CN201742366U - 一种无速度传感器感应电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种无速度传感器感应电机控制器，包括电源管理电路、与电源管理电路连接的双核单片机、与双核单片机连接的驱动电路、与驱动电路连接的功率变换电路，所述双核单片机上连接有信号输入输出处理单片机以及存储电路，所述双核单片机与功率变换电路之间设有电流电压采样电路，所述的驱动电路、信号输入输出处理单片机、电流电压采样电路均与电源管理电路连接，所述双核单片机包括电机控制外设、电机控制内核和单片机内核，所述电机控制内核与单片机内核之间通过设有的双向寄存器连接。能够克服现有感应电机控制器的不足，在保证高效率的基础上能同时实现电机的快速度和高转矩。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无速度传感器感应电机控制器，主要用于工农业生产、交通运输、以及日常生活中广泛存在的电动机传动设备，如风机、水泵类、传输及起重设备等。
背景技术
据资料统计，有占70％以上的电力能源用于交流电动机的控制，我国电动机的总装机容量已达4.2亿kW，年耗电量达6000亿kWh，约占工业耗电量的80％。统计表明，我国60％的发电量是通过各类电动机消耗的。因此，为了在满足运行、生产、工艺要求的同时减少运行损耗、延长电机使用寿命、节约电能，需要研究高性能的电机控制技术。
在高性能的感应电机矢量控制系统中，电机转速的闭环控制环节一般是必不可少的，通常采用光电编码器等速度传感器进行转速检测并反馈转速信号。然而，速度传感器的安装、维护、成本以及工作环境恶劣等方面的问题，都影响到感应电机调速系统的简易性和可靠性，限制了交流调速系统的应用范围。因而，利用检测的定子电压、电流等容易测得的物理量进行速度估算，即进行无速度传感器技术的研究就具有重要的实际意义和广阔的发展空间。感应电动机虽然已经发展到相当成熟的阶段，但是对其无速度传感器控制系统的开发还有待于进一步深入，存在着比较大的发展空间。无速度传感器的应用，一方面可以完成高性能控制中对速度闭环的需要，另一方面又减少了由于安装速度传感器而引起的系统硬件复杂性上升和可靠性下降等问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种无速度传感器感应电机控制器，能够克服现有感应电机控制器的不足，在保证高效率的基础上能同时实现电机的快速度和高转矩。
为解决上述现有的技术问题，本实用新型采用如下方案：一种无速度传感器感应电机控制器，包括电源管理电路、与电源管理电路连接的双核单片机、与双核单片机连接的驱动电路、与驱动电路连接的功率变换电路，所述双核单片机上连接有信号输入输出处理单片机以及存储电路，所述双核单片机与功率变换电路之间设有电流电压采样电路，所述的驱动电路、信号输入输出处理单片机、电流电压采样电路均与电源管理电路连接，所述电源管理电路连接外部电池，所述功率变换电路连接感应电动机，所述双核单片机包括电机控制外设、电机控制内核和单片机内核，所述电机控制内核与单片机内核之间通过设有的双向寄存器连接。
作为优选，所述电源管理电路中设有高频隔离开关电源以及两个LDO芯片。控制器电源系统从380V，先经过整流桥整流成540V，再经过高频隔离开关电源，得24V，15V，5V，三个电源相互是独立的，分别供给控制器内外部使用，内部5V给控制器内部低压电路使用，外部5V给控制器的外部设备使用，内部5V经过两个LDO芯片，得到3.3V和1.8V，这样设计的控制器电源管理电路静态消耗功率很低，效率很高；并且当控制器外部设备发生短路或接触到高压时，由于内外部设备电源的独立性，不影响控制器的内部低压电路。
作为优选，所述功率变换电路为AC-DC-AC逆变电路，采用一个集六个功率变换器件和整流桥于一体的IPM模块，所述功率变换器件采用功率IGBT，所述驱动电路采用集成全桥驱动电路芯片。AC-DC-AC逆变电路把先交流电整流成直流，再逆变为频率可调的三相交流电去驱动电机，功率IGBT具有开关速度快、驱动电路简易、具有温度保护功能、短路保护功能等优点。
