永磁同步电机的控制系统的制作方法

本实用新型属于永磁电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的控制系统。

背景技术：

永磁同步电机具有效率高、体积小、运行可靠等优点，广泛应用于工业控制、能源交通等领域。中国专利CN201810196301.4公开了一种永磁同步电机控制电路的保护装置，包括整流桥、逆变桥、PWM驱动模块、控制板，分别与所述的控制板电连结的电流检测电路和电压检测电路、将采样电流和采样电路与正常值比较以进行故障判断的保护信号电路，以及与所述的保护信号电路输出连接的主电路保护电路，所述的主电路保护电路包括受驱动实现整流桥三相电源输入和永磁同步电机驱动电源输入通断的输入接触器和输出接触器。永磁同步电机控制电路的保护装置，通过对信号的采集，利用输入接触器和输出接触器，实现输入输出的物理断开，故障时能立刻断开输入、输出接触器，永磁同步电机控制系统的主电路保护装置，进一步加强了对电机控制系统的保护。

现有的永磁同步电机的控制系统，在初启动时需要对母线电容进行充电，为对其进行有效保护充电时要进行限流以防止过流，现在的限流措施结构复杂且操作不便，同时，在电机控制系统中，人机交互设置的供电及存储也存在稳定性不足或者构造成本高等问题。

技术实现要素：

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，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，控制稳定性高。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

在上述技术方案中，

一种永磁同步电机的控制系统，包括整流桥、逆变桥、控制板，设置在所述的整流桥的两输出端之间的母线电容，以及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，所述的防过流直流接触器的一对常开触点与所述的充电电阻并联设置。

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。

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的输出端还并接有多个直流电源模块以为所述的控制板、电流检测电路及电压检测电路和PWM驱动模块供电。

所述的直流电源模块分别将24V转换为+5V、±15V以及+3.3V。

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通过通讯芯片与所述的LCD显示装置连接。

所述的逆变器的正极输入端上设置有熔断器。

还包括输入侧直流接触器，所述的输入侧直流接触器的三对触点对应串接入所述的整流桥的输入相上，所述的保护电路的输出端与输入侧直流接触器连接。

还包括电流检测电路和电压检测电路，以及将采样电流和采样电路与设定值比较以进行故障判断的检测保护电路，所述的保护电路的输出连接至PWM驱动模块；所述的保护电路的输出经反相器后连通至输入侧直流接触器连接至输入侧，所述的输入侧接触器的另一端接开关电源的24V。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型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。

附图说明

图1为永磁同步电机控制系统结构图；

图2为直流供电电源提供5V电路示意图；

图3为直流供电电源提供+15V和-15V的电路示意图；

图4为直流供电电源提供3.3V电路示意图；

图5为存储和LCD显示输入图；

图6为检测保护电路图。

图7为永磁同步电机脉振高频电压注入参数辨识算法流程图。

图中：

1，三相交流电源 2，二极管整流器

3，三相逆变桥 4，永磁同步电机

5，母线电容 6，DSP控制板

7，PWM驱动模块 8，检测保护电路

9，直流电源电路 10，LCD显示输入

11，存储单元 12，防过流直流接触器的触点

13，防过流直流接触器 14，充电电阻

15，继电器线圈 16，直流变换电源

17，熔断器 18，第一直流模块

19，第二直流模块 20，第三直流模块

21，存储芯片 22，通讯芯片

23，第一比较器 24，第二比较器

25，或门 26，反相器

27，输入侧直流接触器

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的控制系统，包括整流桥2、逆变桥3、控制板6，设置在所述的整流桥的两输出端之间的母线电容5，以及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16以及防过流直流接触器15，其中，所述的直流变换电源16的输入端与整流桥的输出端相连接，即输入端分别与整流桥的正极输出和负极输出连接，所述的防过流直流接触器15的继电器线圈串接直流变换电源的输出侧，所述的防过流直流接触器的一对常开触点13与所述的充电电阻14并联设置。

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。

同时，所述的逆变器的正极输入端上设置有熔断器。主电路中采用熔断器代替制动电阻、制动接触器进行保护，直接熔断机制进行保护也是减少控制，提高控制稳定性。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实用新型的第二实施例所述的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，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。

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，其中直流冗余模块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。当然直流电源9也可采用明纬开关电源将市电交流电变为24V直流电，24V直流电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：

直流冗余模或开关电源的+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。

直流冗余模或开关电源的+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。

直流冗余模或开关电源的+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。

实施例三

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，LCD显示输入10集成了液晶显示屏、通讯、按键输入等单元，其与所述的DSP控制板以RS232方式通讯。

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，具体地，所述的存储芯片21的A0、A1、A2、VSS以及WP端均与GND连接，VCC端与+5V连接，SCL、SDA端分别与DSP控制板的GPIO33、GPIO32引脚相连接，DSP控制板6的GPIO14、GPIO13分别与通讯芯片22的SCITX、SCIRX端相连接，通讯芯片22的Tx+、Tx-、Rx+、Rx-端分别与LCD显示装置的对应引脚相连接。

