CN206341162U - 基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，包括上位机控制设计部分和下位机执行与被控部分；上位机控制设计部分为PC机；下位机执行与被控部分包括DSP主控单元、调理保护电路、驱动保护电路、三相交流电源、整流电路、五桥臂逆变电路、双永磁同步电机、负载、采样电路、电流传感器、光电编码器。PC机作为上位机，设计调速系统的控制算法模型，经一系列测试与验证，自动生成代码并通过仿真器下载到DSP主控单元，DSP主控单元的输出经过驱动保护电路控制逆变电路中开关管的通断，进而控制双电机转速，传感器分别采集电机的定子电流、电机的转速信息反馈到控制器，通过闭环回路对转速进行控制。本实用新型实现了对双永磁同步电机调速系统的精确控制，提高了产品开发效率，降低了成本，缩短了开发周期。

Description

基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统

技术领域

本实用新型涉及一种双电机调速系统，尤其涉及一种基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，属于电力电子技术领域。

背景技术

近年来随着造纸、纺织等领域在生产工艺方面的要求不断提高，多个电机协同运行时的工作性能在工业领域越发重要，其驱动技术备受国内外学者的广泛关注。在多相电压源逆变器驱动系统中，使用五桥臂驱动两台三相电机的研究国内还不多见。与传统的多电机驱动方式相比，五桥臂的驱动方式减少了开关数量，降低了成本，对于纺织使用的丝光机、印染使用的均匀轧车等多电机协同运行的场合有重要意义。然而，由于双电机调速系统的结构复杂，系统信号繁多，控制算法复杂，导致总体电路庞大，因此目前大量采用嵌入式系统开发进行双电机调速的设计。但是传统的嵌入式系统开发模式，各个阶段彼此孤立，手工编写代码效率低、错误多，在设计的最后阶段才进行测试，查错和修正困难大、耗时长、费用高，使得双电机调速系统的开发周期长，开发成本高。

发明内容

在下文中给出了关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为了解决上述现有的技术问题，本实用新型的目的是提供一种开发成本低、代码可靠性高、调试灵活、开发周期短、调速效果好的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统。

本实用新型提供了一种基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，包括上位机、DSP主控单元、调理保护电路、驱动保护电路、三相交流电源、整流电路、五桥臂逆变电路、双永磁同步电机、负载、采样电路、电流传感器、光电编码器，其特征在于：所述上位机通过数据线与DSP主控单元的代码输入端建立连接，DSP主控单元的PWM输出端连接驱动保护电路的输入端，驱动保护电路的输出端连接五桥臂逆变电路的开关管信号输入端，同时三相交流电源输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接五桥臂逆变电路的输入端，五桥臂逆变电路的输出端分别与永磁同步电机一、永磁同步电机二的输入端建立连接，永磁同步电机一、永磁同步电机二的输出端分别与负载一、负载二进行连接，同时永磁同步电机一、永磁同步电机二分别与第一传感器、第二传感器进行连接，所述的第一传感器、第二传感器的输出端分别与调理保护电路的输入端进行连接，同时永磁同步电机一、永磁同步电机二的输入端与传感器组的输入端进行连接，传感器组的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接调理保护电路的输入端，调理保护电路的输出端与DSP主控单元的输入端进行连接。

进一步地：所述的五桥臂逆变电路为五相桥式的拓扑结构，包括A桥臂、B桥臂、C桥臂、D桥臂、E桥臂和直流侧电容，所述的A桥臂、B桥臂、C桥臂构成逆变器1，所述的C桥臂、D桥臂、E桥臂构成逆变器2，所述的C桥臂为逆变器的公共桥臂。

