一种基于双内核的超高速永磁同步电机驱动控制器的制作方法

本发明属于超高速电机控制技术领域，具体涉及一种超高速的永磁同步电机的驱动控制器。

背景技术：

随着加工技术的迅猛发展，催生了高速、高精度数控机床的快速发展。超高速电主轴作为高端数控机床的关键功能部件，其性能指标直接决定了高端数控机床的发展水平。超高速永磁同步电机作为超高速电主轴的主体部件，具有其他电机无可比拟的优点。

目前大多数高速永磁同步电机驱动器输出频率大都在1000hz以下，控制对象为带有位置、速度反馈模块的高速电机，无法满足无传感器高速永磁同步电机控制的要求。

技术实现要素：

本发明提出一种基于双内核的超高速永磁同步电机驱动控制器。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于双内核的超高速永磁同步电机驱动控制器，其特征在于，包括散热模块、驱动系统模块、主控制系统模块；

散热模块包括散热器底座、驱动器温度检测模块、风扇驱动控制模块以及风扇；驱动系统模块包括整流模块、逆变模块，驱动与隔离模块、霍尔模块；主控制系统模块包括双核dsp主控制模块、fpga从控制模块、电机温度检测模块、调理模块、ad转换模块以及电源模块；其中，双核dsp主控模块又包括第一核和第二核，fpga从控制模块又包括pwm脉冲宽度信号监控模块和保护模块；

散热器底座与所述驱动控制器中的功率器件接触安装，用于为所述驱动控制器中的功率器件传导散热；驱动器温度检测模块用于实时采集所述驱动控制器的温度并将该温度信号传输给风扇驱动控制模块；风扇驱动控制模块根据驱动控制器的温度高低，控制风扇的工作状态；

整流模块与外部三相交流电整流成直流电，为逆变模块和主控制系统模块供电；所述逆变模块接收驱动与隔离模块的pwm脉冲信号，并根据pwm脉冲信号将直流电逆变成交流电，为风扇驱动控制模块、霍尔模块以及永磁同步电机的定子供电；驱动与隔离模块接收经过fpga从控制模块监控的pwm脉冲信号，进行隔离传输，并将pwm脉冲信号转换成能够驱动逆变模块的高电平pwm脉冲信号；霍尔模块用于使用霍尔元件对逆变模块逆变得到的定子三相电压电流信号、直流母线的电压信号进行采样并传输给信号调理模块；

电源模块用于将整流模块输出的电压转换成主控制系统模块所需的电压；电机温度检测模块用于采集电机本体的温度，并将该温度信号传输给调理模块；调理模块用于接收霍尔模块采集的定子电压电流信号、直流母线电压信号、电机本体的温度信号，并将所述接收的信号调理成符合ad转换模块输入要求的信号；ad转换模块用于将接收到的定子电压电流信号、电机温度信号转换成数字芯片可以接收的数字信号，并传递给fpga从控制模块中的保护模块以及双核dsp主控模块中的第二核；双核dsp主控模块中的第一核用于根据设定的目标转速和由第二核计算得到的估计转速，使用电机数学模型，通过直接转矩控制得到给予驱动逆变模块的pwm控制信号，并将pwm控制信号发送给fpga从控制模块；第二核用于根据ad转换模传传输过来的定子三相电压电流信号，使用扩展卡尔曼估计算法估算出电机速度和转子位置，并将估计得到的电机转速和转子位置数据传递给第一核；保护模块用于接收ad转换模块输出的定子三相电压电流、直流母线电压以及电机本体温度信号，在定子三相电压电流、直流母线电压、电机本体温度信号达到设定的报警条件后，产生故障信号并封锁fpga从控制模块的pwm控制信号的输出；pwm监控模块用于接收双核dsp模块中产生的pwm控制信号，并对pwm控制信号进行互锁条件判断，若出现互锁条件不满足的情况，产生故障信号并封锁fpga从控制模块的pwm控制信号的输出；若pwm控制信号满足互锁条件，则将pwm控制信号输出给驱动与隔离模块。

