CN215268119U - 一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，涉及磁悬浮电机技术领域。该系统包括控制机模块，传感器模块及上位机模块；所述控制机包括不控制整流电路、滤波电容、调压调频逆变电路、电压转换电路、控制芯片、A/D芯片、功率放大电路、隔离电路和谐波补偿电路；所述控制芯片包括第一FPGA芯片，为功率放大电路以及谐波补偿电路提供PWM波的第二FPGA芯片，以及用来处理数字信号及信息传递的DSP芯片，并且第二FPGA芯片内集成有源电力滤波器消除谐波的补偿电流算法，用于消除三相交流电中的谐波电流；所述传感器分别为检测电机定子电流的第一电流传感器，检测磁轴承线圈电流的第二电流传感器，检测电机转速的速度传感器，检测转子位置的位移传感器。

Description

一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮电机技术领域，尤其涉及一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统。

背景技术

磁悬浮轴承由于是靠磁性原理使轴承避免了接触摩擦，因而已广泛适用于高速运转的电机领域，应用磁悬浮轴承的电机不仅可以避免电机转子与轴承的摩擦，降低了维修成本，而且提高了电机的最大转速，降低了噪声。

但磁悬浮电机在使用时，不仅需要对磁轴承进行悬浮控制，还需要变频器对电机的转速进行调节，而在对磁轴承悬浮控制时则需要稳定的直流电供应给磁轴承的控制机以保证磁轴承对电机转子实现实时稳定悬浮，因此大都采用直流开关电源接于电源插口处，而针对电机的转速控制则需要变频器接入电网三相交流电。故若想应用磁悬浮永磁同步电机，不仅需要三相交流电接口供变频器使用，还需要一个电源插口供开关电源为磁轴承系统供电。连接电机负载的三相交流电中，由于电网本身含有谐波电流成分，或因变压器、整流换流装置和非线性负载等可能会导致流入电机的三相交流电中含有较多的谐波电流成分，而大量的谐波会导致电机产生附加损耗，除了使其产生机械振动和噪声之外，还会对转子的位移控制造成不良干扰，所以需要加入电流补偿结构，检测三相交流电中的谐波分量，利用补偿电流削弱谐波。而且在电机运行前还需要通过磁轴承控制系统将磁轴承按一定的先后顺序供电将转子稳定悬浮后才能通过变频器控制电机的转速，电机停机也需要按照先关闭变频器使电机转速为0后再通过上位机控制磁轴承控制机按先后顺序关掉控制电流将转子降下来。电机使用起来相比于普通电机，不仅需要额外加入一个电源插口，还需要在电机运行前正确操作上位机悬浮转子，电机运行中正确操作变频器，电机运行后正确操作上位机降下转子，加大了对电机的使用难度。

因此若想实现磁悬浮永磁同步电机的广泛使用，既需要在简化电机设备，增大空间利用率，又需要简化操作过程，方便工作人员对电机的使用。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，解决在电机配套设备的繁琐性，降低电机在操作过程中的复杂性，同时抑制电机供电交流电中的谐波电流成分。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下的技术方案：

一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，包括控制机模块、传感器模块、上位机模块；

所述控制机模块包括不控整流电路、滤波电容、调压调频逆变电路、电压转换电路、控制芯片、A/D芯片、功率放大电路、隔离电路和谐波补偿电路；所述不控整流电路一端与电网的三相交流电源相连，另一端与滤波电容一端连接；所述调压调频逆变电路连接滤波电容另一端；所述电压转换电路为DC-DC电压转换模块，其输入端与整流滤波电路输出端相连，电压转换电路的输出端分别与控制芯片和功率放大电路的输入端连接；所述传感器模块的输出端与所述A/D芯片的输入端相连；

所述控制芯片包括DSP芯片、第一FPGA芯片、第二FPGA芯片，所述DSP芯片分别与第一FPGA芯片、第二FPGA芯片、电压转换电路、A/D芯片和上位机模块相连；所述第一FPGA芯片与电压转换电路的输出端、DSP芯片和调压调频逆变电路连接；所述第二FPGA芯片与DSP芯片、电压转换电路的输出端和功率放大电路连接，也谐波补偿电路的隔离电路连接；

