CN213937783U - 一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，控制***包括主控机构和永磁同步电机驱动器；所述主控机构包括依次连接的单项交流电源、二极管整流桥、直流升压电路和三相逆变桥，三相逆变桥的输出端与永磁同步电机的相连；所述永磁同步电机驱动器包括DSP控制板以及分别与其电连接的供电电源电路、通讯电路、PWM驱动电路和信号采集电路，供电电源电路DSP控制板提供直流电，所述通讯电路实现与外部主机的通讯。本实用新型启动技术简单有效，无需添加任何硬件电路，能够有效代替电机无传感器的单环启动方式，避免其启动过程中存在的冲击电流、转矩不平衡等现象的发生，实现电机无传感器下的转速电流双环启动。

Description

一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***

技术领域

本实用新型属于永磁同步电机控制领域，具体涉及一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***。

背景技术

永磁同步电机因具有功率密度高、转矩性能优良、易于维护等优点，广泛应用于伺服***、工业控制等领域。现在很多永磁同步电机都采用无位置传感器的控制方式，虽然降低了电机成本和安装难度，提高了***的可靠性，但是无传感器控制方式也存在一定的局限性。

无传感器控制方式通常采用滑模观测器的检测方法，由于滑模观测器是通过检测电机反电势计算转子位置角，因此在电机静止状态下滑模观测器无法准确估算转子位置，因而电机无法自行启动。为解决该问题，通常采用 V/F(输出电压/频率)或I/F(电流/频率)的方式，先将电机带到一定转速，在此转速下滑模观测器能准确估算转子位置和速度后，再切换到转速电流的控制方式中。不过无论采用何种方式启动，都需要由单电流环向转速电流双环的控制方式切换，由于切换前后电机的电流、转子位置角度存在较大差异，即使采用平滑的切换方式，也无法避免切换过程中冲击电流、转矩不平衡等现象的发生，甚至存在切换失败情况。为了避免此种情况发生，有的方法首先采用基于脉振高频电压注入法的控制方式完成电机双环启动，等到达一定转速后再切换到基于滑模观测器的方式中，虽然效果良好，不过该种方式扔存在算法复杂、运算量大的缺点。

实用新型内容

本实用新型是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，包括主控机构和永磁同步电机驱动器；所述主控机构包括依次连接的单项交流电源、二极管整流桥、直流升压电路和三相逆变桥，三相逆变桥的输出端与永磁同步电机的相连；所述永磁同步电机驱动器包括DSP控制板以及分别与其电连接的供电电源电路、通讯电路、PWM驱动电路和信号采集电路，供电电源电路DSP控制板提供直流电，所述通讯电路实现与外部主机的通讯。

在上述技术方案中，所述单项交流电源的火线端与二极管整流桥之间串联交流保险丝，其零线端与二极管整流桥之间串联平波电抗器。

在上述技术方案中，所述直流升压电路的两输出端之间串联母线电容。

在上述技术方案中，所述直流升压电路的一个输出端与三相逆变桥的一个输入端之间串联直流保险丝。

在上述技术方案中，所述二极管整流桥由四个二极管D1～D4组成，上桥臂的二极管为D1、D3，下桥臂的二极管为D2、D4，其中二极管D1的正极与二极管D2的负极连接构成一个桥臂，二极管D3的正极与二极管D4 的负极连接构成一个桥臂。

在上述技术方案中，所述直流升压电路包括MOS管T1以及分别与其漏极连接的电感BTL和二极管BTD，电感BTL另一端接电压输入端，二极管BTD的阴极接电压输出端，MOS管T1的源极接地，MOS管T1的栅极驱动信号由PWM驱动电路产生。

在上述技术方案中，所述三相逆变桥包括内部电路和外部电路，内部电路由六个绝缘双极性晶体管Q1～Q6组成，上桥臂由Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由Q2、Q4、Q6组成，其中Q1的发射极与Q2的集电极连接构成一个桥臂，Q3的发射极与Q4的集电极连接构成一个桥臂，Q5的发射极与Q6 的集电极连接构成一个桥臂。

在上述技术方案中，所述PWM驱动电路驱动直流升压电路的MOS管。

在上述技术方案中，所述信号采集电路接收外部传感器输出的信号并将信号转换为0～3V。

在上述技术方案中，所述通讯电路包括相互电连接的隔离芯片和通讯芯片，通讯芯片另一端连接通讯接口，隔离芯片的另一端连接DSP控制板。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，无传感器双环启动技术算法简单有效，无需添加任何硬件电路，能够有效代替电机无传感器的单环启动方式，避免其启动过程中存在的冲击电流、转矩不平衡等现象的发生，实现电机无传感器下的转速电流双环启动。

