本實(shí)用新型涉及永磁同步電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種永磁同步電機(jī)變速控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

交流永磁同步電動機(jī)(PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少、轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比高、功率因數(shù)高、效率高、易于散熱、易于保養(yǎng)等顯著特點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍極為廣泛，尤其是在要求高精度控制和高可靠性的場合，如航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人控制等方面。

但是對永磁同步電動機(jī)的研究主要集中在固定頻率供電的電機(jī)運(yùn)行特性方面，特別是對穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能方面的研究。而在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)、中功率變頻調(diào)速技術(shù)、大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、大功率交-交變頻調(diào)速技術(shù)等方面則很欠缺，影響了永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用的范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的在于提供一種永磁同步電機(jī)變速控制系統(tǒng)，以填補(bǔ)永磁同步電機(jī)技術(shù)中小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)、中功率變頻調(diào)速技術(shù)、大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、大功率交-交變頻調(diào)速技術(shù)等方面研究不足，影響了永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用的范圍的技術(shù)性缺陷。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種永磁同步電機(jī)變速控制系統(tǒng)，包括主控電路以及功能驅(qū)動電路，所述主控電路包括主控芯片以及主控芯片的外圍電路，所述功能驅(qū)動電路包括電源逆變電路、電流檢測電路、速度檢測電路以及智能功率模塊IPM，所述主控芯片通過驅(qū)動隔離電路連接智能功率模塊IPM，智能功率模塊IPM分別連接電流 檢測電路、速度檢測電路以及電源逆變電路，所述電源逆變電路的電壓輸出端連接主控芯片，所述電流檢測電路與速度檢測電路分別連接主控芯片。

優(yōu)選地，所述主控芯片采用TMS2812F2812芯片，所述外圍電路包括仿真接口電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及外部存儲器擴(kuò)展電路。

優(yōu)選地，所述電源逆變電路包括依次連接的整流電路、濾波電路以及逆變電路。

優(yōu)選地，所述電流檢測電路采用霍爾電流傳感。

優(yōu)選地，所述主控電路還通過S232轉(zhuǎn)SCI通訊接口電路連接PC機(jī)。

優(yōu)選地，所述主控電路還連接有LCD顯示電路。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有以下有益效果：

本實(shí)用新型的永磁同步電機(jī)變速控制系統(tǒng)，通過主控電路以及功能驅(qū)動電路可對電機(jī)進(jìn)行高精度的變頻與調(diào)速控制，使之能達(dá)到更加廣泛的應(yīng)用；同時系統(tǒng)設(shè)置了智能功率模塊IPM，可充分的保證了電路安全運(yùn)行，填補(bǔ)了永磁同步電機(jī)技術(shù)中小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)、中功率變頻調(diào)速技術(shù)、大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、大功率交-交變頻調(diào)速技術(shù)等方面研究不足。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型永磁同步電機(jī)變速控制系統(tǒng)的原理框圖；

圖2是本實(shí)用新型的速度檢測原理圖；

圖3是本實(shí)用新型的速度檢測信號的波形圖。

圖中：主控電路1，主控芯片101，S232轉(zhuǎn)SCI通訊接口電路102，PC機(jī)103，LCD顯示電路104，功能驅(qū)動電路2，電源逆變電路201，電流檢測電路202，速度檢測電路203，智能功率模塊IPM204。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)行清楚、完整地描述。

如圖1所示，一種永磁同步電機(jī)變速控制系統(tǒng)，包括主控電路1以及功能驅(qū)動電路2，所述主控電路1包括主控芯片101以及主控芯片101的外圍電路，所述功能驅(qū)動電路2包括電源逆變電路201、電流檢測電路202、速度檢測電路203以及智能功率模塊IPM204，所述主控芯片101通過驅(qū)動隔離電路2連接智能功率模塊IPM204，智能功率模塊IPM204分別連接電流檢測電路202、速度檢測電路203以及電源逆變電路201，所述電源逆變電路201的電壓輸出端連接主控芯片101，所述電流檢測電路202與速度檢測電路203分別連接主控芯片101；所述主控芯片采用TMS2812F2812芯片，所述外圍電路包括仿真接口電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及外部存儲器擴(kuò)展電路。