所述隔离电路包括光耦隔离芯片和芯片供电电路，所述隔离电路的输出端与谐波补偿电路连接；所述谐波补偿电路采用中点钳位型三电平逆变电路，与经过调压调频逆变电路后的供电电网里面的三相交流电连接。

所述传感器模块包括第一电流传感器、第二电流传感器、速度传感器、位置传感器；所述第一电流传感器安装于永磁电机定子线圈处，输出端与A/D芯片的输入端连接，所述第二电流传感器安装于磁轴承绕组线圈处，输出端与A/D芯片的输入端连接，所述速度传感器放置在转子上，输出端与A/D芯片的输入端连接；所述位置传感器包括径向位移传感器和轴向位移传感器，所述径向位移传感器安装于径向磁轴承一侧位置，所述轴向位移传感器安装于轴向磁轴承一侧位置，所述位置传感器输出端与A/D芯片的输入端连接；

所述上位机模块包括CAN、智能USB转CAN转换器和上位机。所述CAN一端与控制器模块的DSP芯片连接，另一端与智能USB转CAN转换器连接，所述智能USB转CAN转换器一端与CAN连接，另一端与上位机连接。

本实用新型所产生的有益效果在于：

本实用新型提出一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，具有以下有益效果：

1.采用有源电力滤波器的控制方法，通过在控制芯片内集成补偿电流算法，输出PWM信号控制桥臂上晶体管的开关时间对三相交流电输入补偿电流，有效的消除了三相交流电中的谐波成分，削弱交流电中谐波分量对负载设备的影响。

2.将现有技术既需要三相交流电接口，又需要电源插口的基础上，改进采用单电源输入方式，设备只需要接入三相交流电即可，降低了设备用电需求。

3.在现有技术既需要控制机控制磁轴承悬浮转子，又需要变频器调节转速的基础上，将磁轴承的控制与永磁同步电机的控制合二为一，整体制成一个控制系统，节省了空间，简化了设备。

4.在现有技术需工作人员分别控制磁轴承和电机转速的基础上，将磁轴承和电机转速控制放置在同一台上位机上处理，且操作步骤简单易于电机的使用。

5.采用三个控制芯片合理分配，DSP芯片负责参考电流值计算和信息传递，两个FPGA负责生成PWM波分别控制磁轴承悬浮转子转速、转子平衡和消除电流谐波，提高了芯片工作速度，减少了运行时间。

附图说明

图1为本实用新型磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统结构图；

图中，1、三相交流电源输入；2、磁悬浮永磁同步电机控制机；3、磁悬浮永磁同步电机；4、第一电流传感器；5、速度传感器；6、位移传感器；7、第二电流传感器；8、不控整流电路；9、滤波电容；10、调压调频逆变电路；11、电压转换电路；12、第一FPGA芯片；13、DSP芯片；14、第二FPGA芯片；15、功率放大电路；16、上位机；17、A/D芯片；18、谐波补偿电路；19、隔离电路。

图2为本实用新型磁悬浮永磁同步电机启停工作程序流程图；

图3为本实用新型谐波补偿电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，如图1所示，包括控制机模块、传感器模块、上位机模块；

所述控制机模块2包括不控制整流电路8、滤波电容9、调压调频逆变电路10、电压转换电路11、控制芯片、A/D芯片17、功率放大电路15、隔离电路19和谐波补偿电路18。所述不控整流电路8与电网三相交流电源1相连将交流电整理成直流电，并被滤波电容9滤波；所述调频调压逆变电路10为三相全桥逆变电路，连在滤波电容9后，为永磁同步电机供电调节转速；所述电压转换电路11为DC-DC电压转换模块，连在整流滤波电路9后，将高压直流转换为多个电压直流电分别为控制芯片和功率放大电路供电；