附图说明

图1是本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***的结构示意图；

图2是本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***中二极管整流桥的电路图；

图3是本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***中直流升压电路的电路图；

图4是本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***中三相逆变桥的内部电路图；

图5是本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***中三相逆变桥的***电路图；

图6是本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***中PWM驱动电路的路图；

图7是本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***中信号采集电路的电路图；

图8是本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***中通讯电路的电路图。

其中：

1 单相交流电源 2 二极管整流桥

3 直流升压电路 4 三相逆变桥

5 母线电容 6 DSP控制板

7 平波电抗器 8 交流保险丝

9 直流保险丝 10 供电电源电路

11 通讯电路 12 PWM驱动电路

13 信号采集电路 14 PWM驱动模块

15 光耦 16 三相逆变桥模块

17 输出端子 18 运算放大器

19 隔离芯片 20 通讯芯片。

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技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***的技术方案。

如图1所示，一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，包括主控机构和永磁同步电机驱动器；

所述主控机构包括依次连接的单项交流电源1、二极管整流桥2、直流升压电路3和三相逆变桥4，三相逆变桥4的输出端与永磁同步电机的相连，单项交流电源1和二极管整流桥2之间设置交流保险丝8和平波电抗器9；

二极管整流桥2将单项交流电源1的单相交流电转换为直流电，平波电抗器7在电容充电时防止电流过流，由于采用单相交流电整流，直流电压较低280V，因此采用直流升压电路3将直流电压提高到500V，母线电容5用于稳定直流电压，三相逆变桥4用于输出三相交流电压。

主控机构的具体电路连接为：单相交流电源1的L端与交流保险丝8 的一端连接，N端与平波电抗器7的一端连接，交流保险丝8的一端与二极管整流桥2的1端连接，平波电抗器7的另一端与二极管整流桥2的2端连接，二极管整流桥2的3、4端分别与直流升压电路3的1、2端连接，直流升压电路3的3端与母线电容5的正极以及直流保险丝9的一端连接，直流升压电路3的4端与母线电容5的负极以及三相逆变桥4的2端连接，直流保险丝9的另一端与三相逆变桥4的1端连接。三相逆变桥4的3、4、5端与分别与永磁同步电机的A、B、C相连接。

所述永磁同步电机驱动器包括DSP控制板6以及分别与其电连接的供电电源电路10、通讯电路11、PWM驱动电路12和信号采集电路13，供电电源电路10DSP控制板6提供直流电，所述PWM驱动电路12驱动直流升压电路3的MOS管，所述通讯电路11实现与外部主机的通讯。

永磁同步电机驱动器由DSP控制板6、供电电源电路10、通讯电路11、 PWM驱动电路12以及信号采集电路13组成，其中DSP控制板6是***的控制核心，用于电压电流信号的采集、PWM信号输出(脉冲宽度调制)、电机控制算法和保护功能以及通讯等功能的实现，通讯电路11主要用于与外部主机的通讯，PWM驱动电路12用于驱动直流升压电路3的MOS管。供电电源电路10为DSP控制板6提供直流电，电源采用Mean Well的多路输出电源，型号为QP-200F，可同时输出+24V、±15V、+5V等电源，无需再设计电源转化，大大节省了电路的复杂性。

如图2所述，所述二极管整流桥2由四个二极管D1～D4组成，上桥臂的二极管为D1、D3，下桥臂的二极管为D2、D4，其中二极管D1的正极与二极管D2的负极连接构成一个桥臂，二极管D3的正极与二极管D4的负极连接构成一个桥臂。

如图3所示，所述直流升压电路3的具体电路连接为：InVdc信号与电感BTL的一端连接，电感BTL的另一端与MOS管T1的漏极、二极管BTD 的阳极连接，MOS管T1的源极与GND连接，MOS管T1的栅极驱动信号由PWM驱动电路12产生，二极管BTD的阴极与输出OutVdc信号连接。

如图4所示，所述三相逆变桥4由六个IGBT(绝缘双极性晶体管)(Q1～ Q6)组成，上桥臂由Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由Q2、Q4、Q6组成，其中Q1的发射极与Q2的集电极连接构成一个桥臂，Q3的发射极与Q4的集电极连接构成一个桥臂，Q5的发射极与Q6的集电极连接构成一个桥臂。

三相逆变桥3采用三菱公司第4代智能功率模块(IPM)PS21964，它将功率芯片、驱动和保护电路集成到同一个模块中，模块体积小，额定容量大，易于应用在小功率电机的变频控制中，同时***电路简单，无需光耦或变压器隔离，可直接将DSP的PWM信号连接到功率模块，方便应用，其***电路如图5所示，具体连接关系如下：

