一种永磁同步电机变速控制系统的制作方法

本实用新型涉及永磁同步电机调速控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机变速控制系统。

背景技术：

交流永磁同步电动机(PMSM)具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、转矩/质量比高、功率因数高、效率高、易于散热、易于保养等显著特点，因而应用范围极为广泛，尤其是在要求高精度控制和高可靠性的场合，如航空航天、数控机床、机器人控制等方面。

但是对永磁同步电动机的研究主要集中在固定频率供电的电机运行特性方面，特别是对稳态特性和直接起动性能方面的研究。而在小功率交流变频调速技术、中功率变频调速技术、大功率无换向器电机变频调速技术、大功率交-交变频调速技术等方面则很欠缺，影响了永磁同步电机广泛应用的范围。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种永磁同步电机变速控制系统，以填补永磁同步电机技术中小功率交流变频调速技术、中功率变频调速技术、大功率无换向器电机变频调速技术、大功率交-交变频调速技术等方面研究不足，影响了永磁同步电机广泛应用的范围的技术性缺陷。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种永磁同步电机变速控制系统，包括主控电路以及功能驱动电路，所述主控电路包括主控芯片以及主控芯片的外围电路，所述功能驱动电路包括电源逆变电路、电流检测电路、速度检测电路以及智能功率模块IPM，所述主控芯片通过驱动隔离电路连接智能功率模块IPM，智能功率模块IPM分别连接电流 检测电路、速度检测电路以及电源逆变电路，所述电源逆变电路的电压输出端连接主控芯片，所述电流检测电路与速度检测电路分别连接主控芯片。

优选地，所述主控芯片采用TMS2812F2812芯片，所述外围电路包括仿真接口电路、电平转换电路以及外部存储器扩展电路。

优选地，所述电源逆变电路包括依次连接的整流电路、滤波电路以及逆变电路。

优选地，所述电流检测电路采用霍尔电流传感。

优选地，所述主控电路还通过S232转SCI通讯接口电路连接PC机。

优选地，所述主控电路还连接有LCD显示电路。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

本实用新型的永磁同步电机变速控制系统，通过主控电路以及功能驱动电路可对电机进行高精度的变频与调速控制，使之能达到更加广泛的应用；同时系统设置了智能功率模块IPM，可充分的保证了电路安全运行，填补了永磁同步电机技术中小功率交流变频调速技术、中功率变频调速技术、大功率无换向器电机变频调速技术、大功率交-交变频调速技术等方面研究不足。

附图说明

图1为本实用新型永磁同步电机变速控制系统的原理框图；

图2是本实用新型的速度检测原理图；

图3是本实用新型的速度检测信号的波形图。

图中：主控电路1，主控芯片101，S232转SCI通讯接口电路102，PC机103，LCD显示电路104，功能驱动电路2，电源逆变电路201，电流检测电路202，速度检测电路203，智能功率模块IPM204。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种永磁同步电机变速控制系统，包括主控电路1以及功能驱动电路2，所述主控电路1包括主控芯片101以及主控芯片101的外围电路，所述功能驱动电路2包括电源逆变电路201、电流检测电路202、速度检测电路203以及智能功率模块IPM204，所述主控芯片101通过驱动隔离电路2连接智能功率模块IPM204，智能功率模块IPM204分别连接电流检测电路202、速度检测电路203以及电源逆变电路201，所述电源逆变电路201的电压输出端连接主控芯片101，所述电流检测电路202与速度检测电路203分别连接主控芯片101；所述主控芯片采用TMS2812F2812芯片，所述外围电路包括仿真接口电路、电平转换电路以及外部存储器扩展电路。

所述TMS320F2812含有高仿真特性所需的硬件扩展，配有标准仿真接口JTAG，JTAG扫描逻辑电路用于仿真和测试，系统采用JTAG仿真接口，可以完成在线仿真，装载数据、代码调试等。为了实现仿真通信，系统必须设计带有14引脚的双排直插管座。

TMS320F2812的核心CPU电压是1.8V，而I/O接口电压是3.3V。为了实现芯片的正常运行，必须进行电源电压的转换。我们设计用一个基本上不要外围元件的最简单的电源转换芯片，低压差稳压器。

TPS767D318电源电平转换电路是TI公司设计的TPS767D318芯片，可以由输入端+5V电压，产生核心电压+3.3V和I/O接口电压+1.8V，同时该芯片可以提供DSP复位信号；该芯片的最大输出电流为lA，其中模拟地和数字地用小电阻或磁珠连接，防止电磁干扰。通过一个极性电容(33uF)和一个铁氧化体磁珠滤波后，来输出DSP的电源电压。外部输入电压经过一个1uF的极性电容滤波后进入电源芯片TPS767D318，提高芯片可靠性。此外，当EN＝1时，芯片处于关闭状态，此时功率管、驱动器、电压比较电路和振荡器等电路都处于不工作状态，使静态电流极低，实现使能端和过温保护功能。当芯片温度高于门限值时，它将会自动关闭，一旦温度低于门限值，又会重新进入工作状态。

功率驱动回路主要的作用是进行能量转换和驱动伺服电机工作，所述电源逆变电路201包括依次连接的整流电路、滤波电路以及逆变电路。

电源逆变电路201主要作用是将直流电压转换成交流电压，实现所需电压的输出，是变频器主要部分之一。整流电路由4个普通二极管组合成可控整流 桥实现，其主要作用是将市电电源的单相交流全波整流成直流。滤波电路起到保护驱动电路的作用。三相桥式整流电路由六个IGBT组成，IGBT主要特点是高耐压、高开关频率、电流大、导通电阻小、控制功率小等。而将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内形成智能功率模块IPM204。智能功率模块IPM204具有智能化、集成化、模块化、保护功能全、性价比高、控制驱动简单等特点，使系统更加简洁。

