CN204089658U - 基于dsp的开关磁阻电机调速系统 - Google Patents

Abstract

基于DSP的开关磁阻电机调速系统，主要是对组成调速系统的各模块进行电路设计，主要包括：电源模块、位置检测模块、电压检测模块、电流检测模块、功率变换器及其驱动模块、故障检测模块、DSP控制模块、开关磁阻电机本体模块，并对各模块进行正确连接。本实用新型能通过按键的选择完成开关磁阻电机的正反转，准确显示电机的速度使其与设定速度相吻合，并设有各种保护装置，当电机发生故障时能自动停止，保证了开关磁阻电机的高速稳定运行。

Description

基于DSP的开关磁阻电机调速系统

技术领域

本实用新型涉及开关磁阻电机的调速领域，具体为一种基于DSP的开关磁阻电机调速系统。

背景技术

开关磁阻电机作为一种新型特种电机，其产品已广泛应用于采煤机牵引、机械提升、架线电机车等各个领域。但随着应用的广泛，对其控制精度、噪声、转矩脉动、成本、生产周期等也提出了更高的要求，因此如何建立优良的开关磁阻电机控制系统成为电气工作者迫切需要解决的问题。早年的开关磁阻电机控制系统主要由模拟电路组成，其主要缺点是：维护量大、结构复杂、控制死板、升级困难，因为模拟电路的元器件数目较多，老化和温漂等都严重影响控制器的特性，系统的升级需要硬件电路的改进和调节，给工作和研究人员带来极大的不便。近年来的产品主要由单片机和数字逻辑电路来完成的，这种控制方式虽然克服了上述缺点，但是仍然存在单片机频率固定、保护参数多、可靠性差，速度慢等问题。

本文以DSP(TMS320F28335)为控制核心，设计一种资源丰富、成本低、功能强、脉动小、噪声低、运行可靠的新型调速系统。TMS320F28335为业界首款浮点数字信号控制器(DSC)。由美国TI公司推出，其主要应用领域包括：马达控制；工业控制；电力控制；电机控制；运动控制等，本设计选择它作为主控制器，丰富的资源为电机控制提供必需的外围设备。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种基于DSP的开关磁阻电机调速系统，以解决模拟电路组成的开关磁阻电机调速系统存在维护量大、结构复杂等缺点。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

基于DSP的开关磁阻电机调速系统，主要包括：电源模块、位置检测模块、电压检测模块、电流检测模块、功率变换器及其驱动模块、故障检测模块、DSP控制模块、开关磁阻电机本体模块，其特征在于：DSP控制模块的输入端连接故障检测模块、位置检测模块、电流检测模块、电压检测模块和键盘电路，DSP控制模块的输出端连接功率变换器的驱动模块和显示电路，驱动模块和直流电源供电模块的输出端连接功率变换器，功率变换器的输出端连接开关磁阻电机本体模块、电压检测模块和电流检测模块，而位置检测模块的输入端连接开关磁阻电机本体模块。

所述的基于DSP的开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述功率变换器的拓扑结构为IRFB450A型MOSFET和HFA15TB60型续流二极管组成的H桥型电路，功率变换器的驱动模块采用IR2110型功率驱动芯片，每个IR2110型功率驱动芯片控制两个电力MOSFET，DSP控制模块和IR2110型功率驱动芯片之间采用6N137型光耦器件进行隔离。

所述的基于DSP的开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述电流检测模块由采样电阻、RC滤波、光耦隔离芯片HCPL-3840、差分放大电路、电压跟随器和钳位电路组成。

所述的基于DSP的开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述电压检测模块由HW-BPT-264V/3.53V型电压互感器、电阻分压、RC滤波、差分放大电路、电压跟随器和钳位电路组成。

本实用新型从开关磁阻电机的调速性能出发，针对现有模拟电路结构复杂、维护成本高的实际情况，围绕DSP控制芯片进行设计外围电路，并考虑到控制系统可能出现的相电流过流、线电压过压等故障，配置了过流保护、过压保护等，完成对开关磁阻电机控制器的保护。

本实用新型的优点是：

本实用新型具有电路简单、可靠性高、鲁棒性强、控制灵敏、稳定性强的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2(a)为位置检测电路的示意图。

