的设置和参数的设置。

以下结合图2和图3-图6实施例，说明本发明驱动器的应用实例。

当交直流电动机通用驱动器控制一台感应式异步电动机(104)时(如图3)，与感应式异步电动机(104)同轴安装的光电编码器(105)的信号(131)输入到数字控制单元(50)，将数字控制单元(50)的程序入口设置为感应式异步电动机的闭环速度运算(1100)，此程序以速度指令输入(127)和光电编码器信号(131)作为输入，进行感应式异步电动机的速度闭环运算(1100)，再通过感应式异步电动机的矢量控制运算(1110)，得到感应式异步电动机的两相电枢的电流指令值iu(136)和iv(137)，连同由主回路单元输出的两相绕组的电流反馈信号(129)、(130)输入到电流运算单元(10)。在电流运算单元(10)，感应式异步电动机w相的电流指令iw值(121)可通过相加并取反iw＝iu+iv(20)得到；感应式异步电动机W相电流反馈iwf(122)可通过相加并取反iwf＝-(iuf+ivf)(19)得到。由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的U、V、W分别与感应式异步电动机(104)的三相电枢绕组(33)、(34)、(35)相连，从而驱动感应式异步电动机(104)运转。

当交直流电动机通用驱动器控制一台永磁同步电动机(204)时(如图4)，与永磁同步电动机(204)同轴安装的光电编码器(205)的信号(231)输入到数字控制单元(50)，将数字控制单元(50)的程序入口设置为永磁同步电动机的闭环速度运算(1200)，此程序以速度指令输入(227)和光电编码器信号(231)作为输入，进行永磁同步电动机的速度闭环运算，再通过永磁同步电动机的矢量控制运算(1210)，得到两相电枢的电流指令值(236)和(237)，连同由主回路单元输出的两相绕组的电流反馈信号(229)、(230)输入到电流运算单元(10)。在电流运算单元(10)，永磁同步电动机W相的电流指令iw值(221)可通过相加并取反iw＝iu+iv(20)得到；永磁同步电动机W相电流反馈iwf(222)可通过相加并取反iwf＝-(iuf+ivf)(19)得到。由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的U、V、W分别与永磁同步电动机(204)的三相电枢绕组(133)、(134)、(135)相连，从而驱动永磁同步电动机(204)运转。

当交直流电动机通用驱动器同时控制两台永磁直流电动机(304)和(404)时(如图5)，与永磁直流电动机(304)同轴安装的光电编码器(305)的信号(331)和与永磁直流电动机(404)同轴安装的光电编码器(405)的信号(431)输入到数字控制单元(50)，将数字控制单元(50)的程序入口设置为(1300)，程序(1310)以速度指令1(327)和光电编码器信号(331)作为输入，进行永磁直流电动机(304)的闭环速度运算，得到电流指令值(336)；程序(1320)以速度指令2(427)和光电编码器信号(431)作为输入，进行永磁直流电动机(404)的闭环速度运算，得到电流指令值(437)。然后将两台永磁直流电动机的电流指令值(336)和(437)，连同由主回路单元输出的对应于两台永磁直流电动机的电流反馈信号(329)和(430)输入到电流运算单元(10)。由电流运算单元(10)完成两台永磁直流电动机的电流环比例运算，最后通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，驱动器的输出端子(32)的V、W分别与永磁直流电动机(304)的二相电枢绕组(334)、(333)相连；输出端子(32)的U、W分别与永磁直流电动机(404)的二相电枢绕组(335)、(393)相连。从而独立地驱动两台永磁直流电动机(305)和(405)运转。

当交直流电动机通用驱动器控制一台永磁直流电动机(504)时(如图6)，与永磁直流电动机(504)同轴安装的光电编码器(505)的信号(531)输入到数字控制单元(50)，将数字控制单元(50)的程序入口设置为永磁直流电动机的闭环速度运算(1400)，此程序以速度指令(527)和光电编码器信号(531)作为输入，进行永磁直流电动机的速度闭环运算，得到电流指令值(536)、同时设置电流指令值(537)为零，(536)和(537)连同由主回路单元输出的电枢绕组的电流反馈信号(529)和电流反馈信号(530)  (此信号为零)输入到电流运算单元(10)，由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6(此时，q1和q2为零)，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V4对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的V、W分别与永磁同步电动机(504)的两相电枢绕组(534)和(533)相连，从而驱动永磁直流电动机(504)运转。

