CN102064753A - 交流永磁同步电机控制器 - Google Patents

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Abstract

一种交流永磁同步电机控制器，包括DSP微处理器、功率变化器、交流永磁同步电机及位置检测器和电流检测器，所述位置检测器将其检测到的交流永磁同步电机的转子位置信号和转子速度信号由DSP微处理器的QEP单元输入，所述电流检测器将其检测到的交流永磁同步电机的电流信号由DSP微处理器的QEP的A/D转换接口输入，所述DSP微处理器根据输入的转子位置信号和转子速度信号计算出电流的给定值，再与输入的电流检测值相比较，得出相应的控制信号控制输出PWM脉冲的宽度，PWM信号经功率变化器驱动交流永磁同步电机。本发明具有结构紧凑牢固、电路简单成本低、性能可靠、运行稳定以及调速范围宽、高效率、高精度等优点。

Description

交流永磁同步电机控制器
技术领域：
本发明涉及一种交流永磁同步电机控制器，电动汽车、数控机床、工业机器人、空调等领域均可使用该控制器。
背景技术：
控制器是电动汽车驱动***至关重要的组成部分，决定着驱动***性能的优良与否。近十年来，主要发展交流异步电机控制器和无刷永磁电机控制器。与原有的直流牵引电机控制器相比，具有明显优势，其突出优点是效率高、基本免维护、调速范围广。其研究开发现状和发展趋势如下。
1.异步电机控制器
异步电机控制器的特点是坚固耐用、运行可靠，可实现控制电机低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。异步电机控制器的矢量控制调速技术比较成熟，因此被较早应用于电动汽车，目前仍然是电动汽车控制器的主流产品(尤其在美国)，但已被其它新型无刷永磁牵引电机控制器逐步取代。最大缺点是控制器电路复杂，控制效率不高，不利于实现产业化。
2.无刷永磁同步电机控制器
无刷永磁同步电机控制器具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，在电动车辆牵引电机控制器中是强有力的竞争者，已在国内外多种电动车辆中获得应用。最大的缺点是控制精度不高，因此通常应用在一些对精度要求较低的场合。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构紧凑牢固、电路简单成本低、性能可靠以及在宽广的转速范围内控制效率和控制精度都比较高的交流永磁同步电机控制器。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种交流永磁同步电机控制器，包括DSP微处理器、功率变化器、交流永磁同步电机及位置检测器和电流检测器，所述位置检测器将其检测到的交流永磁同步电机的转子位置信号和转子速度信号由DSP微处理器的QEP单元输入，所述电流检测器将其检测到的交流永磁同步电机的电流信号由DSP微处理器的A/D转换接口输入，所述DSP微处理器根据输入的转子位置信号和转子速度信号计算出电流的给定值，再与输入的电流检测值相比较，得出相应的控制信号控制输出PWM脉冲的宽度，PWM信号经功率变化器驱动交流永磁同步电机。
所述功率变化器采用三相逆变桥式结构，当控制器电压低于200V时，所述功率变化器采用MOSFET逆变器，当控制器电压高于200V时，所述功率变化器采用IGBT逆变器。
所述位置检测器采用增量式光电编码器，其输出3对差分信号：A+、A-，B+、B-，Z+、Z-；其中A相和B相信号正交，判断两个信号相位差即可判断交流永磁同步电机的旋转方向，Z相信号是零位信号，增量式光电编码器每旋转1圈经过零位输出1个脉冲。
所述电流检测器包括霍尔传感器、运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C，所述交流永磁同步电机的相电流由霍尔传感器检测，检测信号经运算放大器A进行电流/电压转换后输出负电压，随后加到运算放大器B的输入端，对该负电压进行反向和比例放大，最后经过运算放大器C进行电平偏移，使得输出电压范围调成0～3V。
所述功率变化器的电路中设有过流保护电路，所述过流保护电路主要通过一集成电压比较器LM393来实现，当电机正常工作时，FAULT端高阻，集成电压比较器LM393的正输入端电压高于负输入端电压，输出端输出高电平；当电机工作于过流状态时，FAULT端输出低电平，使得集成电压比较器LM393的正输入端电压低于负输入端电压，输出端电压反转，触发DSP微处理器的PWM输出端处于高阻状态，功率变化器停止工作。
所述DSP微处理器主要由CPU、片内554字RAM与8K字Flash EPROM、事件管理器和片内外设接口组成。
还包括有PC上位机、键盘和LED显示，所述DSP微处理器用SCI接口完成与PC上位机的串行通讯功能，所述键盘和LED显示分别与DSP微处理器的I/O扩展接口和SPI接口相接。
所述功率变换器中设置有具有滤波功能和回馈能量存储功能的电容。
