CN208924142U - 永磁同步电机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于，包括整流桥、逆变桥、控制板、PWM驱动模块、以及主回路保护机构，所述的主回路保护机构包括输入接触器、输出接触器、制动接触器和制动电阻以及检测保护电路，所述的输入接触器和输出接触器的三对常闭触点对应接入输入三相电和输出三相电上，所述的制动电阻和制动接触器的一对常开触点串接在所述的逆变桥的输入端之间，所述的检测保护电路的输出与所述的PWM驱动模块电连接并与所述的输入接触器和输出接触器可控连接，所述的制动接触器与所述的控制板可控连接。本实用新型通过三个不同接触器的配合，实现了输入输出的第一时间稳定可靠切断，并对逆变器进行疏导保护。

Description

永磁同步电机的控制系统

技术领域

本实用新型属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的控制系统。

背景技术

永磁同步电机具有能量密度高、寿命长、无污染、易于维护等优点，在工业控制、能源交通、军事装备等领域获得了广泛的应用。永磁同步电机控制系统的主电路通常由二极管整流器和逆变器构成，当发生故障或异常情况时，一般通过软件封锁PWM(脉宽调制)信号，控制PWM模块关闭驱动信号，停止逆变器运行的方式进行保护，该种方式适用于大多数故障情况，不过单一的软件保护方式严重依然控制电路的正常运行，一旦控制电路失效，便无法正常工作，同时软件保护方式缺乏对于主电路器件的保护。

同时，现有的永磁电机还存在当存在故障时，不能有有效截断输入和输出并同时对逆变桥进行放电保护，或者现有的保护机制存在安全隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机的控制系统，能有效提高整体控制的安全性。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种永磁同步电机的控制系统，包括整流桥、逆变桥、控制板、PWM驱动模块、以及主回路保护机构，所述的主回路保护机构包括输入接触器、输出接触器、制动接触器和制动电阻以及检测保护电路，所述的输入接触器和输出接触器的三对常闭触点对应接入输入三相电和输出三相电上，所述的制动电阻和制动接触器的一对常开触点串接在所述的逆变桥的输入端之间，所述的检测保护电路的输出与所述的PWM驱动模块电连接并与所述的输入接触器和输出接触器可控连接，所述的制动接触器与所述的控制板可控连接。

在上述技术方案中，所述的检测保护电路的输出经反相器后分别经所述的输入接触器和输出接触器的继电器线圈后接24V。

在上述技术方案中，还包括与所述的检测保护电路的输出连接的报警二极管，所述的报警二极管的另一端接地。

在上述技术方案中，所述的逆变桥的正极输入端上设置有熔断器。

在上述技术方案中，还包括防止对母线电容充电时电流过流的预充电电路，所述的预充电电路包括设置在整流桥正极输出端的充电电阻、直流变换电源以及防过流直流接触器，其中，所述的直流变换电源的输入端与整流桥的输出相连接，所述的防过流直流接触器的继电器线圈串接在直流变换电源的输出侧，所述的防过流防过流直流接触器的一对常开触点与所述的充电电阻并联设置。

在上述技术方案中，所述的直流变换电源的输出为24V直流电，所述的防过流直流接触器为24V直流接触器。

在上述技术方案中，所述的检测保护电路包括电机的相电流信号采集单元，直流电压信号采集单元以及或门，所述的或门的输出为所述的检测保护电路的输出。

在上述技术方案中，所述的相电流信号采集单元包括用以感测相电流信号且输出在 -5V～+5V的电流传感器，以及第一运算放大器，所述的电流传感器的输出与+5V电压分别经电阻后并接至所述的第一运算放大器的正输入端，所述的第一运算放大器的负输入端与输出端相连，所述的第一运算放大器输出端滤波后接所述的或门。

在上述技术方案中，所述的直流电压信号采集单元包括第二运算放大器和第三运算放大器，所述的第二运算放大器的正输入端和负输入端分别经分压电路后直接接直流母线的正负端，所述的第二运算放大器的正极经并联的滤波电容C3和滤波电阻R15接地，所述的第二运算放大器的负输入端经并联的电容C4和电阻R16后接其输出端，所述的第二运算放大器的输出经分压后接入第三运算放大器的正输入端，所述的第三运算放大器的负输入端与其输出端连接，所述的第三运算放大器的输出经滤波后接入所述的或门。