图2(b)为电流检测电路、过流保护电流的示意图。

图2(c)为电压检测电路、过压保护电流的示意图。

图3(a)为功率变换器的示意图。

图3(b)为功率变换器的驱动模块和隔离模块示意图。

具体实施方式

实用新型的结构框图如图1所示，基于DSP的开关磁阻电机调速系统，主要包括：直流电源(6)、光电传感器(10)、电压电流检测模块(8)、功率变换器(7)及其驱动模块(5)、隔离模块(4)、故障检测(3)、TMS320F28335型DSP控制模块(1)、速度给定(2)、开关磁阻电机本体模块(9)，其特征在于：DSP控制模块的输入端连接故障检测模块、位置检测模块、电流检测模块、电压检测模块，DSP控制模块的输出端连接功率变换器的驱动模块、显示电路，驱动模块的输出端连接功率变换器，功率变换器的输入端连接直流电源供电模块，功率变换器的输出端连接开关磁阻电机本体模块、电压检测模块、电流检测模块，而位置检测模块的输入端连接开关磁阻电机本体模块。

本实用新型中，速度给定模块通过按键来设定期望转速，位置检测模块用来测量电机的实际转速，电流检测模块用来测量电机实际工作时的相电流，电压检测模块用来测量电机实际工作时的线电压，显示电路用来显示电机的实际转速，功率变换器及其驱动和隔离模块主要作用是对DSP产生的PWM脉冲进行隔离放大，使其能够转化为开关管能够接受的开关信号，并实时、适式的控制功率变换器中开关管的开通和关断，进而完成开关磁阻电机各相绕组的换相，使其能够正常工作。

本实用新型结构特点是：实体结构共分为3个模块：供电模块、控制器模块和电机模块，供电模块由蓄电池完成；电压电流检测模块、功率变换器及其驱动模块、隔离模块、故障检测、TMS320LF28335型DSP控制芯片、晶振、速度给定都集成在控制器模块的控制板上，该控制板中各种控制芯片及外围电路集中在板子的上层，开关管集中在板子的下层，开关管之下紧接着放置了散热片，并将上述控制板及散热片放置具有金属外壳的控制盒中，控制盒的外面放置了三个薄膜按键，分别代表正传、反转、停止，另外还放置数码管用于显示实际速度；电机模块主要包括电机本体、码盘和光电传感器，位置信号通过航空接口连接到控制器上，电机的四相绕组也通过航空接口连接到控制器上。

具体实施中的DSP控制模块的控制核心采用DSP最小系统板，其它控制电路结构如图2所示，包括：图2(a)为位置检测电路的示意图：

开关磁阻电机的位置检测电路由安装在码盘上的两组光电式位置传感器组成。其检测电路由R36、R37、R41，光耦TLP521-1、TLP521-2，施密特触发器U7A、U8A组成。两组光耦的供电均由+5V电源经电阻R36来完成，光耦TLP521-1输出光电信号经电阻R37转化成电压信号，再输入到施密特触发器U7A的1脚进行整形处理，再经U7A的2脚输出并连接到DSP最小系统的QEP1脚，供其捕获处理；光耦TLP521-2输出光电信号经电阻R41转化成电压信号，再输入到施密特触发器U8A的1脚进行整形处理，再经U8A的2脚输出并连接到DSP最小系统的QEP2脚，供其捕获处理。

图2(b)为电流检测电路、过流保护电流的示意图：

由于开关磁阻电机工作时采用双相运行，所以电流检测电路共有两组，B、D相绕组中分别串联采样电阻ADCIN00、ADCIN01。同样电机的过流检测也只需要两组，分别对上述采样电流进行过流保护。其中，B相的电流检测电路由电阻R1～R6，电容C2～C7、C100，光耦芯片HCPL-3840-1，运算放大器U1、U2，开关二极管D1、D2组成。来自B相绕组采样电阻的采样信号首先经过电阻R1和C2滤波，再经光耦芯片HCPL-3840-1隔离后送入差分放大电路U1的1脚进行差分放大，差分放大后送入U2的1脚，通过电压跟随U2进行电压跟随，最后经开关二极管D1、D2进行限幅，送入DSP最小系统板的ADCINA0引脚进行A/D采样处理。B相的过电流信号检测电路由电阻R7、R8，运算放大器U3，稳压管D3组成。正常情况下，U3的输出为高电平，被稳压管D3钳位在3.3V，而当B相出现过电流时，U3的输出为低电平，该低电平被送入到与门逻辑电路OV1的输入端，经OV1和OV2处理后送入DSP最小系统板的XINT0引脚申请中断；D相的电流检测电路由电阻R9～R14，电容C50～C55，光耦芯片HCPL-3840-2，运算放大器U4、U5，开关二极管D4、D5组成。来自D相绕组采样电阻的采样信号首先经过电阻R9和C50滤波，再经光耦芯片HCPL-3840-2隔离后送入差分放大电路U4的1脚进行差分放大，差分放大后送入U5的1脚，通过电压跟随器U5进行电压跟随，最后经开关二极管D4、D5进行限幅，送入DSP最小系统板的ADCINA1引脚进行A/D采样处理。D相的过电流信号检测电路由电阻R15、R16，运算放大器U6，稳压管D6组成。正常情况下，U6的输出为高电平，被稳压管D6钳位在3.3V，而当D相出现过电流时，U6的输出为低电平，该低电平被送入到与门逻辑电路OV2的输入端，经OV1和OV2处理后送入DSP最小系统板的XINT0引脚申请中断。