进一步地：所述的DSP主控单元为TI公司生产的F28335eZdsp嵌入式开发套件。

进一步地：所述的驱动保护电路采用IR2110驱动芯片。

进一步地：所述的整流电路采用富士公司3R130G-160三相不控整流模块。

进一步地：所述的传感器组采用CHB-25NP霍尔电流传感器。

进一步地：所述的第一传感器与第二传感器采用E6B2-CWZ3E型欧姆龙增量式光电编码器。

进一步地：所述的A桥臂、B桥臂、C桥臂、D桥臂、E桥臂结构相同，所述A桥臂包括串联连接的第一开关管(T1)和第二开关管(T2)，每个开关管均反并联二极管，所述的桥臂的两个开关管之间的连接点为桥臂的中点，所述的的开关管器件选用型号为IGBT 英飞凌BSM50GB120DN2。

进一步地：所述的E6B2-CWZ3E型欧姆龙增量式光电编码器用来检测电机转速和位置，通过TMS320F2812的时间管理器EVA的正交编码单元QEP1、QEP2检测脉冲序列可以计算出电机的转速，同时也可由脉冲之间的相位关系来判断电机是正转还是反转。

本实用新型提出的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统所达到的效果为：

本实用新型利用传感器采集调速系统的定子电流、转速信号，将信号送至DSP主控单元，实现对系统的电流、转速闭环控制，解决了以往的仿真与控制实施分离的做法造成的模型不匹配问题，因此在发明控制设计过程中，不断完善控制算法，使缺陷暴露在设计初期。

本实用新型采用基于模型设计的方法建立转速系统的控制算法模型，控制双永磁同步电机转速系统，解决了传统电机调速系统软硬件分离的开发模式，开发时间和所需成本只是传统方法的1/5到1/2左右，体现了基于模型设计方法具有极大的优越性。

本实用新型采用上位机设计控制系统和控制算法，建立控制算法模型，并自动生成代码下载到DSP主控单元，大大简化了手工编写代码的过程，缩短了控制系统的开发设计周期，降低了成本。

本实用新型设计的调速系统和控制系统开发方法可以移植到其他的控制系统研究中，具有广阔的应用前景。

附图说明：

附图1是本实用新型的结构示意图。

附图2是本实用新型的五桥臂逆变电路的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

参见图1，本实用新型包括上位机控制设计部分和下位机执行与被控部分；其中，上位机控制设计部分为PC机，PC机作为控制系统设计的主要部分，在Matlab\Simulink环境中搭建控制算法模型，经一系列测试与验证，自动生成代码并借助集成开发环境CCS3.3通过仿真器下载到下位机嵌入式控制器中运行；下位机执行与被控部分包括DSP主控单元、调理保护电路、驱动保护电路、三相交流电源、整流电路、五桥臂逆变电路、双永磁同步电机、负载、采样电路、电流传感器、光电编码器。

PC机通过数据线与DSP主控单元的代码输入端建立连接，DSP主控单元的PWM输出端连接驱动保护电路的输入端，驱动保护电路的输出端连接五桥臂逆变电路的开关管信号输入端，同时三相交流电源输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接五桥臂逆变电路的输入端，五桥臂逆变电路的输出端分别与永磁同步电机一、永磁同步电机二的输入端建立连接，永磁同步电机一、永磁同步电机二的输出端分别与负载一、负载二进行连接，同时永磁同步电机一、永磁同步电机二分别与第一传感器、第二传感器进行连接，所述的第一传感器、第二传感器的输出端分别与调理保护电路的输入端进行连接，同时永磁同步电机一、永磁同步电机二的输入端与传感器组的输入端进行连接，传感器组的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接调理保护电路的输入端，调理保护电路的输出端与DSP主控单元的输入端进行连接。

本实用新型使用Simulink搭建控制算法的仿真模型，编译后自动连接CCS，生成控制代码，DSP主控单元作为下位机，执行上位机生成的代码，完成所需的PWM波形输出，需要使用驱动芯片，先将DSP引脚输出的PWM幅值进行放大，并通过驱动保护电路输出触发信号，输出的触发信号送入逆变电路中，进而通过逆变电路产生的五相交流电压分别输出到双永磁同步电机中，传感器组采集电流信号，并将信号经过信号调理保护电路，输出到控制器进行A/D转换，同时第一传感器、第二传感器经过调理保护电路与DSP主控单元的CAP输入建立连接，进行转速计算，完成电流转速信号的反馈过程，实现电流转速的闭环控制。