进一步，磁同步电机驱动控制器的单周期工作流程如下：

步骤一，第二核根据ad转换模块的直流母线电压以及三相定子电压电流信号，估算得到转子速度与转子位置、定子磁链、电磁转矩、相位角；

步骤二，第一核根据上位机发送的给定转速以及第二核估算得到的转子速度与转子位置、定子磁链、电磁转矩、相位角，结合永磁同步电机数学模型进行直接转矩控制，输出6路pwm控制信号；

步骤三，fpga从控制模块接收步骤二中输出的6路pwm控制信号，并由pwm监控模块进行故障条件的判断，若判断为故障，则封锁pwm控制信号的输出；若判断为非故障，则将6路pwm控制信号输出至驱动系统；

步骤四，驱动系统接收步骤三中输出的6路pwm控制信号，从而控制大功率igbt的导通与关断，将直流电逆变成三相交流电输出到电机定子侧。。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，采用双内核控制器，在高速控制情况下也能达到较好的控制性能，相较于普通驱动器具有更宽的调速范围和适用性，同时适用于无传感器转速估计的超高速永磁同步电机。

附图说明

图1为本发明超高速永磁同步电机驱动控制器的组成框图；

图2为本发明超高速永磁同步电机驱动控制器的信号流向图。

图中：1-散热模块、2-驱动系统模块、3-主控系统模块、1-1-散热器底座、1-2-温度检测模块、1-3-风扇驱动控制模块、1-4-风扇、2-1-整流模块、2-2-逆变模块、2-3-驱动与隔离模块、2-5-霍尔模块、3-1-双核dsp主控制模块、3-2-fpga从控制模块、3-3-电机温度检测模块、3-4-调理模块、3-5-ad模块、3-6-电源模块、3-1-1-第二核、3-1-2-第一核、3-2-1-pwm监控模块、3-2-2-保护模块。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明超高速的永磁同步电机的驱动控制器的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1，超高速永磁同步电机驱动控制器包括散热模块1、驱动系统模块2、主控制系统模块3。

散热模块1包括散热器底座1-1，启动器温度检测模块1-2，风扇驱动控制模块1-3以及风扇1-4。驱动系统模块2，包括整流模块2-1，逆变模块2-2，驱动与隔离模块2-3，霍尔模块2-5。

主控制系统模块3包括双核dsp主控制模块3-1，fpga从控制模块3-2，第二温度检测模块3-3，调理模块3-4，ad转换模块3-5以及电源模块3-6。其中，双核dsp主控模块3-1包括第一核3-1-2和第二核3-1-1。fpga从控制模块3-2包括pwm脉冲宽度信号监控模块3-2-1和保护模块3-2-2。

在散热模块1中，散热器底座1-1材质为铝制，用于为驱动控制器中的功率器件传导散热，其与驱动控制器外壳配合安装，与驱动控制器中的功率器件接触安装。驱动器温度检测模块1-2安装于驱动控制器散热模块附近，用于实时采集驱动控制器的温度并将驱动器的温度模拟信号转换成数字温度信号，传输给风扇驱动控制模块1-3。风扇驱动控制模块1-3根据驱动器温度检测模块1-2获得的温度检测信号，将所设定的温度上限与得到的温度检测信号相比较，得到是否开启风扇的判断，若检测温度大于设定温度上限，则向风扇模块输送功率信号，最终实现风扇1-4的开关控制。风扇1-4接收风扇驱动控制模块1-3的传输的功率信号和开关信号进行开关状态切换。

在驱动系统模块2中，整流模块2-1与三相交流电通过电源保护模块连接，将三相交流电整流成510v左右的直流电，为逆变模块2-2和主控制系统供电。所述逆变模块2-2接收驱动与隔离模块2-3的pwm脉冲信号，并根据pwm脉冲信号将直流电逆变成交流电，为风扇驱动控制模块1-3、霍尔模块2-5以及永磁同步电机的定子供电。驱动与隔离模块2-3接收经过fpga从控制模块3-2监控的pwm信号，进行隔离传输，将pwm信号接入驱动芯片以转换成能够驱动逆变模块的高电平pwm信号并将该信号传输给逆变模块2-2。霍尔模块2-5用于使用霍尔元件对逆变模块2-2逆变得到的定子三相电压电流信号、直流母线的电压电流信号进行采样并传递给主控制系统模块中的信号调理模块3-4。