(1)整流电路

整流电路由4个整流二极管组成单相不可控整流桥，作用是将电源的单相交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异。小功率的，输入电源多用220V，整流电路为单相全波整流桥；大功率的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。本设计采用的是单相整流桥。

(2)滤波电路

在整流电路中输出电压是脉动的，另外，在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波电路。这里采用常用的电容滤波电路，在整流输出端并入大电容，整流输出直流电压含有很多偶次谐波，频率越高，电容容抗越小，分流作用越大，谐波被滤除的就越多，输出电压的平均值就越大。滤波电容除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。

由于滤波电容的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，如果滤波电容没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。如果滤波电容上的电压较高，电荷不放完，将对人身安全构成威胁。

(3)逆变电路

逆变电路的功率开关器件选用的是以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为核心的智能功率模块(IPM)。IGBT是80年代出现的新一代复合型电力电子器件，它集合了MOSFET和GTR的优点，适合于高速、低功耗的场合，如电机控制，开关电源等。IGB T具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小 等特点。而智能功率模块(IPM)是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路PIC的一种。目前的IPM一般采用IGBT作为大功率开关器件。

采用低饱和压降，高开关速度，内设低损耗电流传感器的IGBT功率器件。该电流传感器是射极分流式采样，电阻上流过的电流很小，且与开关流过的大电流成确定比例关系，从而可代替一般要外接的电流互感器，如霍尔电流传感器等检测元件。同时饱合压降和开关速度之间的关系达到最优化，具有足够的安全工作区，能很好地满足由控制IC给出的保护范围。

采用单电源逻辑电压输入优化的栅极驱动，实行RTC(实时逻辑栅区)控制模式。以严密的时序逻辑监控保护，可防止过电流、短路、过热及欠电压等故障发生。带RC信号干扰抑制和电源干扰抑制。

IPM内置各种保护功能，如过温、过流、欠压、短路保护。只要有一个保护电路起作用，IGBT的门极驱动电路即关闭，同时产生一个故障信号，可送至DSP进行相应处理。

三相桥臂内含续流二极管，内置驱动电路、保护电路和报警输出电路。

电流检测电路，主要作用是提高系统电流环响应速度，实现伺服系统高性能控制。电流检测是将永磁同步电动机的三相定子电流进行AD转换成相应的二进制代码，实现DSP便捷处理。由于系统的iA+iB+iC＝0，因此只需要检测系统中的两路电流就可以实现对系统的电流检测。

系统运行中的电流信号经过霍尔电流传感器实时采集下来，再到DSP的A/D转换电路来进行实时采样，这就是定子电流采样电路的主要作用。图中高速高精度双运放稳压管TLE2142，运算放大器的运行速度快，即增益带宽乘积大、转换速率快，通常用于处理频带宽、变化速度快的信号，具有防止信号电压过大的保护作用。所述电流检测电路采用霍尔电流传感。

速度检测电路203，原理如图2、图3所示。在高性能的数字控制系统中，实现电机位置和转速的数字检测是提高系统性能的关键技术。目前常用的测速装置有：增量式光电码盘、绝对式光电码盘、旋转变压器。它们的主要特点如下：

(1)增量式光电码盘

增量式光电码盘数据处理电路简单。因为是数字信号，所以噪声容限较大，容易实现高分辨率，检测精度高；缺点是不耐冲击及振动，容易受温度变化影响，适应环境能力较差。

(2)绝对式光电码盘

绝对式光电码盘上有许多圈槽，为获得高分辨率就要求很高的机械加工精度，导致成本很高。

(3)旋转变压器

旋转变压自身结构坚固耐用，不怕振动和冲击，可在高温下工作，具有很强的适应环境能力，可以通过控制电路，较容易改变分辨率；其缺点是信号处理电路复杂，温度特性不好。

在伺服控制系统中，实现系统的高性能的关键技术是电机位置和转速的全数字检测。对于永磁伺服电机来说，通常是在电机主轴上内嵌入光电编码器用来进行速度和位置的测量。其工作原理是：光电码盘一侧的两个光敏管受另一侧发光二极管的控制。在光电码盘上均匀分布着很多个光电孔，当光透光透过光电孔的时候，光敏管产生逻辑“1”的信号；当发光二极管被遮住的时候，光敏管产生逻辑“0”的信号。这样，两个光敏管会产生A，B两路相位相差900的正交信号。

所述主控电路1还通过S232转SCI通讯接口电路102连接PC机103，本系统应用了RS232专用的电平转换芯片MAX232，进行电平转换。MAX232是3.0V～5.5V供电，低功率的通讯收发器。

采用的智能功率模块IPM，其内置了过压、欠压保护电路、限流启动电路、IPM故障保护电路等模块。

所述主控电路1还连接有LCD显示电路104，用于实时显示电机转速等一些参数。

综上本实用新型的结构可知，本实用新型的永磁同步电机变速控制系统，通过主控电路以及功能驱动电路可对电机进行高精度的变频与调速控制，使之 能达到更加广泛的应用；同时系统设置了智能功率模块IPM，可充分的保证了电路安全运行，填补了永磁同步电机技术中小功率交流变频调速技术、中功率变频调速技术、大功率无换向器电机变频调速技术、大功率交-交变频调速技术等方面研究不足。