所述控制芯片包括DSP芯片13、第一FPGA芯片12、第二FPGA芯片14，DSP芯片13接收A/D芯片17的数字信号，对信号处理后将磁轴承控制量传递给所述第二FPGA芯片14，将电机控制量传递给所述第一FPGA芯片12，第二FPGA芯片14对DSP传递的数据进行处理后生成PWM波控制功率放大电路15进而控制磁轴承悬浮，第一FPGA芯片12对DSP传递的数据进行处理后生成PWM波控制调压调频逆变电路10进而对电机转速进行控制，同时第二FPGA芯片14内也集成了有源电力滤波器消除谐波的补偿电流算法，接收DSP传递来的三相交流电的采样数据，进行坐标变换、谐波提取、补偿电流算法的处理后，输出控制的PWM信号，经过隔离电路后控制谐波补偿电路中开关管的导通和关断。谐波补偿电路18和隔离电路19连在调频调压逆变电路10后，在控制器发出的PWM信号的控制下，控制各桥臂上晶体管的开关时间形成相应的补偿电流，输入到三相交流电中完成对交流电中谐波分量的补偿。

隔离电路包括光耦隔离芯片HCPL3120和芯片供电电路，所述隔离电路的输出端与谐波补偿电路连接；所述谐波补偿电路采用中点钳位型三电平逆变电路，与经过调压调频逆变电路后的供电电网里面的三相交流电连接。

所述传感器模块包括第一电流传感器4、第二电流传感器7、速度传感器5、位移传感器6；所述第一电流传感器4安装于永磁电机定子线圈处，另一端与A/D芯片连接，用于检测电机定子电流；所述第二电流传感器7安装于磁轴承绕组线圈处，另一端与A/D芯片连接，用于检测磁轴承线圈电流；所述速度传感器5放置在转子上，另一端与A/D芯片连接，用于检测电机转速；所述位移传感器6包括径向位移传感器和轴向位移传感器，所述径向位移传感器安装于径向磁轴承一侧位置，所述轴向位移传感器安装于轴向磁轴承一侧位置，所述位置传感器另一端与A/D芯片连接，用于采集转子轴向和径向位移信息。

所述上位机模块包括CAN、智能USB转CAN转换器和上位机16。所述CAN一端与控制器模块的DSP芯片13连接，另一端与智能USB转CAN转换器连接，所述智能USB转CAN转换器一端与CAN连接，另一端与上位机16连接。所述上位机16与DSP芯片13进行信息交互，上位机16接收DSP芯片13传递的磁轴承状态信息并显示，DSP芯片13接收上位机16对磁轴承和电机的控制信号对磁悬浮永磁同步电机3进行控制。

图2为磁悬浮永磁同步电机启停工作程序流程图。当接入电源时，磁悬浮永磁同步电机3立即进入自检测状态，检测硬件及软件有无异常，将检测信息传入到DSP芯片13中，检测过程中DSP芯片13将检测信号传递给上位机16，上位机屏幕显示“等待自检测”方便了解电机工作状态及发现问题。检测结束后上位机无需给出信号，偏置电流直接给入偏置线圈。

当上位机16给出启动信号时，DSP芯片13接收经A/D芯片17转化后的磁轴承控制线圈电流信号和转子位置信号如图3所示。DSP芯片13在转子参考位置和转子位置信号做差的基础上通过位置调节器先计算出径向4个控制电流的参考值，将参考电流值和磁轴承控制线圈电流信号传递给第二FPGA芯片14，第二FPGA芯片14在参考电流值和磁轴承控制线圈电流信号做差的基础上通过电流调节器给出控制信号，并转换成PWM波传递给功率放大电路16，进而实现转子径向悬浮，在径向悬浮过程中DSP芯片13传递给上位机信号，上位机屏幕显示“等待径向悬浮”。DSP芯片13检测到转子径向位置稳定后再计算轴向控制电流参考值，并把轴向控制电流参考值和磁轴承轴向控制线圈电流信号传递给第二FPGA芯片14，第二FPGA芯片14再通过与径向相同的运算将轴向PWM波传递出去，进而实现轴向稳定悬浮，在轴向悬浮过程中DSP芯片13传递给上位机信号，上位机屏幕显示“等待轴向悬浮”.