下面根据附图详细说明本发明的驱动器数字控制单元的控制软件。

本实施例中数字控制单元(50)的控制软件包括主程序、定时器中断程序1、定时器中断程序2、数字PID子程序，所谓定时器中断是每隔固定的时间产生一次中断。PID即比例、积分、微分。其中由主程序完成系统初始化，参数设置，中断程序入口设置和循环检测故障等功能。定时器中断程序1用于完成PID控制。定时器中断程序2用于完成矢量控制运算并得到输出电流。软件数字PID调节器子程序，供定时器中断1控制程序调用。以下参照图7至图10说明这些软件的主要流程。

图7是数字控制单元控制软件的主程序的流程图，其主要运行步骤如下：

1、进入程序，系统初始化(5002)，

2、根据控制模式的设置判断系统处于何种电动机的控制状态：

(1)如果是两台永磁直流电动机驱动方式(5005)，首先设置两台电动机的PID参数(5105)、(5205)，然后将定时器中断程序1的入口地址设为(5019)，将定时器中断程序2的入口地址设为(7009)；

(2)如果是一台永磁直流电动机驱动方式(5006)，首先设置永磁直流电动机的PID参数(5106)，并设置电流指令值iv＝0，因为只控制一台电动机，将定时器中断程序1的入口地址设为(5069)，将定时器中断程序2的入口地址设为(7009)；

(3)如果是永磁同步电动机驱动方式(5007)，首先设置永磁同步电动机的PID参数(5107)，并设置转差角ns(t)＝0，然后将定时器中断程序1的入口地址设为(5069)，将定时器中断程序2的入口地址设为(7004)；

(4)如果是感应式异步电动机驱动方式(5008)，首先设置感应式异步电动机电动机的PID参数(5108)，然后将定时器中断程序1的入口地址设为(5069)，将定时器中断程序2的入口地址设为(7001)；

(5)如果上述四种模式都不是，则进行故障报警(5009)，3、打开定时器中断程序1和定时器中断程序2(5010)，4、循环进行故障监测。如有故障(5004)，进行故障处理(5003)。

图8是数字控制单元软件定时器中断程序1的流程图，其主要运行步骤如下：

1、开始(5019)，

2、读取编码器2的计数值n2(t)(5029)，

3、调入电机2的PID参数(5039)，

4、调用电流运算子程序(5049)，

5、计算得到电流指令值iv(5059)，

以上程序用于同时控制两台永磁直流伺服电动机时(5005)，对电动机2的控制，

6、读取编码器1的计数值n1(t)(5069)，

7、调入电动机1的PID参数(5079)，

8、调用电流运算子程序(5089)，

9、计算得到电流指令值iu(5009)，

10、返回(5109)。

图9是数字控制单元控制软件数字PID(比例、积分、微分)调节器子程序的程序流程图，其主要运行步骤如下：

1、开始(6001)，

2、由编码器信号计算反馈位移Wf(t)(6003)以及反馈速度Vf(t)(6004)，

3、进行速度的PID运算：计算速度偏差EV(t)(6011)、速度比例运算Ig1(t)(6012)、速度积分运算Ig2(t)(6013)、速度微分运算Ig3(t)(6014)，得到电流指令值Ig(t)(6015)，

4、将电流指令值Ig(t)的绝对值限制在最大允许值MAXIg内(6016)-(6019)，

5、得到转矩电流给定值i(6020)，

6、返回。

图10是数字控制单元控制软件定时器中断程序2流程图，其主要运行步骤如下：

1、开始(7001)，

2、计算转差角频率Vs(7002)， $\mathrm{Vs}=\frac{R_r}{L_r}\frac{i}{i_d}$ 式中：Rr/Lr为感应式异步电动机的转子时间常数，id为磁场电流，