本实用新型提供了一种基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，包括上位机、DSP主控单元、调理保护电路、驱动保护电路、三相交流电源、整流电路、五桥臂逆变电路、双永磁同步电机、负载、采样电路、电流传感器、光电编码器，所述上位机通过数据线与DSP主控单元的代码输入端建立连接，DSP主控单元的PWM输出端连接驱动保护电路的输入端，驱动保护电路的输出端连接五桥臂逆变电路的开关管信号输入端，同时三相交流电源输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接五桥臂逆变电路的输入端，五桥臂逆变电路的输出端分别与永磁同步电机一、永磁同步电机二的输入端建立连接，永磁同步电机一、永磁同步电机二的输出端分别与负载一、负载二进行连接，同时永磁同步电机一、永磁同步电机二分别与第一传感器、第二传感器进行连接，所述的第一传感器、第二传感器的输出端分别与调理保护电路的输入端进行连接，同时永磁同步电机一、永磁同步电机二的输入端与传感器组的输入端进行连接，传感器组的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接调理保护电路的输入端，调理保护电路的输出端与DSP主控单元的输入端进行连接。

所述的五桥臂逆变电路为五相桥式的拓扑结构，包括A桥臂、B桥臂、C桥臂、D桥臂、E桥臂和直流侧电容，所述的A桥臂、B桥臂、C桥臂构成逆变器1，所述的C桥臂、D桥臂、E桥臂构成逆变器2，所述的C桥臂为逆变器的公共桥臂，所述的整流电路采用富士公司3R130G-160三相不控整流模块，所述的DSP主控单元为TI公司生产的F28335eZdsp嵌入式开发套件，所述的驱动保护电路采用IR2110驱动芯片，传感器组采用CHB-25NP霍尔电流传感器，第一传感器与第二传感器采用E6B2-CWZ3E型欧姆龙增量式光电编码器，所述的A桥臂、B桥臂、C桥臂、D桥臂、E桥臂结构相同，所述A桥臂包括串联连接的第一开关管(T1)和第二开关管(T2)，每个开关管均反并联二极管，所述的桥臂的两个开关管之间的连接点为桥臂的中点，所述的的开关管器件选用型号为IGBT 英飞凌BSM50GB120DN2。

本实用新型的工作过程如下：

参见图1连接好上位机和下位机的DSP，上位机PC对系统进行控制算法设计，建立系统的控制算法模型，对模型进行一系列测试与验证，自动代码生成，并调用代码集成开发环境CCS3.3，通过仿真器下载到下位机DSP主控单元。执行上位机生成的代码，完成所需的PWM波形输出，使用驱动芯片，先将DSP引脚输出的PWM幅值进行放大，并通过驱动保护电路输出触发信号，输出的触发信号送入逆变电路中，进而通过逆变电路产生的五相交流电压分别输出到双永磁同步电机中，传感器组采集电流信号，并将信号经过信号调理保护电路，输出到控制器进行A/D转换，同时第一传感器、第二传感器经过调理保护电路与DSP主控单元的CAP输入建立连接，进行转速计算，完成电流转速信号的反馈过程，实现电流转速的闭环控制，循环此过程。

五桥臂逆变器的双电机调速系统基于模型设计的方法：

步骤一、以MATLAB软件为设计平台构建控制系统模型，所述系统模型包括电流转换模型和中断子模型组成，所述的电流转换模型包括A/D转换采集电流模型、电流控制模型，中断子模型包括转速计算模型、电流变换模型、转速PI调节模型、预测控制模型、PWM控制算法模型；A/D转换电流采集将采样信号送入电流控制模型进行PI调节，将电流信号送入中断子模型；转速采集模型将脉冲序列转化为转速信号，将转速信号送入转速计算模型，将所得量送入电流变换模型，在经过转速PI调节模型进行调节，得到的调节量送入预测控制模型中，进行定子、转子磁链的观测并且进行电机转矩和磁链的预测，得到预测值进而进行电机转矩和磁链的评价以及最优状态的选择，并且选择最优开关状态及发出PWM波，并将信号输出。