作为优选，所述电流电压采样电路中在电流采样点处设有高精密电感电阻电路，在传输线路中设有计共模滤波器和差模滤波器，在AD处设有高精密的参考电压。利用高精密电感电阻电路采样电流，采样精确。
有益效果：
本实用新型采用上述技术方案提供一种无速度传感器感应电机控制器，克服了现有感应电机控制器的不足，在保证高效率的基础上能同时实现电机的快速度和高转矩，提高控制器的可靠性。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型中双核单片机的内部结构图；
图3为本实用新型中电源管理电路的电路图；
图4为本实用新型中驱动电路的电路图；
图5为本实用新型中IPM模块的电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种无速度传感器感应电机控制器，包括电源管理电路1、与电源管理电路1连接的双核单片机2、与双核单片机2连接的驱动电路3、与驱动电路3连接的功率变换电路4，所述双核单片机2上连接有信号输入输出处理单片机5以及存储电路6，所述双核单片机2与功率变换电路4之间设有电流电压采样电路7，所述的驱动电路3、信号输入输出处理单片机5、电流电压采样电路7均与电源管理电路1连接，所述电源管理电路1连接外部电池，所述功率变换电路4连接感应电动机，所述双核单片机2包括电机控制外设21、电机控制内核22和单片机内核23，所述电机控制内核22与单片机内核23之间通过设有的双向寄存器24连接。信号输入输出处理单片机5实现无传感器控制算法，双核单片机2实现输入输出处理。电机控制内核22只采集直流母线电流来识别转子转速和位置，矢量控制算法FOC采用电机控制内核22来实现，驱动电路3的主回路功率开关管采用SVPWM的调制方式，降低开关次数和开关损耗，提高母线电压利用率。由于电机控制内核22的高速执行特性以及极其微小的代码长度，一旦双核单片机2上电、电机控制内核22加载代码并启动后，电机控制内核22连同电机控制外设21一起运作，对单片机内核23来说基本上是一套纯硬件执行的无传感器电机FOC控制器，电流环的执行完全是硬件执行，速度环是电机控制内核22执行来实现。双核单片机2采用IRMCF341双核处理器来实现矢量控制。单片机内核23可以直接干预电机控制内核22和电机控制外设21，不但大大的加快了电机控制算法的实现速度，而且大大简化了控制方式，简化了控制电路。主电路由整流模块、逆变模块、驱动电路、电压电流检测电路及其他外围电路组成，控制电路以IRMCF341芯片为核心，配合外围电路构成无位置传感器异步电机控制电路。在该系统中，控制核心IRMCF341通过A/D口接受来自单电阻电流采样到的电流信息，此电流经RC电路转换成适合的电压信号输给IRMCF341的A/D口。
如图2所示，单片机内核23通过双端口RAM或电机外设寄存器配置相应的参数来达到控制电机的目的，根本不需要理会电机的无传感器矢量控制算法具体控制过程。电机控制内核实现矢量控制算法，一方面利用单片机核干预电机控制内核的运行，调整一些算法参数，另一方面实现人机交互和通讯工作，这样既保证了算法实现的实时性，又增加了控制电路的可靠性，降低了控制器的硬件成本。由于事先无法知道电机转子的确切位置，无传感器电机平稳启动是一个难点问题，感应电机特别是高精度感应电机对启动要求较高，又要启动平稳，防止启动过猛造成机械损坏。因此采用开环阶段、闭环阶段的二段启动模式，开环把电机启动起来，达到一定速度后再切换到闭环阶段，另外由于感应电机会在不同负载下启动，因此为了保持启动的平稳，要采用不同的开闭环切换频率。速度环和电流环均采用PI控制器的闭环调节模式，在PI控制器的设计中，参数整定是关键点，它决定控制器的动态和静态性能，也就决定了电机运行时的力矩特性和速度特性。根据异步电机的数学模型，采用经典控制理论中零极点相消的设计方法来确定PI控制器的参数，同时根据电机电流和速度的反馈情况在一定的范围内利用滑模变结构控制理论来动态调节控制参数，以适应电机在运行过程中的参数变化，同时满足感应电机在不同负载下转动的要求。