在上述技术方案中，还包括直流供电电源，所述的直流供电电源包括以三相输入电源中的U、V相做为输入的直流冗余模块，与所述的直流冗余模块的输出端并接的多个直流电源模块，所述的直流电源模块分别为所述的控制板、检测保护电路及电压检测电路和PWM驱动模块供电。

在上述技术方案中，所述的控制板为DSP控制板，还包括与所述的DSP控制板通讯连接显示装置，所述的显示装置为LCD显示装置，其与所述的DSP控制板以RS232方式通讯，还包括与所述的DSP控制板通讯的存储芯片，所述的DSP通过隔离芯片以及通讯芯片与所述的 LCD显示装置连接。

在上述技术方案中，还包括与所述的控制板通讯的CAN通讯单元，所述的CAN通讯单元为带隔离的CAN芯片。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型通过三个不同接触器的配合，实现了输入输出的第一时间稳定可靠切断，并对逆变器进行疏导保护，而且，利用DSP控制导通的制动电阻对其进行进一步的动作保护，充分利用时间差，保证最终整体设备控制的安全性。

附图说明

图1是永磁同步电机控制系统结构图。

图2为直流供电模块输入侧结构示意图。

图3为直流供电模块的供电部分结构示意图。

图4为LCD显示存储结构示意图。

图5为隔离CAN通讯单元结构示意图。

图6为隔离CAN通讯单元结构示意图。

图7为检测保护电路的调理电路部分示意图。

图8为检测保护电路的控制部分示意图。

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实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例一

本实用新型的一种永磁同步电机4的控制系统，包括整流桥2、逆变桥3、控制板6、PWM 驱动模块7、以及主回路保护机构，所述的主回路保护机构包括输入接触器11、输出接触器 18以及制动接触器16和制动电阻17以及检测保护电路7，所述的输入接触器11和输出接触器18的三对常闭触点对应接入输入三相电和输出三相电上，所述的制动电阻17和制动接触器16的一对常开触点串接在所述的逆变桥3的两个输入端之间，所述的检测保护电路7的输出与所述的PWM驱动模块电连接并与所述的输入接触器和输出接触器的线圈可控连接，所述的制动接触器的线圈与所述的控制板可控连接。所述的PWM驱动模块与所述的控制板通讯连接。PWM驱动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，外围电路简单，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。

其中，为实现快速可靠控制，所述的检测保护电路的输出经反相器20后分别经所述的输入接触器和输出接触器的继电器线圈后接24V。即，输入接触器和输出接触器的继电器线圈 Ts2和Ts3并联后串接在反相器和24V间，当反相器的输出端为低电压，则线圈通电接触器动作。同时，输入接触器和输出接触器的继电器线圈Ts2和Ts3还分别并联有续流二极管D8和D9。

进一步地，还包括与所述的检测保护电路的输出连接的报警二极管D7，所述的报警二极管的另一端接地。同时所述的逆变桥的正极输入端上设置有熔断器16。

永磁电机控制系统及主电路保护装置具体连接方式如图所示：

三相交流电源1的U、V、W分别与输入接触器11的1、3、5触点连接，输入接触器11的2、 4、6触点分别与二极管整流桥2的1、2、3端连接，二极管整流桥2的4端与与充电电阻14、直流接触器13以及继电器线圈12的一端连接，二极管整流桥2的5端与母线电容5和直流变换电源 15的负极、制动电阻17的下端以及三相逆变桥3的2端连接。充电电阻14、直流接触器13、继电器线圈12的另一端与母线电容5和直流变换电源15的正极、熔断器19的一端连接，熔断器19 的另一端与制动接触器16以及三相逆变桥3的1端连接，制动接触器16的另一端与制动电阻17 的上端连接。三相逆变桥3的3、4、5端与输出接触器18的1、3、5触点连接，输出接触器18 的2、4、6触点分别与永磁同步电机4的A、B、C相连接。