步骤二、对建立好的模型进行功能性验证：将模型输出的控制信号送到调速系统中，验证调速系统的输出结果。在Model Advisor中选择Simulink，Embedded Coder等决定生成代码质量的选项对模型进行检查。软件在环测试：将模型生成的代码反封装为S-Function模块也就是SIL模块，比较SIL模块与原模块的输出，来确认生成代码的正确性。处理器在环测试：将系统所需的算法模型全部纳入控制模型中，在模型中添加TargetPreferences，选择目标型号为F28335 eZdsp，在配置窗口选择生成PIL模块并进行PIL测试，观察输出看是否符合设计要求。

步骤三、将模型调试到符合控制要求的最佳程度，利用DO-178B标准将步骤一所述模型转换成所需的软件代码，下载到系统DSP主控单元芯片内以产生控制信号，控制逆变器的开关动作，实现双电机转速控制。

Claims (9)

1.基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，包括上位机、DSP主控单元、调理保护电路、驱动保护电路、三相交流电源、整流电路、五桥臂逆变电路、双永磁同步电机、负载、采样电路、电流传感器、光电编码器，其特征在于：所述上位机通过数据线与DSP主控单元的代码输入端建立连接，DSP主控单元的PWM输出端连接驱动保护电路的输入端，驱动保护电路的输出端连接五桥臂逆变电路的开关管信号输入端，同时三相交流电源输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接五桥臂逆变电路的输入端，五桥臂逆变电路的输出端分别与永磁同步电机一、永磁同步电机二的输入端建立连接，永磁同步电机一、永磁同步电机二的输出端分别与负载一、负载二进行连接，同时永磁同步电机一、永磁同步电机二分别与第一传感器、第二传感器进行连接，所述的第一传感器、第二传感器的输出端分别与调理保护电路的输入端进行连接，同时永磁同步电机一、永磁同步电机二的输入端与传感器组的输入端进行连接，传感器组的输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接调理保护电路的输入端，调理保护电路的输出端与DSP主控单元的输入端进行连接。

2.根据权利要求1所述的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，其特征在于：所述的五桥臂逆变电路为五相桥式的拓扑结构，包括A桥臂、B桥臂、C桥臂、D桥臂、E桥臂和直流侧电容， A桥臂、B桥臂、C桥臂构成逆变器1， C桥臂、D桥臂、E桥臂构成逆变器2， C桥臂为逆变器的公共桥臂。

3.根据权利要求1所述的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，其特征在于：所述的DSP主控单元为TI公司生产的F28335eZdsp嵌入式开发套件。

4.根据权利要求1所述的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，其特征在于：所述的驱动保护电路采用IR2110驱动芯片。

5.根据权利要求1所述的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，其特征在于：所述的整流电路采用富士公司3R130G-160三相不控整流模块。

6.根据权利要求1所述的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，其特征在于：所述的电流传感器采用CHB-25NP霍尔电流传感器。

7.根据权利要求1所述的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，其特征在于：所述的第一传感器与第二传感器采用E6B2-CWZ3E型欧姆龙增量式光电编码器。

8.根据权利要求2所述的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，其特征在于：所述的A桥臂、B桥臂、C桥臂、D桥臂、E桥臂结构相同，所述的A桥臂包括串联连接的第一开关管(T1)和第二开关管(T2)，每个开关管均反并联二极管，桥臂的两个开关管之间的连接点为桥臂的中点，开关管器件选用型号为IGBT 英飞凌BSM50GB120DN2。

9.根据权利要求7所述的基于模型设计的五桥臂逆变器的双电机调速系统，其特征在于：所述的E6B2-CWZ3E型欧姆龙增量式光电编码器用来检测电机转速和位置，通过TMS320F2812的时间管理器EVA的正交编码单元QEP1、QEP2检测脉冲序列可以计算出电机的转速，同时也可由脉冲之间的相位关系来判断电机是正转还是反转。