3、将Vs积分得到转差角ns(t)(7003)，

以上程序用于模式4(5008)，即对感应式异步电动机的控制，

4、读取编码器计数值n(t)(7004)，

5、电流iq＝iu(7005)，

6、得到矢量控制角n(t)＝n(t)+ns(t)(7006)，

7、由电流给定值i、id和n(t)得到了电流指令iu和iv(7007)、(7008)： $\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\stackrel{\cos n\left(t\right)}{\cos (n\left(t\right)-\frac{2\mathrm{\π}}{3})}\stackrel{\sin n\left(t\right)}{\sin (n\left(t\right)-\frac{2\mathrm{\π}}{3})}\right)\left[\begin{array}{c}i\\ i_d\end{array}\right]$

8、输出电流指令值iu和iv(7009)、(7010)，

9、返回(7011)。

以上步骤1至5用于模式4(5008)和模式3(5007)对交流电动机的控制，即对感应式异步电动机和永磁同步电动机的控制。

以下以附图所示实施例说明本发明软件的应用。

当用本发明驱动控制方法控制一台感应式异步电动机(104)时，以速度指令(127)和与感应式异步电动机(104)同轴安装的光电编码器(105)的信号(131)作为输入送到数字控制单元(50)。数字控制单元(50)的主程序进行控制方式的判断(5005-5008)，并完成PID参数的设置(5108)，设定时器中断程序1入口地址为(5069)，定时器中断程序2入口地址为(7001)，由驱动器的数字控制单元(50)的定时器中断程序1和定时器中断程序2分别完成感应式异步电动机(104)速度运算及矢量控制运算，得到电流指令值iu(136)、iv(137)输入到电流运算单元(16)、(20)和(17)、(20)，同时由主回路单元输出的两相绕组的电流反馈信号iuf(129)、ivf(130)分别输入到电流控制单元(16)、(19)和(17)、(19)。

在电流运算单元(10)，感应式异步电动机w相的电流指令iw(121)可通过相加并取反iw＝iu+iv(20)得到；感应式异步电动机W相电流反馈iwf(122)可通过相加并取反iwf＝-(iuf+ivf)(19)得到。由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的U、V、W分别与感应式异步电动机(104)的三相电枢绕组(33)、(34)、(35)相连，从而驱动感应式异步电动机(104)运转。

用本发明驱动控制方法控制一台永磁同步电动机(204)时，将速度指令(227)和与永磁同步电动机(204)同轴安装的光电编码器(205)的信号(231)输入到数字控制单元(50)。数字控制单元(50)的主程序进行控制方式的判断(5005-5007)，并完成PID参数的设置(5107)，设定时器中断程序1入口地址为(5069)，定时器中断程序2入口地址为(7004)。由驱动器的数字控制单元(52)的定时器中断1程序和定时器中断2程序分别完成对永磁同步电动机(204)的位置、速度运算及矢量控制运算，得到电流指令值iu(236)、iv(237)，分别输入到电流运算单元(16)、(20)和(17)、(20)，同时由主回路单元输出的两相绕组的电流反馈信号iuf(229)、ivf(230)分别输入到(16)、(19)和(17)、(19)。

在电流运算单元(10)，永磁同步电动机W相的电流指令值iw(221)可通过相加并取反iw＝iu+iv(20)得到；感应式异步电动机W相电流反馈iwf(222)可通过相加并取反iwf＝-(iuf+ivf)(19)得到。由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的U、V、W分别与永磁同步电动机(204)的三相电枢绕组(133)、(134)、(135)相连，从而驱动永磁同步电动机(204)运转。

用本发明驱动控制方法同时独立控制两台永磁直流电动机(304)和(404)时，以速度指令1(327)和与永磁直流电动机(304)同轴安装的光电编码器(305)的信号(331)作为永磁直流电动机(304)的输入送入数字控制单元(50)；以速度指令2(427)和与永磁直流电动机(404)同轴安装的光电编码器(405)的信号(431)作为控制永磁直流电动机(304)的输入送入数字控制单元(50)。