如图3所示，所述电源管理电路1中设有高频隔离开关电源以及两个LDO(低压差线性稳压器)芯片。现有的感应电机控制器电源系统通过消耗功率的方式利用稳压管得到15V，控制器静态电流达到了40mA-50mA，即静态消耗很大；然后再通过消耗功率的方式到得5V，当控制器使用5V电源的外部设备发生短路或接触到高压时，将损坏控制器的电源系统，且电源系统本身没有过流、短路保护等功能。电源管理电路1的电压从380V，先经过整流桥整流成540V，再经过高频隔离开关电源，得24V，15V，5V，三个电源相互是独立的，分别供给控制器内外部使用，内部5V给控制器内部低压电路使用，外部5V给控制器的外部设备使用，内部5V经过两个LDO芯片，得到3.3V和1.8V，这样设计的控制器电源管理电路静态消耗功率很低，效率很高；并且当控制器外部设备发生短路或接触到高压时，由于内外部设备电源的独立性，不影响控制器的内部低压电路。
所述功率变换电路4为AC-DC-AC逆变电路，采用一个集六个功率变换器件和整流桥于一体的IPM模块(智能功率模块)，所述功率变换器件采用功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，所述驱动电路3采用集成全桥驱动电路芯片。如图4所示，集成全桥驱动电路芯片为IGBT六路集成驱动电路，该电路加入了过流保护、错误清除功能，在电机发生堵转或者其他原因导致过流时，芯片直接锁定输出，使输出无效，提供快速的对电机产生保护，防止IPM模块损坏。该驱动芯片内部集成了三个独立的相对高边和低边输出通道可分别用于三相应用。在无驱动信号输入的初始阶段，芯片内部电路自动设定高端驱动信号输出为高电平，低端驱动信号出为低电平，从而有效避免了短路的发生。同时芯片内部输入控制逻辑电路可为高端和低端控制提供死区时间，以避免同一桥臂上的功率器件在开关转换过渡期间发生短路。驱动电路采用元件C4、D2、D4、R7、R9。降低主电路的分布参数和功率管开关动态对驱动电路的影响，提高驱动电路的可靠性。如图5所示，为IPM模块的电路图，该模块集成了六路IGBT、整流桥以及相对应的保护电路，电路3输出六路驱动信号至该模块，该模块的输出直接连接至电机。
所述电流电压采样电路7中在电流采样点处设有高精密电感电阻电路，在传输线路中设有计共模滤波器和差模滤波器，在AD处设有高精密的参考电压。电路里面的模拟信号转换为数字信号的电路简称AD电路。
本实用新型同时实现了欠电压保护电路、过电压保护电路、过电流保护电路、电机堵转保护电路，硬件电路和软件配合，完成对电源、功率电路和电机的保护，以此来提高感应电机控制器的可靠性。
Claims (4)
1.一种无速度传感器感应电机控制器，其特征在于：包括电源管理电路(1)、与电源管理电路(1)连接的双核单片机(2)、与双核单片机(2)连接的驱动电路(3)、与驱动电路(3)连接的功率变换电路(4)，所述双核单片机(2)上连接有信号输入输出处理单片机(5)以及存储电路(6)，所述双核单片机(2)与功率变换电路(4)之间设有电流电压采样电路(7)，所述的驱动电路(3)、信号输入输出处理单片机(5)、电流电压采样电路(7)均与电源管理电路(1)连接，所述电源管理电路(1)连接外部电池，所述功率变换电路(4)连接感应电动机，所述双核单片机(2)包括电机控制外设(21)、电机控制内核(22)和单片机内核(23)，所述电机控制内核(22)与单片机内核(23)之间通过设有的双向寄存器(24)连接。
2.根据权利要求1所述的一种无速度传感器感应电机控制器，其特征在于：所述电源管理电路(1)中设有高频隔离开关电源以及两个LDO芯片。
3.根据权利要求1所述的一种无速度传感器感应电机控制器，其特征在于：所述功率变换电路(4)为AC-DC-AC逆变电路，采用一个集六个功率变换器件和整流桥于一体的IPM模块，所述功率变换器件采用功率IGBT，所述驱动电路(3)采用集成全桥驱动电路芯片。
4.根据权利要求1所述的一种无速度传感器感应电机控制器，其特征在于：所述电流电压采样电路(7)中在电流采样点处设有高精密电感电阻电路，在传输线路中设有计共模滤波器和差模滤波器，在AD处设有高精密的参考电压。
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