若发生故障，检测保护电路10输出保护信号到PWM驱动模块7中，直接封锁PWM信号，实现硬件保护功能，同时保护信号经反相器拉低，控制输入接触器11和输出接触器18断开，触点由常闭变为常开，并由报警二极管D7发光报警。DSP接收到保护信号后，控制制动接触器16则闭合，触点由常开变为常闭，熔断器19的可有效防止直流母线短路，进一步保护了系统主电路。通过三个不同接触器的配合，实现了输入输出的第一时间稳定可靠切断，而且，利用DSP控制导通的制动电阻对其进行进一步的动作保护，充分利用时间差，保证最终整体设备控制的安全性。

实施例二

在上述实施例的基础上，还包括防止对母线电容充电时电流过流的预充电电路，所述的预充电电路包括设置在整流桥正极输出端的充电电阻14、直流变换电源15以及防过流直流接触器，其中，所述的直流变换电源的输入端与整流桥的输出相连接，所述的防过流直流接触器的继电器线圈串接在直流变换电源的输出侧，所述的防过流防过流直流接触器的一对常开触点13与所述的充电电阻并联设置。优选地，所述的直流变换电源的输出为24V直流电，所述的防过流直流接触器为24V直流接触器。

其中，所述的直流变换电源的输出为24V直流电，所述的防过流直流接触器为24V防过流直流接触器。本实用新型的整流桥输出的直流电压是直流变换电源的输入电压，直流变换电源相当于降压电源，在对母线电容进行充电初期，直流变换电源的输入端电压比较小，当母线电容趋于饱和时，直流变换电源的输入端电压逐步增大，只有当整流桥输出的直流电压达到480V左右时，直流变换电源的输出电压才能达到24V，而只有24V电压才能让防过流直流接触器吸合，将充电电阻短接。当三相电断开或整流桥故障时，整流桥输出的直流电压不断下降，当低于480V时，直流变换电源无法输出24V直流电，防过流直流接触器便断开，充电电阻重新串联到电路中，有效保证母线电容的放电安全，整个过程无需外部信号控制，简单可靠，完全取决于母线电容是否达到相应电压值，控制稳定高，用并联在母线电容两侧的直流电压源控制接触器代替了原有的DSP控制信号，只要二极管整流器输出的直流电压达到一定值，便可以自动吸合，将充电电阻短接，无需DSP控制。

实施例三

在上述实施例的基础上，所述的检测保护电路包括电机的相电流信号采集单元，直流电压信号采集单元以及或门，所述的或门的输出为所述的检测保护电路的输出。

具体地，所述的相电流信号采集单元包括用以感测相电流信号且输出在-5V～+5V的电流传感器，以及第一运算放大器21，所述的电流传感器的输出与+5V电压分别经电阻R2和电阻 R1并接后再经电阻R4连接至所述的第一运算放大器21的正输入端，所述的第一运算放大器的负输入端与输出端相连，所述的第一运算放大器21输出端串联的电阻R5以及接地的电容C2滤波后接所述的或门。同时，第一运算放大器的正极输入端还经并联的电容C1和电阻R3接地。

电流采集采用的电流传感器将电流转换为正负5V信号，由于DSP无法接收负信号，所以叠加+5V信号再经运算放大器将其变为0-3V信号，由于电流传感器的负端也是AGND，所以未在电路上重复画出。

所述的直流电压信号采集单元包括第二运算放大器27和第三运算放大器28，所述的第二运算放大器的正输入端和负输入端分别经分压电阻，如依次串联的电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9和电阻R15构成的分压电路，或依次串联的电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14，和接电压传感器的负极Vdc-和正极Vdc+，所述的第二运算放大器的正极经并联的滤波电容C3接地，所述的第二运算放大器的负输入端经并联的电容C4和电阻R16后接其输出端，所述的第二运算放大器的输出经分压后接入第三运算放大器的正输入端，所述的第三运算放大器的负输入端与其输出端连接，所述的第三运算放弃的输出经接地的电容C5滤波后接入所述的或门。其中，所述的分压有串接在第二运算放大器的输出的电阻R17和一端与所述的第三运算放大器的正极输入端另一端接地的电阻R18构成。其中，Vdc+和Vdc-是直流母线的正负端，没有采用任何电压传感器，而是采用分压电阻将540V左右的直流母线电压信号变为24V的直流信号。