数字控制单元(50)的主程序进行控制方式的判断(5005)，并进行两台永磁直流电动机PID参数的设置(5105，5205)，并设定时器中断程序1入口地址为(5019)，定时器中断程序2入口地址为(7009)。由驱动器的数字控制单元(50)的定时器中断程序1和定时器中断程序2完成永磁直流电动机(304)和永磁直流电动机(404)的速度运算，得到永磁直流电动机(304)的电流指令值(336)和永磁直流电动机(404)电流指令值(437)，分别输入到(16)、(20)和(17)、(20)，同时由主回路单元输出的两台永磁直流电动机的电流反馈信号if1(329)和if2(430)分别输入到(16)、(19)和(17)、(19)。

由电流运算单元(10)完成两台永磁直流电动机的电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，驱动器的输出端子(32)的V、W分别与永磁直流电动机(304)的二相电枢绕组(334)、(333)相连；输出端子(32)的U、W分别与永磁直流电动机(404)的二相电枢绕组(335)、(393)相连。从而独立地驱动两台永磁直流电动机(305)和(405)运转。

用本发明驱动控制方法控制一台永磁直流电动机(504)时，以速度指令(527)和与永磁直流电动机(304)同轴安装的光电编码器(505)的信号(531)作为输入送入数字控制单元(50)。

数字控制单元(54)的主程序进行控制方式的判断(5005，5006)，并完成PID参数的设置(5106)，并设定时器中断程序1入口地址为(5069)，定时器中断程序2入口地址为(7009)。驱动器有速度指令(527)和位置指令(528)两种指令输入模式，通过对数字控制单元(54)的软件(6005)、(6105)、(6205)进行输入模式的设置。由驱动器的数字控制单元(54)的定时器中断程序1和定时器中断程序2分别完成永磁直流电动机(304)的位置、速度运算得到电流指令值(536)，同时设置电流指令值(537)为零，(536)和(537)分别输入到电流运算单元(16)、(20)和(17)、(20)，由主回路单元输出的电枢绕组的电流反馈信号(29)和电流反馈信号(30)(此信号为零)分别输入到电流运算单元(16)、(19)和(17)、(19)。

由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6(此时，q1和q2为零)，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V4对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的V、W分别与永磁同步电动机(504)的两相电枢绕组(534)和(533)相连，从而驱动永磁直流电动机(504)运转。

本发明交直流电动机通用的驱动器及其驱动控制方法，克服了已有技术的每一种驱动器只能驱动一种电动机或者一台电动机的局限性，提高了应用范围，实用于带有编码器反馈的异步电动机、永磁同步电动机或永磁直流电动机的驱动控制。驱动不同的电动机时，不必改动硬件电路，而只需对数字控制单元的软件进行设置，然后将电机接到驱动器的输出端子上，即可驱动相应的电动机运转。

当采用本发明驱动器和方法驱动不同的交直流电动机时，还具有以下一个或多个特点：(1)驱动器包括数字控制单元，可控制一台永磁同步电动机或者一台感应式异步电动机，也可控制一台永磁直流电动机或分别独立地控制两台永磁直流电动机。(2)、所驱动的电动机的反馈位移及反馈速度运算由数字控制单元的软件完成。(3)、闭环速度运算及矢量控制运算由数字控制单元的软件完成。

Claims (11)

1、一种交直流电动机通用的驱动器，包括电流运算单元(10)、PWM波发生单元(11、12、13)、主回路单元(60)，以电流传感器(6、7)和光电编码器(31)分别作为电动机的电流和速度的反馈监测器件，所驱动的电动机的电枢绕组与驱动器的输出端子(32)相连，其特征是本驱动器有一含有微处理器的数字控制单元(50)，该数字控制单元根据所控制电动机的类别设置不同的控制模式(1000)，取速度指令(27)和与电动机同轴安装的编码器信号(31)作为其输入，按所设置的电动机控制模式计算电动机的反馈位移和反馈速度，并进行速度运算或速度计算及矢量控制运算，由此得到电流指令送入电流运算单元(10)。

2、一种交直流电动机通用的驱动器的驱动控制方法，其特征在于，由数字控制单元(50)首先按所控制的电动机，完成控制模式的设置(1000)，包括程序入口的设置和控制参数的设置。