图2(c)为电压检测电路、过压保护电路的示意图：

本系统中，电压检测器检测的是开关磁阻电机的线电压，所以电压检测电路共有四组。同样电机的过压检测也需要四组，分别对上述采样电压进行过压保护。其中，A、B相的电压检测电路由电阻R45～R53，电容C44～C46，电压互感器HW-BPT-264V/3.53V-1，运算放大器U9、U10，二极管VD9，开关二极管D7、D8组成。来自A、B相绕组的电压互感器HW-BPT-264V/3.53V-1的采样信号，首先经过电阻R45和R46分压，再送入差分放大电路U9的1脚进行差分放大送入U10的1脚，经电压跟随器U10进行电压跟随后，最后经开关二极管D7、D8进行限幅，送入DSP最小系统板的ADCINA2引脚进行A/D采样处理。A、B相的过电压信号检测电路由电阻R54、R55，运算放大器U11，稳压管D9组成。正常情况下，U11的输出为高电平，被稳压管D9钳位在3.3V，而当A、B相出现过电压时，U11的输出为低电平，该低电平被送入到与门逻辑电路OV1的输入端，经OV1和OV2处理后送入DSP最小系统板的XINT0引脚申请中断；B、C相的电压检测电路由电阻R56～R64，电容C47～C49，电压互感器HW-BPT-264V/3.53V-2，运算放大器U12、U13，二极管VD10，开关二极管D10、D11组成。来自B、C相绕组的电压互感器HW-BPT-264V/3.53V-2的采样信号，首先经过电阻R56和R57分压，再送入差分放大电路U12的1脚进行差分放大，差分放大后送入U13的1脚，经电压跟随器U13进行电压跟随，最后经开关二极管D10、D11进行限幅，送入DSP最小系统板的ADCINA3引脚进行A/D采样处理。B、C相的过电压信号检测电路由电阻R65、R66，运算放大器U14，稳压管D12组成。正常情况下，U14的输出为高电平，被稳压管D12钳位在3.3V，而当B、C相出现过电压时，U14的输出为低电平，该低电平被送入到与门逻辑电路OV1的输入端，经OV1和OV2处理后送入DSP最小系统板的XINT0引脚申请中断；C、D相的电压检测电路由电阻R67～R75，电容C56～C58，电压互感器HW-BPT-264V/3.53V-3，运算放大器U15、U16，二极管VD11，开关二极管D13、D14组成。来自C、D相绕组的电压互感器HW-BPT-264V/3.53V-3的采样信号，首先经过电阻R67和R68分压，再送入差分放大电路U15的1脚进行差分放大，差分放大后送入U16的1脚，经电压跟随器U16进行电压跟随后，最后经开关二极管D13、D14进行限幅，送入DSP最小系统板的ADCINA4引脚进行A/D采样处理。C、D相的过电压信号检测电路由电阻R76、R77，运算放大器U17，稳压管D15组成。正常情况下，U15的输出为高电平，被稳压管D15钳位在3.3V，而当C、D相出现过电压时，U15的输出为低电平，该低电平被送入到与门逻辑电路OV1的输入端，经OV1和OV2处理后送入DSP最小系统板的XINT0引脚申请中断；D、A相的电压检测电路由电阻R78～R86，电容C59～C61，电压互感器HW-BPT-264V/3.53V-4，运算放大器U18、U19，二极管VD12，开关二极管D16、D17组成。来自D、A相绕组的电压互感器HW-BPT-264V/3.53V-4的采样信号，首先经过电阻R78和R79分压，再送入差分放大电路U18的1脚进行差分放大，差分放大后送入U19的1脚，经电压跟随器U19进行电压跟随后，最后经开关二极管D16、D17进行限幅，送入DSP最小系统板的ADCINA5引脚进行A/D采样处理。D、A相的过电压信号检测电路由电阻R87、R88，运算放大器U20，稳压管D18组成。正常情况下，U20的输出为高电平，被稳压管D18钳位在3.3V，而当D、A相出现过电压时，U20的输出为低电平，该低电平被送入到与门逻辑电路OV1的输入端，经OV1和OV2处理后送入DSP最小系统板的XINT0引脚申请中断。