LCD显示装置集成了单片机、通讯芯片、LCD显示模块，DSP通过通讯芯片将数据传输给LCD显示装置，LCD显示装置接收到数据后，通过内置的单片机将数据显示到LCD上。同样LCD显示装置也将外界输入到LCD的数据处理后发送到DSP。这样做主要有以下几点好处：1、节省了DSP的I/O口2、采用RS232通讯增加了一定的传输距离3、LCD显示是一较复杂的程序，这样做节约了DSP的开销，使DSP专注于电机控制。

实施例四

在上述实施例的基础上，本实用新型的电机控制系统还包括电流检测电路和电压检测电路，以及将采样电流和采样电路与正常值比较以进行故障判断的检测保护电路，所述的保护电路的输出连接至PWM驱动模块，其中，电流检测电路和电压检测电路以及保护电路与现有技术类似，在此不再展开描述，

同时，为提高整体控制效果，还包括输入侧直流接触器，所述的输入侧直流接触器的三对触点对应串接入所述的整流桥的三相交流电源1的输入相上，所述的保护电路的输出端与输入侧直流接触器连接。

具体地说，所述的检测保护电路包括负极分别所述的电流检测电路和电压检测电路输出的电压检测信号或电流检测信号的输出的第一比较器19、第二比较器20，所述的第一比较器和第二比较器的正极分别与参考电压连接，两输入端与所述的第一比较器19、第二比较器20的输出连接的或门21，所述的或门21的输出经发光二极管D11后连接至PWM驱动模块，当出现异常时则停止PEM驱动模块通过发光二极管D11，同时，所述的或门21的输出端与输入侧直流接触器可控连接，所述的输入侧直流接触器的三对触点对应串接入所述的整流桥的输入相上。具体地，所述的保护电路的输出经反相器26后连通至输入侧直流接触器27的控制线圈，同时连接至输入侧，所述的输入侧接触器的另一端接开关电源的24V。同时，所述的输入侧接触器的线圈还并接有续流二极管D12，所述的续流二极管12的正极接24V，负极接反相器的输出端，当PWM驱动模块受控停止时，控制信号经反相器后使得输入侧直流接触器线圈导通，完成前端的电流断开，实现整体控制。

实施例五

一种所述的永磁同步电机的参数识别方法，包括以下步骤，

一)定子电阻识别步骤，

11)注入足够大的零度电压矢量使转子位置调零，使转子的机械零点与逆变器的电气零点重合，

其中，零度电压矢量由DSP控制逆变器施加的，根据空间矢量脉宽调制和矢量变换原理，通过逆变器合成电气角度为零方向的电压矢量，不需要任何外围辅助装置，直接通过逆变器施加。该零度电压矢量产生的磁场将转子轴吸引到0度位置，从而完成电机转子位置的调零。其中，足够大的电压一般指该电压产生的电流为电机额定电流的20％左右。

12)向定子施加直流电并测量电流即可得到定子电阻；完成转子初始调零后，因而电机转子不会转动，只要测量电流反馈值便可计算电阻值，由等效电路图可以得出：

同时，由于逆变器无法给定一个恒定直流源，实际采用逆变器输入高频电压信号，保持固定的占空比，即可得到等效的直流电压。

二)定子直轴电感交轴电感识别步骤，

其中，永磁同步电机在α-β轴系的数学模型为：

式中iα,iβ----定子α轴、β轴电流；

ψα,ψβ----定子α轴、β轴磁链；

Ld,Lq----定子直轴、交轴电感；

ψf----转子磁链；

θ----转子位置角；

当对永磁同步电机注入高频电压uhf后，由于选择注入的是直轴方向，而直轴电压只起到励磁作用，因此电机的转子会静止不动，因此转子位置角θ为常数。当频率较高时，可以忽略定子电阻上的压降。因此式(2)等号右边的积分项为0，将式(2)带入式(1)可得：

式中iαhf,ihf----定子α轴、β轴的高频电流；

θhf----高频注入的电压矢量相位。

对上式进行积分后可得：

对上式整理后可得α、β轴高频电流合成的电流矢量最大值和最小值为：

由于上两式中，其中，uhf为注入高频电压的电压值、ωhf为注入高频电压的频率值，即为设定值。只要计算出三相电流的最大幅值和最小幅值，便可计算出直轴、交轴电感值，计算公式如下：

因此测量电机直轴、交轴电感的具体过程如下：

21)向电机直轴方向注入给定幅值的高频电压，

22)当电流达到稳态后，采集三相电流的瞬时值，根据电流瞬时值计算合成电流矢量的最大幅值和最小幅值，再计算出电机的直轴电感、交轴电感值，

同时为提高测量精度，将计算值多次累加后再求平均值便可得到直轴电感、交轴电感的辨识值。

输入的高频信号是DSP根据根据空间矢量脉宽调制和矢量变换原理，通过控制逆变器产生的，其占空比是由空间矢量脉宽调制自动产生的，并不固定，不过生成的高频电压幅值保持不变。