本发明由于采用了以上技术方案，因而相对于现有技术具有如下优点：
1，通过选用运算速度快的DSP微处理器以及快恢复、快响应的三相桥式功率变换器，以及对各种参数的优化配合，提高了交流永磁同步电机的低速转矩，使其无异步电机起动时所出现的电流冲击现象。
2，提高位置及电流检测器对信号采样的精确度，从而对电机速度进行准确的控制。
3，对于不同的电池电压，灵活采用不同的主电路功率原件，提高控制器的运行效率，减少了控制器的发热，增加了车辆的续航里程。
4，控制***稳定，主电路以数字电路为主，结构简单，便于维护。
5，能实现电能回馈功能。刹车、减速或下坡滑行时将电机产生的能量反馈给电池，起到反充电的效果，从而对电池进行维护，延长了电池的使用寿命。
6，调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性，也可以实现交流永磁同步电机的恒转矩控制，从而达到节能降耗的目的。
附图说明：
下面结合附图和具体实施例详细介绍本发明。
图1为本发明交流永磁同步电机控制器的控制原理图；
图2为本发明中增量式光电编码器的连接线路图，图中仅示出了A相的电路连接；
图3为本发明中的电流检测电路；
图4为本发明中的过电流保护电路。
具体实施方式：
参照图1，按照本发明提供的交流永磁同步电机控制器，包括DSP微处理器(型号：TMS320F243)、功率变化器、交流永磁同步电机及位置检测器和电流检测器，位置检测器和电流检测器用于监测交流永磁同步电机的转子位置、转子速度和相电流，工作时，位置检测器将其检测到的转子位置信号和转子速度信号由DSP微处理器的QEP单元输入，电流检测器将其检测到的电流信号由DSP微处理器的A/D转换接口输入，DSP微处理器根据输入的转子位置信号和转子速度信号计算出电流的给定值，再与输入的电流检测值相比较，得出相应的控制信号控制输出PWM脉冲的宽度，PWM信号经功率变化器驱动交流永磁同步电机，从而保证电机转速的稳定。
所述功率变化器采用三相逆变桥式结构，属于能量回收型，其间的电容具有滤波功能和回馈能量的存储功能，从而提高了***的运行效率。当控制器电压低于200V时，所述功率变化器采用MOSFET逆变器，当控制器电压高于200V时，所述功率变化器采用IGBT逆变器，从而实现了电机的高效率控制。
所述位置检测器采用增量式光电编码器，其输出3对差分信号：A+、A-，B+、B-，Z+、Z-。其中A相和B相信号正交，判断两个信号相位差即可判断交流永磁同步电机的旋转方向，Z相信号是零位信号，增量式光电编码器每旋转1圈经过零位输出1个脉冲。图2为A相电路连接图，A+、A-差分信号经过运算放大器反相加强后，分别输入电压比较器的反相、同相输入端，经过电压比较后，输出端得到A相有效电平，该信号直接输入DSP微处理器。B相和Z相的处理方法与A相相同，在这里就不重复说明。获得准确的A、B、Z输入信号后，DSP就可以进行转向判断、位置和转速计算。
所述电流检测器包括霍尔传感器、运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C。电流检测电路如图3所示，交流永磁同步电机的相电流由霍尔传感器检测，检测信号Ju经运算放大器A进行电流/电压转换后输出，根据运算放大器的工作原理可知输出为负电压。随后，电压加到运算放大器B的输入端，对该负电压进行反向和比例放大。由于微处理器TMS320F243的A/D输入电压范围是0～3V，所以运算放大器B输出的电压不能直接输入DSP，还需要经过运算放大器C进行电平偏移，如图3所示，在运算放大器C的同相输入端叠加了1.5V的偏压，使得输出电压范围调成0～3V。
相电流过流是电机运行时常遇到的问题，它不但影响到电机的正常运行，高负荷、长时间的过流还可能烧坏功率变换器，对操作人员的人身安全构成严重威胁，因此，本发明在功率变化器的电路中设有过流保护电路。如图4所示，过流保护电路主要通过一集成电压比较器LM393来实现，当电机正常工作时，FAULT端高阻，集成电压比较器LM393的正输入端(I1+)电压为+15V，负输入端(I1-)为+7.5V，正输入端电压高于负输入端电压，输出端(O1)输出高电平；当电机工作于过流状态时，FAULT端输出低电平，使得集成电压比较器LM393的正输入端(I1+)钳位在低电平，而负输入端(I1-)仍然为+7.5V，正输入端电压低于负输入端，输出端(O1)电压反转，触发DSP微处理器的PWM输出端处于高阻状态，功率变化器停止工作。
所述DSP微处理器主要由CPU、片内554字RAM与8K字Flash EPROM、事件管理器和片内外设接口组成。如图1所示，该控制器还包括有PC上位机、键盘和LED显示，DSP微处理器用SCI接口完成与PC上位机的串行通讯功能，通过PC上位机可以设定参考给定位置、速度、电流，也可将位置、速度、电流反馈检测量实时传送到PC上位机显示，也可以通过数字I/O扩展的键盘设定给定量，由SPI接口完成串行驱动LED数码管显示功能。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。