其具体连接关系如下：

电机相电流信号先经电流传感器变为-5V～+5V信号Iin。Iin与电阻R2连接，电阻R2另一端与电阻R4连接。+5V与电阻R1连接，电阻R1另一端与电阻R2、R4连接。电阻R4 另一端与电阻R3、电容C1以及第一运算放大器21的正端连接，电阻R3、电容C1的另一端与AGND连接。第一运算放大器21的输出端与自身负端以及电阻R5连接，电阻R5另一端与电容C2、输出端口Iout连接,电容C2另一端与AGND连接。

Vdc+信号与电阻R5连接，电阻R5另一端与电阻6连接，电阻R6另一端与电阻R7连接，R7另一端与电阻R8连接，R8另一端与电阻R9连接，R9另一端与电阻R16、电容C4 以及第二运算放大器27的负端连接。Vdc-信号与电阻R10连接，电阻R10另一端与电阻R11 连接，电阻R11另一端与电阻R12连接，R12另一端与电阻R13连接，R13另一端与电阻 R14连接，R14另一端与电阻R15、电容C3以及第二运算放大器27的正端连接。电阻R15、电容C3的另一端与AGND连接。第二运算放大器27的输出端与电阻R16、电容C4的另一端以及R17连接，电阻R17与电阻R18以及第三运算放大器28的正端连接，电阻R18另一端与AGND连接。第三运算放大器28的输出端与端口Vout连接、电容C5连接。电容C5 的另一端与AGND连接。

采集的电机相电流和直流电压已经进行标准化，采集信号经滤波后直接进入或门。电流 Iout与电阻R20连接，电阻R20的另一端与电容C7、或门29的1端连接。电流Vdout与电阻R19连接，电阻R19的另一端与电容C6、或门29的2端连接。或门29的输出端与反相器30的输入端、发光二极管D9的正极以及PWM驱动模块7连接，

实施例三

本实用新型还包括输入端接交流电的直流供电电源，所述的直流供电电源包括以三相输入电源中的U、V相做为输入的直流冗余模块18，与所述的直流冗余模块18的输出端并接的多个直流电源模块，所述的直流电源模块分别为所述的控制板、检测保护电路及电压检测电路和PWM驱动模块供电。采用冗余供电方式，增强系统控制电的冗余能力，保证直流电的稳定供应，降低系统缺相造成控制电断开的概率。

具体如图所示，直流供电电源9为DSP控制板6和LCD显示输入10提供电源，其中直流电源9首先采用直流冗余模块提供24V直流电，其中直流冗余模块18可选用明纬电源的直流冗余模DR-RDN20，该模块采用冗余设计，利用三相输入电源中的U、V相做为输入，U、V相互为备用，产生+24V直流电，能最大限度的保证控制电正常。再通过金升阳公司的直流电源模块(型号为IB2405LS-1W、WRA2415S-3W以及K7803-500R2)分别将24V转换为为+5V、±15V 以及+3.3V，其具体连接方式如下：

直流冗余模块18的+24信号分别与电容DVC1、DVC2的正极以及第一直流模块18的Vin相连接，电容DVC1、DVC2的负极与GND、第一直流模块18的GND相连接,+5V信号、电容DVC3的正极、DVR1的一端与第一直流模块18的Vout连接，电容DVC3的负极与DVR1的另一端与第一直流模块18的0V连接。

直流冗余模块18的+24信号分别与电容DVC4、DVC5的正极以及第二直流模块19的Vin相连接，电容DVC4、DVC5的负极与GND、第二直流模块19的GND相连接,+15V信号、电容DVC6、DVC7的正极与第二直流模块19的V+连接，电容DVC6、DVC7的负极与第二直流模块19的0V连接。电容DVC8、VC9的正极与第二直流模块19的0V连接，-15V信号、电容DVC8、 DVC9的负极与直流模块19的V-连接。

直流冗余模块18的+24信号分别与电容DVC10、DVC11的正极以及第三直流模块20的Vin 相连接，电容DVC10、DVC11的负极与GND、第三直流模块20的GND相连接,+3.3V信号、电容DVC12的正极与第三直流模块20的Vout连接，电容DVC12的负极与与GND连接。

实施例四

所述的控制板为DSP控制板，还包括与所述的DSP控制板通讯连接显示装置。具体地，所述的显示装置为LCD显示装置，其与所述的DSP控制板以RS232方式通讯，还包括与所述的 DSP控制板通讯的存储芯片，所述的DSP通过通讯芯片与所述的LCD显示装置连接。