所述TMS320F2812含有高仿真特性所需的硬件擴(kuò)展，配有標(biāo)準(zhǔn)仿真接口JTAG，JTAG掃描邏輯電路用于仿真和測試，系統(tǒng)采用JTAG仿真接口，可以完成在線仿真，裝載數(shù)據(jù)、代碼調(diào)試等。為了實(shí)現(xiàn)仿真通信，系統(tǒng)必須設(shè)計帶有14引腳的雙排直插管座。

TMS320F2812的核心CPU電壓是1.8V，而I/O接口電壓是3.3V。為了實(shí)現(xiàn)芯片的正常運(yùn)行，必須進(jìn)行電源電壓的轉(zhuǎn)換。我們設(shè)計用一個基本上不要外圍元件的最簡單的電源轉(zhuǎn)換芯片，低壓差穩(wěn)壓器。

TPS767D318電源電平轉(zhuǎn)換電路是TI公司設(shè)計的TPS767D318芯片，可以由輸入端+5V電壓，產(chǎn)生核心電壓+3.3V和I/O接口電壓+1.8V，同時該芯片可以提供DSP復(fù)位信號；該芯片的最大輸出電流為lA，其中模擬地和數(shù)字地用小電阻或磁珠連接，防止電磁干擾。通過一個極性電容(33uF)和一個鐵氧化體磁珠濾波后，來輸出DSP的電源電壓。外部輸入電壓經(jīng)過一個1uF的極性電容濾波后進(jìn)入電源芯片TPS767D318，提高芯片可靠性。此外，當(dāng)EN＝1時，芯片處于關(guān)閉狀態(tài)，此時功率管、驅(qū)動器、電壓比較電路和振蕩器等電路都處于不工作狀態(tài)，使靜態(tài)電流極低，實(shí)現(xiàn)使能端和過溫保護(hù)功能。當(dāng)芯片溫度高于門限值時，它將會自動關(guān)閉，一旦溫度低于門限值，又會重新進(jìn)入工作狀態(tài)。

功率驅(qū)動回路主要的作用是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和驅(qū)動伺服電機(jī)工作，所述電源逆變電路201包括依次連接的整流電路、濾波電路以及逆變電路。

電源逆變電路201主要作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，實(shí)現(xiàn)所需電壓的輸出，是變頻器主要部分之一。整流電路由4個普通二極管組合成可控整流 橋?qū)崿F(xiàn)，其主要作用是將市電電源的單相交流全波整流成直流。濾波電路起到保護(hù)驅(qū)動電路的作用。三相橋式整流電路由六個IGBT組成，IGBT主要特點(diǎn)是高耐壓、高開關(guān)頻率、電流大、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等。而將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路等集成在同一個模塊內(nèi)形成智能功率模塊IPM204。智能功率模塊IPM204具有智能化、集成化、模塊化、保護(hù)功能全、性價比高、控制驅(qū)動簡單等特點(diǎn)，使系統(tǒng)更加簡潔。

(1)整流電路

整流電路由4個整流二極管組成單相不可控整流橋，作用是將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用220V，整流電路為單相全波整流橋；大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本設(shè)計采用的是單相整流橋。

(2)濾波電路

在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動機(jī)提供必要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。

由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，如果濾波電容沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達(dá)數(shù)分鐘。如果濾波電容上的電壓較高，電荷不放完，將對人身安全構(gòu)成威脅。

(3)逆變電路

逆變電路的功率開關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為核心的智能功率模塊(IPM)。IGBT是80年代出現(xiàn)的新一代復(fù)合型電力電子器件，它集合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，適合于高速、低功耗的場合，如電機(jī)控制，開關(guān)電源等。IGB T具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小 等特點(diǎn)。而智能功率模塊(IPM)是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路等集成在同一個模塊內(nèi)，是電力集成電路PIC的一種。目前的IPM一般采用IGBT作為大功率開關(guān)器件。

采用低飽和壓降，高開關(guān)速度，內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的IGBT功率器件。該電流傳感器是射極分流式采樣，電阻上流過的電流很小，且與開關(guān)流過的大電流成確定比例關(guān)系，從而可代替一般要外接的電流互感器，如霍爾電流傳感器等檢測元件。同時飽合壓降和開關(guān)速度之間的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿足由控制IC給出的保護(hù)范圍。

采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動，實(shí)行RTC(實(shí)時邏輯柵區(qū))控制模式。以嚴(yán)密的時序邏輯監(jiān)控保護(hù)，可防止過電流、短路、過熱及欠電壓等故障發(fā)生。帶RC信號干擾抑制和電源干擾抑制。