Claims (8)

1.一种交流永磁同步电机控制器，其特征在于：包括DSP微处理器、功率变化器、交流永磁同步电机及位置检测器和电流检测器，所述位置检测器将其检测到的交流永磁同步电机的转子位置信号和转子速度信号由DSP微处理器的QEP单元输入，所述电流检测器将其检测到的交流永磁同步电机的电流信号由DSP微处理器的A/D转换接口输入，所述DSP微处理器根据输入的转子位置信号和转子速度信号计算出电流的给定值，再与输入的电流检测值相比较，得出相应的控制信号控制输出PWM脉冲的宽度，PWM信号经功率变化器驱动交流永磁同步电机。
2.如权利要求1所述的交流永磁同步电机控制器，其特征在于：所述功率变化器采用三相逆变桥式结构，当控制器电压低于200V时，所述功率变化器采用MOSFET逆变器，当控制器电压高于200V时，所述功率变化器采用IGBT逆变器。
3.如权利要求1或2所述的交流永磁同步电机控制器，其特征在于：所述位置检测器采用增量式光电编码器，其输出3对差分信号：A+、A-，B+、B-，Z+、Z-；其中A相和B相信号正交，判断两个信号相位差即可判断交流永磁同步电机的旋转方向，Z相信号是零位信号，增量式光电编码器每旋转1圈经过零位输出1个脉冲。
4.如权利要求所述3的交流永磁同步电机控制器，其特征在于：所述电流检测器包括霍尔传感器、运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C，所述交流永磁同步电机的相电流由霍尔传感器检测，检测信号经运算放大器A进行电流/电压转换后输出负电压，随后加到运算放大器B的输入端，对该负电压进行反向和比例放大，最后经过运算放大器C进行电平偏移，使得输出电压范围调成0～3V。
5.如权利要求4所述的交流永磁同步电机控制器，其特征在于：所述功率变化器的电路中设有过流保护电路，所述过流保护电路主要通过一集成电压比较器LM393来实现，当电机正常工作时，FAULT端高阻，集成电压比较器LM393的正输入端(I1+)电压高于负输入端(I1-)电压，输出端(O1)输出高电平；当电机工作于过流状态时，FAULT端输出低电平，使得集成电压比较器LM393的正输入端(I1+)电压低于负输入端(I1-)电压，输出端(O1)电压反转，触发DSP微处理器的PWM输出端处于高阻状态，功率变化器停止工作。
6.如权利要求1或2所述的交流永磁同步电机控制器，其特征在于：所述DSP微处理器主要由CPU、片内554字RAM与8K字Flash EPROM、事件管理器和片内外设接口组成。
7.如权利要求1或2所述的交流永磁同步电机控制器，其特征在于：还包括有PC上位机、键盘和LED显示，所述DSP微处理器用SCI接口完成与PC上位机的串行通讯功能，所述键盘和LED显示分别与DSP微处理器的I/O扩展接口和SPI接口相接。
8.如权利要求2所述的交流永磁同步电机控制器，其特征在于：所述功率变换器中设置有具有滤波功能和回馈能量存储功能的电容。
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