在主控系统模块3中，电源模块3-6用于将整流模块2-1输出的电压转换成主控制系统所需的±15v，+3.3v，+1.2v，+1.5v等电压。电机温度检测模块3-3用于采集超高速电机的本体温度，并将该温度信号传输给调理模块3-4。调理模块3-4用于接收霍尔模块2-5输出的超高速电机的定子电压电流信号、直流母线电压，并接收电机温度检测模块3-3采集的电机本体温度信号，并将所述接收到的三种信号调理成主控制系统中符合ad模块输入要求的信号，并将调理好的电机的定子电压电流信号、电机温度信号、直流母线电压信号传递给ad模块3-5。ad模块3-5用于将接收到的调理后的定子电压电流信号、电机温度信号转换成数字芯片可以接收的数字信号，并传递给fpga从控制模块3-2中的保护模块3-2-2以及双核dsp主控模块3-1中的第二核3-1-1。双核dsp主控模块中的第一核3-1-2用于直接转矩控制，即用于根据设定的目标转速和由第二核计算得到的估计转速，根据实际电机的数学模型，通过直接转矩控制得到给予驱动系统的逆变模块的pwm控制信号量，并将pwm控制信号量发送给fpga从控制模块3-2。第二核3-1-1用于根据ad模传3-5传输过来的定子三相电压、电流信号，使用扩展卡尔曼估计算法估算出电机速度和转子位置，并将估计得到的电机转速和转子位置数据传递给第一核3-1-2。保护模块3-2-2用于接收ad模块3-5输出的定子三相电压、电流、母线电压、电机温度信号，在定子三相电压、电流、母线电压、电机温度信号达到设定的报警条件后，产生故障信号并封锁fpga从控制模块3-2的pwm控制信号的输出。即在满足报警条件时，fpga从控制模块3-2停止输出pwm控制信号给驱动与隔离模块。pwm监控模块3-2-1用于接收双核dsp模块中产生的pwm控制信号量，并对pwm控制信号量进行互锁条件判断，由于同一桥臂的两路pwm信号不允许同时导通，若任意桥臂的pwm信号与同一桥臂的另一路信号没用同时导通，则认为满足互锁条件。若出现互锁条件不满足的情况，产生故障信号并封锁fpga从控制模块3-2的pwm控制信号的输出。若pwm控制信号量满足互锁条件，则将pwm控制信号量输出给驱动系统中的驱动与隔离模块2-3。

结合图2，作为一种实施方式，驱动控制器整体单周期工作流程如下：

步骤一，主控系统模块中双核dsp主控模块的第二核3-1-1根据ad模块3-5的直流母线电压以及三相定子电压电流信号，估算得到转子速度与转子位置信号、定子磁链、电磁转矩、相位角。

步骤二，第一核3-1-2根据上位机发送的给定转速信号以及第二核3-1-1估算得到的转子速度与转子位置信号、定子磁链、电磁转矩、相位角，结合永磁同步电机数学模型进行直接转矩控制，输出6路pwm控制信号。

步骤三，主控系统模块中fpga从控制模块3-2接收步骤二中输出的6路pwm控制信号，并由pwm监控模块3-2-1进行故障条件的判断，若判断为故障，则封锁pwm控制信号输出；若判断为非故障，则将6路pwm控制信号输出至驱动系统2。

步骤四，驱动系统2接收步骤三中输出的6路pwm控制信号，从而控制大功率igbt的导通与关断，将直流电逆变成三相交流电输出到电机定子侧。

双核dsp主控模块的第一核在正常工作的情况下，其一个控制周期工作流程为：

步骤一，接收上位机发送的给定转速信号，接收第二核估算得到的转子速度与转子位置信号、定子磁链、电磁转矩、相位角。

步骤二，通过坐标变换和永磁同步电机数学模型计算得到超高速永磁同步电机的电磁转矩定子磁链及其相位角

步骤三，将转矩比较器的误差输入pi调节器并与定子磁链相位角比较获得然后结合给定定子参考磁链和iα、iβ获得svpwm模块所需的参考电压和

步骤四，根据步骤三中输出的参考电压信号和得到所希望的定子参考合成电压uref。

步骤五，利用svpwm模块计算基本电压矢量及其作用时间，输出逆变模块的igbt功率开关器件所需的控制信号，控制其开关状态。