在具体实现上，利用DSP28335控制板进行软件编程，采用C语言完成了脉振高频电压离线参数辨识算法的编写工作，并进行了电机参数辨识试验，试验结果表明该算法辨识过程简单、适用性强、易于实现，能够有效的辨识出电机的定子电阻、直轴电感和交轴电感值，同厂家提供的参数值相比具有非常高的准确度。

此外由于逆变器存在死区时间、开关管压降以及采样误差等影响，导致测量的电阻误差很大，因此必须需克服这些因素带来的误差。在步骤12)中给定两次不同的占空比d1、d2，测量两次电流I1、I2，以消除开关管压降和死区时间带来的测量误差，并通过滤波和多次采样求平均值的方法减小电流采样误差的影响，计算公式为：

根据上式多次计算电阻值并求平均值后得到最终的电阻辨识值。

其中，滤波可采用buttworth二阶低通数字滤波器进行。高频电压注入的方向有很多，如果都是从直轴方向注入的电压的话，区别在于细节处理方面，注入的电压幅值大小保证产生的电流为电机额定值得60％左右，高频电流经二阶buttworth滤波器滤波后，再采用限幅滤波法剔除较大的脉冲干扰，再对采集到的电流数据采用算数滤波法求其最大和最小值。为进一步提高精度，可多采几组数据求其平均值。

需要说明的是，本实用新型的参数辨识并不是每次启动都要辨识，只要进行一次辨识，辨识后记录该数值，以后启动后检测到有存储就可以不再辨识，当然如有需要也可以按需再进行，如每启动前都进行参数识别，或启动次数或运行预定时间后再启动时进行参数辨识，辨识的目的是精确获取电机相关参数，提高电机的控制精度。

作为具体控制，图7为永磁同步电机脉振高频电压注入参数辨识算法流程图，控制算法采用C语言编写在DSP控制板6中运行，图7中(a)为主程序流程图，(b)为定时器中断子程序流程图，定时器中断子程序在主程序中执行，主要完成脉振高频电压注入辨识算法、转速电流双环矢量控制等算法，具体实施方式如下：

主程序具体实施方式如下：

(Ⅰ)开始

程序开始，从主程序入口，S1；

(Ⅱ)初始化

进行DSP的初始化，完成DSP外设时钟、看门狗、IO口(输入输出)以及中断向量表的初始化工作，S2；

(Ⅲ)配置寄存器

配置定时器、PWM寄存器、SCI寄存器以及中断寄存器，并使能相关中断功能，S3；

(Ⅳ)初始化软件参数

初始化定时器、PWM占空比、延时时间、RS232通讯软件等相关参数，S4；

(Ⅴ)循环等待

进入主循环，等待定时器中断发生，S5；

(Ⅵ)执行中断程序并返回

执行定时器中断子程序，完成后返回主程序，循环等待，S6。

定时器中断子程序具体实施方式如下：

(Ⅰ)中断开始

发生定时中断，进入定时器中断程序，S7；

(Ⅱ)是否完成参数辨识

判断是否完成电机参数辨识，若完成，直接执行转速电流双闭环矢量控制算法，否则执行参数辨识算法，S8；

(Ⅲ)定子电阻辨识

执行定子电阻辨识算法，首先进行电机转子位置调零，再分别向电机注入不同占空比的高频电压，采集电机电流并计算电阻值，将计算值累加后求平均得到定子电阻的辨识值，S9；

(Ⅳ)脉振高频电压注入

执行脉振高频电压注入辨识算法，向电机直轴方向注入高频电压，高频电压的幅值逐渐增大至给定幅值，达到给定幅值后，持续一段时间，当高频当电流达到稳态后，采集三相电流的瞬时值并保存数据，完成后逐渐减小高频电压的幅值直到零为止，S10；

(Ⅴ)计算直交轴电感

对三相电流数据进行处理，计算每个电流周期合成的电流矢量的最大值和最小值，计算出直轴电感、交轴电感值，再将每个周期的计算值累加后求平均，便可得到直轴电感、交轴电感的辨识值，S11；

(Ⅵ)启动切换控制

完成参数辨识后，根据采样值进行矢量坐标变换，执行电机启动程序，并判断是否完成控制方式切换，若已完成切换，则直接进行速度电流控制，否则执行切换程序，S12；

(Ⅶ)转速电流控制

根据电机的转速、电流反馈值完成速度环、电流环的PI控制调节，进行park逆变换，计算电压参考值，S13；

(Ⅷ)空间矢量算法

根据转速电流调节输出的电压参考值，执行空间矢量算法，计算占空比并输出PWM信号，控制三相逆变桥驱动电机运行，S14；

(Ⅸ)中断完成返回主程序

完成电机的离线参数辨识和转速电流双环控制，中断完成返回主程序，S15。

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。