IPM內(nèi)置各種保護(hù)功能，如過溫、過流、欠壓、短路保護(hù)。只要有一個保護(hù)電路起作用，IGBT的門極驅(qū)動電路即關(guān)閉，同時產(chǎn)生一個故障信號，可送至DSP進(jìn)行相應(yīng)處理。

三相橋臂內(nèi)含續(xù)流二極管，內(nèi)置驅(qū)動電路、保護(hù)電路和報警輸出電路。

電流檢測電路，主要作用是提高系統(tǒng)電流環(huán)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)高性能控制。電流檢測是將永磁同步電動機(jī)的三相定子電流進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，實(shí)現(xiàn)DSP便捷處理。由于系統(tǒng)的iA+iB+iC＝0，因此只需要檢測系統(tǒng)中的兩路電流就可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的電流檢測。

系統(tǒng)運(yùn)行中的電流信號經(jīng)過霍爾電流傳感器實(shí)時采集下來，再到DSP的A/D轉(zhuǎn)換電路來進(jìn)行實(shí)時采樣，這就是定子電流采樣電路的主要作用。圖中高速高精度雙運(yùn)放穩(wěn)壓管TLE2142，運(yùn)算放大器的運(yùn)行速度快，即增益帶寬乘積大、轉(zhuǎn)換速率快，通常用于處理頻帶寬、變化速度快的信號，具有防止信號電壓過大的保護(hù)作用。所述電流檢測電路采用霍爾電流傳感。

速度檢測電路203，原理如圖2、圖3所示。在高性能的數(shù)字控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的測速裝置有：增量式光電碼盤、絕對式光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器。它們的主要特點(diǎn)如下：

(1)增量式光電碼盤

增量式光電碼盤數(shù)據(jù)處理電路簡單。因?yàn)槭菙?shù)字信號，所以噪聲容限較大，容易實(shí)現(xiàn)高分辨率，檢測精度高；缺點(diǎn)是不耐沖擊及振動，容易受溫度變化影響，適應(yīng)環(huán)境能力較差。

(2)絕對式光電碼盤

絕對式光電碼盤上有許多圈槽，為獲得高分辨率就要求很高的機(jī)械加工精度，導(dǎo)致成本很高。

(3)旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓自身結(jié)構(gòu)堅固耐用，不怕振動和沖擊，可在高溫下工作，具有很強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力，可以通過控制電路，較容易改變分辨率；其缺點(diǎn)是信號處理電路復(fù)雜，溫度特性不好。

在伺服控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能的關(guān)鍵技術(shù)是電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速的全數(shù)字檢測。對于永磁伺服電機(jī)來說，通常是在電機(jī)主軸上內(nèi)嵌入光電編碼器用來進(jìn)行速度和位置的測量。其工作原理是：光電碼盤一側(cè)的兩個光敏管受另一側(cè)發(fā)光二極管的控制。在光電碼盤上均勻分布著很多個光電孔，當(dāng)光透光透過光電孔的時候，光敏管產(chǎn)生邏輯“1”的信號；當(dāng)發(fā)光二極管被遮住的時候，光敏管產(chǎn)生邏輯“0”的信號。這樣，兩個光敏管會產(chǎn)生A，B兩路相位相差900的正交信號。

所述主控電路1還通過S232轉(zhuǎn)SCI通訊接口電路102連接PC機(jī)103，本系統(tǒng)應(yīng)用了RS232專用的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX232是3.0V～5.5V供電，低功率的通訊收發(fā)器。

采用的智能功率模塊IPM，其內(nèi)置了過壓、欠壓保護(hù)電路、限流啟動電路、IPM故障保護(hù)電路等模塊。

所述主控電路1還連接有LCD顯示電路104，用于實(shí)時顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速等一些參數(shù)。

綜上本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)可知，本實(shí)用新型的永磁同步電機(jī)變速控制系統(tǒng)，通過主控電路以及功能驅(qū)動電路可對電機(jī)進(jìn)行高精度的變頻與調(diào)速控制，使之 能達(dá)到更加廣泛的應(yīng)用；同時系統(tǒng)設(shè)置了智能功率模塊IPM，可充分的保證了電路安全運(yùn)行，填補(bǔ)了永磁同步電機(jī)技術(shù)中小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)、中功率變頻調(diào)速技術(shù)、大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、大功率交-交變頻調(diào)速技術(shù)等方面研究不足。