具体实施中的功率变换器及其驱动和隔离模块的电路结构如图3所示，包括：图3(a)为功率变换器的示意图：

本系统采用H桥型功率变换器，该电路由5个IRFB450A型MOSFET管和5个HFA15TB60型续流二极管组成。其中G1接在主电路中，而G2、G3、G4、G5分别串接接在A、C、B、D四相绕组中，同样续流二极管W1接在主电路中，而W2、W3、W4、W5分别串接接在A、C、B、D四相绕组中，完成各相绕组的续流。

图3(b)为功率变换器的驱动模块和隔离模块示意图：

功率变换器的驱动模块和隔离模块共有三组，分别控制H桥型功率变换器的主开关G1，G2和G4，G3和G5。其中，主开关G1的控制和驱动模块由R33～R35、C16～C18、光耦U20、驱动芯片U21，二极管VD7、VD8组成。来自DSP控制模块的PWM1信号首先经过R33输入到光耦U20的V+引脚，经光耦隔离后从光耦U20的OUT引脚输出，送入到驱动芯片U21的HIN引脚，从而控制U21的HO引脚输出PWM信号，进而控制G1的导通和截止，从而控制开关磁阻电机主回路的工作电流；开关管G2和G4的控制和驱动模块由R21～R26、C8～C11、光耦U25～U26驱动芯片U27，二极管VD1～VD3组成。来自DSP控制模块的PWM2和PWM4信号首先经过R21和R23分别输入到光耦U26和U25的V+引脚，经光耦隔离后从光耦U26和U25的OUT引脚输出，送入到驱动芯片U27的HIN和LIN引脚，从而控制U27的HO和LO引脚输出PWM信号，进而控制G2和G4的导通和截止，从而控制开关磁阻电机A相和B相的工作电流；开关管G3和G5的控制和驱动模块由R27～R32、C12～C15、光耦U22～U23驱动芯片U24，二极管VD4～VD6组成。来自DSP控制模块的PWM3和PWM5信号首先经过R27和R29分别输入到光耦U23和U22的V+引脚，经光耦隔离后从光耦U23和U22的OUT引脚输出，送入到驱动芯片U24的HIN和LIN引脚，从而控制U24的HO和LO引脚输出PWM信号，进而控制G3和G5的导通和截止，从而控制开关磁阻电机C相和D相的工作电流。

Claims (4)

1.基于DSP的开关磁阻电机调速系统，主要包括：电源模块、位置检测模块、电压检测模块、电流检测模块、功率变换器及其驱动模块、故障检测模块、DSP控制模块、开关磁阻电机本体模块，其特征在于：DSP控制模块的输入端连接故障检测模块、位置检测模块、电流检测模块、电压检测模块和键盘电路，DSP控制模块的输出端连接功率变换器的驱动模块和显示电路，驱动模块和直流电源供电模块的输出端连接功率变换器，功率变换器的输出端连接开关磁阻电机本体模块、电压检测模块和电流检测模块，而位置检测模块的输入端连接开关磁阻电机本体模块。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述功率变换器的拓扑结构为IRFB450A型MOSFET和HFA15TB60型续流二极管组成的H桥型电路，功率变换器的驱动模块采用IR2110型功率驱动芯片，每个IR2110型功率驱动芯片控制两个电力MOSFET，DSP控制模块和IR2110型功率驱动芯片之间采用6N137型光耦器件进行隔离。

3.根据权利要求1所述的基于DSP的开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述电流检测模块由采样电阻、RC滤波、光耦隔离芯片HCPL-3840、差分放大电路、电压跟随器和钳位电路组成。

4.根据权利要求1所述的基于DSP的开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述电压检测模块由HW-BPT-264V/3.53V型电压互感器、电阻分压、RC滤波、差分放大电路、电压跟随器和钳位电路组成。