其中，还包括与所述的DSP控制板通讯的存储芯片，所述的DSP通过通讯芯片与所述的 LCD显示装置连接，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。增加隔离芯片，提高通讯抗干扰能力和稳定性。

具体连接如下：

存储芯片22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23的INA、OUTA相连接，隔离芯片23的VCCA、GNDA分别与+3.3V和GND连接，隔离芯片23的OUTB、INB分别与通讯芯片24的SCITX、SCIRX端相连接，隔离芯片23的VCCB、 GNDB分别与+3.3V和DGND连接。通讯芯片24的Tx+、Tx-、Rx+、Rx-端分别与LCD显示输入 10的2、3、4、6端相连接。

同时所述的还包括与所述的控制板通讯的CAN通讯单元，所述的CAN通讯单元为带隔离的CAN芯片。CAN通讯单元采用带隔离的CAN芯片(型号为ISO1050)进行通讯，不仅提高了抗干扰性，而且无需外加其他隔离芯片，其连接方式如下：

CAN通讯端子分别与CAN通讯芯片25(型号为ISO1050)的CANH、CANL连接，CAN通讯芯片25的VCCB、GNDB分别与+5V电源、DGND连接。CAN通讯芯片25的VCCA、GNDA 分别与+3.3V、GND连接。CAN通讯芯片25的TX、RX分别与DSP控制板6的GPIO31、GPIO30 连接。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于，包括整流桥、逆变桥、控制板、PWM驱动模块、以及主回路保护机构，所述的主回路保护机构包括输入接触器、输出接触器、制动接触器和制动电阻以及检测保护电路，所述的输入接触器和输出接触器的三对常闭触点对应接入输入三相电和输出三相电上，所述的制动电阻和制动接触器的一对常开触点串接在所述的逆变桥的输入端之间，所述的检测保护电路的输出与所述的PWM驱动模块电连接并与所述的输入接触器和输出接触器可控连接，所述的制动接触器与所述的控制板可控连接。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的检测保护电路的输出经反相器后分别经所述的输入接触器和输出接触器的继电器线圈后接24V。

3.如权利要求2所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于：还包括与所述的检测保护电路的输出连接的报警二极管，所述的报警二极管的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的逆变桥的正极输入端上设置有熔断器。

5.如权利要求1所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于：还包括防止对母线电容充电时电流过流的预充电电路，所述的预充电电路包括设置在整流桥正极输出端的充电电阻、直流变换电源以及防过流直流接触器，其中，所述的直流变换电源的输入端与整流桥的输出相连接，所述的防过流直流接触器的继电器线圈串接在直流变换电源的输出侧，所述的防过流防过流直流接触器的一对常开触点与所述的充电电阻并联设置。

6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的直流变换电源的输出为24V直流电，所述的防过流直流接触器为24V直流接触器。

7.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的检测保护电路包括电机的相电流信号采集单元，直流电压信号采集单元以及或门，所述的或门的输出为所述的检测保护电路的输出。

8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的相电流信号采集单元包括用以感测相电流信号且输出在-5V～+5V的电流传感器，以及第一运算放大器，所述的电流传感器的输出与+5V电压分别经电阻后并接至所述的第一运算放大器的正输入端，所述的第一运算放大器的负输入端与输出端相连，所述的第一运算放大器输出端滤波后接所述的或门。

9.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：所述的直流电压信号采集单元包括第二运算放大器和第三运算放大器，所述的第二运算放大器的正输入端和负输入端分别经分压电路后直接接直流母线的正负端，所述的第二运算放大器的正极经并联的滤波电容C3和滤波电阻R15接地，所述的第二运算放大器的负输入端经并联的电容C4和电阻R16后接其输出端，所述的第二运算放大器的输出经分压后接入第三运算放大器的正输入端，所述的第三运算放大器的负输入端与其输出端连接，所述的第三运算放大器的输出经滤波后接入所述的或门。

10.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于：还包括直流供电电源，所述的直流供电电源包括以三相输入电源中的U、V相做为输入的直流冗余模块，与所述的直流冗余模块的输出端并接的多个直流电源模块，所述的直流电源模块分别为所述的控制板、检测保护电路及电压检测电路和PWM驱动模块供电。