只有在转子实现稳定悬浮时，DSP芯片13才接收上位机传递的电机转速信号；当转子稳定悬浮，上位机给出速度信号时，DSP芯片13接收经A/D芯片17转化后的磁轴承控制线圈电流信号、转子位置信号、定子电流信号和转子速度信号；DSP芯片13在实时计算5个自由度的控制电流参考值并将磁轴承控制线圈电流值和计算的参考值同时传递给第二FPGA芯片14实现转子稳定悬浮外，还在上位机16给出的转子参考速度和转子速度信号做差的基础上通过速度调节器计算出定子电流参考值i_qref(i_dref＝0)，再将i_qref和定子电流信号传递给第一FPGA芯片12，第一FPGA芯片12在将定子电流参考值和实际值做差的基础上通过电流调节器，采用矢量控制的方法，将生成控制信号转换为PWM波传给调频调压逆变电路10，实现电机的实时调速。

当上位机16给出停机信号或者DSP芯片13检测到转子没有稳定悬浮(电机转子位置与参考位置相差较大或者振动幅度较大)时，DSP都会给第一FPGA芯片12传递停机信号，使电机实现停机，当电机转速为0时，DSP芯片先传递关闭轴向控制电流信号，再传递关闭径向控制电流信号给第二FPGA，使电机转子平稳落在轴承上，此时电机处于待机状态。

图3为谐波补偿结构图，采用中点钳位型三电平逆变电路，与经过调频逆变电路后的三相交流电路连接。第二FPGA芯片14内也集成了有源电力滤波器消除谐波的补偿电流算法，接收DSP传递来的三相交流电的采样数据，进行坐标变换、谐波提取、补偿电流算法的处理后，输出控制的PWM信号，经过隔离电路后控制谐波补偿电路中开关管的导通和关断。谐波补偿电路18和隔离电路19连在调频调压逆变电路10后，在控制器发出的PWM信号的控制下，控制各桥臂上晶体管的开关时间形成相应的补偿电流，输入到三相交流电中完成对交流电中谐波分量的补偿。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，其特征在于，包括：控制机模块、传感器模块、上位机模块；

所述控制机模块包括不控整流电路、滤波电容、调压调频逆变电路、电压转换电路、控制芯片、A/D芯片、功率放大电路、隔离电路和谐波补偿电路；所述不控整流电路一端与电网的三相交流电源相连，另一端与滤波电容一端连接；所述调压调频逆变电路连接滤波电容另一端；所述电压转换电路为DC-DC电压转换模块，其输入端与整流滤波电路输出端相连，电压转换电路的输出端分别与控制芯片和功率放大电路的输入端连接；所述传感器模块的输出端与所述A/D芯片的输入端相连；

所述传感器模块包括第一电流传感器、第二电流传感器、速度传感器、位置传感器；所述第一电流传感器输出端与A/D芯片的输入端连接，所述第二电流传感器输出端与A/D芯片的输入端连接，所述速度传感器输出端与A/D芯片的输入端连接；所述位置传感器输出端与A/D芯片的输入端连接；

所述上位机模块包括CAN、智能USB转CAN转换器和上位机，所述CAN一端与控制器模块的DSP芯片连接，另一端与智能USB转CAN转换器连接，所述智能USB转CAN转换器一端与CAN连接，另一端与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，其特征在于，所述控制芯片包括DSP芯片、第一FPGA芯片、第二FPGA芯片，所述DSP芯片分别与第一FPGA芯片、第二FPGA芯片、电压转换电路、A/D芯片和上位机模块相连；所述第一FPGA芯片与电压转换电路的输出端、DSP芯片和调压调频逆变电路连接；所述第二FPGA芯片与DSP芯片、电压转换电路的输出端和功率放大电路连接，也谐波补偿电路的隔离电路连接。

3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，其特征在于，所述隔离电路包括光耦隔离芯片和芯片供电电路，所述隔离电路的输出端与谐波补偿电路连接；所述谐波补偿电路采用中点钳位型三电平逆变电路，与经过调压调频逆变电路后的供电电网里面的三相交流电连接。

4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮永磁同步电机的整机控制系统，其特征在于，所述第一电流传感器安装于永磁电机定子线圈处，所述第二电流传感器安装于磁轴承绕组线圈处，所述速度传感器放置在转子上，所述位置传感器包括径向位移传感器和轴向位移传感器，其中径向位移传感器安装于径向磁轴承一侧位置，轴向位移传感器安装于轴向磁轴承一侧位置。

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