3、根据权利要求2的驱动控制方法，其特征在于，当控制一台感应式异步电动机(104)时，与感应式异步电动机(104)同轴安装的光电编码器(105)的信号(131)输入到数字控制单元(50)，将数字控制单元(50)的程序入口设置为感应式异步电动机的闭环速度运算(1100)，此程序以速度指令输入(127)和光电编码器信号(131)作为输入，进行感应式异步电动机的速度闭环运算，再通过感应式异步电动机的矢量控制运算(1110)，得到感应式异步电动机的两相电枢的电流指令iu(136)和iv(137)，连同由主回路单元输出的两相绕组的电流反馈信号(129)、(130)输入到电流运算单元(10)，在电流运算单元(10)，感应式异步电动机w相的电流指令iw(121)可通过相加并取反iw＝一(iu+iv)(20)得到；感应式异步电动机W相电流反馈iwf(122)可通过相加并取反iwf＝-(iuf+ivf)(19)得到，由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的U、V、W分别与感应式异步电动机(104)的三相电枢绕组(33)、(34)、(35)相连，从而驱动感应式异步电动机(104)运转。

4、如权利要求2的驱动控制方法，其特征在于，当控制一台永磁同步电动机(204)时，与永磁同步电动机(204)同轴安装的光电编码器(205)的信号(231)输入到数字控制单元(50)，将数字控制单元(50)的程序入口设置为永磁同步电动机的闭环速度运算(1200)，此程序以速度指令(227)和光电编码器信号(231)作为输入，进行永磁同步电动机的速度闭环运算，再通过永磁同步电动机的矢量控制运算(1210)，得到两相电枢的电流指令(236)和(237)，连同由主回路单元输出的两相绕组的电流反馈信号(229)、(230)输入到电流运算单元(10)，在电流运算单元(10)，永磁同步电动机W相的电流指令iw(221)可通过相加并取反iw＝-(iu+iv)(20)得到；永磁同步电动机W相电流反馈iwf(222)可通过相加并取反iwf＝-(iuf+ivf)(19)得到，由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的U、V、W分别与永磁同步电动机(204)的三相电枢绕组(133)、(134)、(135)相连，从而驱动永磁同步电动机(204)运转。

5、如权利要求2的驱动控制方法，其特征在于，当同时控制两台永磁直流电动机(304)和(404)时，与永磁直流电动机(304)和(404)同轴安装的光电编码器(305)和(405)的信号(331)和(431)输入到数字控制单元(50)，将数字控制单元(50)的程序入口设置为(1300)，程序(1310)以速度指令1(327)和光电编码器信号(331)作为输入，进行永磁直流电动机(304)的闭环速度运算，得到电流指令(336)；程序(1320)以速度指令2(427)和光电编码器信号(431)作为输入，进行永磁直流电动机(404)的闭环速度运算，得到电流指令(437)，对应于两台永磁直流电动机的电流指令(336)和(437)，连同由主回路单元输出的对应于两台永磁直流电动机的电流反馈信号(329)和(430)输入到电流运算单元(10)，由电流运算单元(10)完成两台永磁直流电动机的电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V6对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，驱动器的输出端子(32)的V、W分别与永磁直流电动机(304)的二相电枢绕组(334)、(333)相连；输出端子(32)的U、W分别与永磁直流电动机(404)的二相电枢绕组(335)、(393)相连，从而独立地驱动两台永磁直流电动机(305)和(405)运转。

6、如上述权利要求2的驱动控制方法，其特征在于，当控制一台永磁直流电动机(504)时，与永磁直流电动机(504)同轴安装的光电编码器(505)的信号(531)输入到数字控制单元(50)，将数字控制单元(50)的程序入口设置为永磁直流电动机的闭环速度运算(1400)，此程序以速度指令(527)和光电编码器信号(531)作为输入，进行永磁直流电动机的速度闭环运算，得到电流指令(536)、同时设置电流指令(537)为零，(536)和(537)连同由主回路单元输出的电枢绕组的电流反馈信号(529)和电流反馈信号(530)，此信号为零，输入到电流运算单元(10)，由电流运算单元(10)完成电流环比例运算，并通过PWM波发生单元(11)、(12)、(13)产生PWM波调制信号q1～q6，此时，q1和q2为零，输入到主回路单元(60)，控制大功率晶体管V1～V4对直流母线电压(8)～(9)进行斩波，输出脉宽调制电压到输出端子(32)，输出端子(32)的V、W分别与永磁同步电动机(504)的两相电枢绕组(534)和(533)相连，从而驱动永磁直流电动机(504)运转。

7、如上述权利要求任一项的驱动控制方法，其特征在于，数字控制单元的控制软件包括主程序、定时器中断程序1、定时器中断程序2、数字PID子程序，其中由主程序完成系统初始化，参数设置，中断程序入口设置和循环检测故障等功能；定时器中断程序1用于完成PID控制，定时器中断程序2用于完成矢量控制运算并得到输出电流；软件数字PID调节器子程序，供定时器中断程序1调用。

8、如上述权利要求7的驱动控制方法，其特征在于，数字控制单元控制软件的主程序流程的主要运行步骤如下：

(1)、系统初始化，

(2)、根据控制模式的设置，判断系统处于何种电动机的控制状态，

(a)如果是驱动两台永磁直流电动机，首先设置两台电动机的PID参数，然后分别设置定时器中断程序1和定时器中断程序2的入口地址；

(b)如果是驱动一台永磁直流电动机，首先设置永磁直流电动机的PID参数，并设置其中一相电流指令iv＝0，再分别设置定时器中断程序1和定时器中断程序2的入口地址；

(c)如果是驱动永磁同步电动机，首先设置永磁同步电动机的PID参数，并设置转差角ns(t)＝0，然后再分别设置定时器中断程序1和定时器中断程序2的入口地址；

(d)如果是驱动感应式异步电动机，首先设置感应式异步电动机电动机的PID参数，然后再分别设置定时器中断程序1和定时器中断程序2的入口地址；

(e)如果上述四种模式都不是，则发出故障报警，

(3)打开定时器中断程序1和定时器中断程序2，

(4)循环进行故障监测。如有故障则进行故障处理。

9、如上述权利要求7的驱动控制方法，其特征在于，数字控制单元控制软件的定时器中断程序1的主要运行步骤如下：

(1)开始，

(2)读取编码器2的计数值n2(t)，

(3)调入电机2的PID参数，

(4)调用电流运算子程序，

(5)计算得到电动机2的电流指令值iv，

(6)读取编码器1的计数值n1(t)，

(7)调入电动机1的PID参数，

(8)调用电流运算子程序，

(9)计算得到电动机1的电流指令值iu，

(10)返回。

10、如上述权利要求7的驱动控制方法，其特征在于数字控制单元数字PID调节器子程序的主要运行步骤如下：

(1)开始，

(2)由编码器信号计算反馈位移和反馈速度，

(3)进行速度的PID运算：计算速度偏差、速度比例、速度积分、速度微分，得到电流指令值Ig(t)，

(4)将电流指令Ig(t)的绝对值限制在最大允许值MAXIg内，

(5)得到转矩电流给定值i，

(6)返回。

11、如上述权利要求7的驱动控制方法，其特征在于数字控制单元定时器中断程序2的主要运行步骤如下：

(1)开始，

(2)计算转差角频率Vs： $\mathrm{Vs}=\frac{R_r}{L_r}\frac{i}{i_d}$

式中：Rr/Lr为感应式异步电动机的转子时间常数，id为磁场电流，(3)将Vs积分得到转差角ns(t)，(4)读取编码器计数值n(t)，(5)得到矢量控制角n(t)＝n(t)+ns(t)，(6)由电流给定值i、磁场电流id和矢量控制角n(t)得到电流指令值iu和iv： $\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\stackrel{\cos n\left(t\right)}{\cos (n\left(t\right)-\frac{2\mathrm{\π}}{3})}\stackrel{\sin n\left(t\right)}{\sin (n\left(t\right)-\frac{2\mathrm{\π}}{3})}\right)\left[\begin{array}{c}i\\ i_d\end{array}\right]$ (7)输出电流指令值iu和iv，(8)返回。

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