+15V与电阻U7R1、电容U7C9以及三相逆变桥IPM模块16的8脚连接，电阻U7R1的另一端与二极管U7D1的阳极连接，二极管U7D1的阴极、二极管U7Z1的阴极、电容U7C1的正极以及电容U7C4与三相逆变桥IPM 模块16的2脚连接，二极管U7Z1的阳极、电容U7C1的负极以及电容U7C4 的另一端与三相逆变桥IPM模块16的23脚、输出电压端子17的1脚连接。 +15V与电阻U7R2连接，电阻U7R2的另一端与二极管U7D2的阳极连接，二极管U7D2的阴极、二极管U7Z2的阴极、电容U7C2的正极以及电容U7C5 与三相逆变桥IPM模块16的3脚连接，二极管U7Z2的阳极、电容U7C2 的负极以及电容U7C5的另一端与三相逆变桥IPM模块16的22脚、输出电压端子17的2脚连接。+15V与电阻U7R3连接，电阻U7R3的另一端与二极管U7D3的阳极连接，二极管U7D3的阴极、二极管U7Z3的阴极、电容 U7C3的正极以及电容U7C6与三相逆变桥IPM模块16的4脚连接，二极管U7Z3的阳极、电容U7C3的负极以及电容U7C6的另一端与三相逆变桥 IPM模块16的21脚、输出电压端子17的3脚连接。+15V与电容U7C8的正极、电容U7C7、二极管U7Z4的阴极以及三相逆变桥IPM模块16的13 脚连接，电容U7C8的负极、二极管U7Z4的阳极、电容U7C7的另一端以及三相逆变桥IPM模块16的16脚、17脚与GND连接，VCC与电阻U7R4 连接，电阻U7R4的另一端与PRO端口、三相逆变桥IPM模块16的14脚连接，电容U7C11的正极与三相逆变桥IPM模块16的24脚、VDC+端口连接，电容U7C11的负极与三相逆变桥IPM模块16的20脚、VDC-端口连接。

如图6所示，所述PWM驱动电路12包括型号为KP101的PWM驱动模块14，PWM驱动模块14将DSP控制板的PWM信号转换为正负两路驱动信号，驱动直流升压电路3中的MOS管，具体连接方式如下：

BTPWM信号端口与电阻U4R1、电容U4C1连接，电阻U4R1、电容 U4C1的另一端与PWM驱动模块14的2脚连接，GND与PWM信号驱动模块14的3脚连接，+15V与PWM信号驱动模块14的4脚、电容U4C3 的正端连接，GND与PWM驱动模块14的5脚、电容U4C3的负端连接， PWM驱动模块14的12脚与稳压二极管U4Z1的阴极连接，稳压二极管U4Z1 的阳极与二极管U4D1的阳极连接，二极管U4D1的阴极与二极管U4D2的阳极连接，二极管U4D2的阴极与InVdc电源端口连接，电阻U4R5连接PWM 驱动模块14的15脚，电阻U4R5的另一端与电阻U4R6、电阻U4R7以及GTPWM端口连接，电阻U4R6另一端接PWM驱动模块14的16脚，电阻 U4R7的一端与电阻U4R5、U4R5及GTPWM端口连接，电阻U4R7的另一端与PWM驱动模块14的17脚连接以及ETPWM端口连接。电阻U4R3 连接PWM信号驱动模块14的18脚，电阻U4R3的另一端与电阻U4R4、光耦15的1脚连接，电阻U4R4接PWM驱动模块14的13脚和光耦15的 2脚。电阻U4R2连接接光耦15的3脚、PRO1端口，另一端与+5V连接，光耦15的4脚与GND连接。

如图7所示，所述信号采集电路主要用于检测电机温度、母线直流电压等信号，由于这些信号已经通过外部传感器变换为0-5V的模拟量，因此只需将0-5V的信号变换为0-3V即可，具体连接关系如下：

信号调理电路(外部传感器)输出的信号Input与电阻R1、R2连接，电阻R2的另一端与GND连接，电阻R1的另一端与电阻R3、电容C1以及运算放大器18的正端连接。电阻R3、电容C1的另一端与GND连接。运算放大器18的负端与自身输出端连接，运算放大器18的输出端与电阻R4 连接，电阻R4的另一端与电容C2、二极管D4的负极、二极管D5的正极连接。电容C2的另一端、二极管D4的正极与GND连接，二极管D5的负极与+3.3V连接。

如图8所示，所述通讯电路的具体连接关系如下：

DSP控制板6的GPIO14、GPIO13分别与隔离芯片19的INA、OUTA 相连接，隔离芯片19的VCCA、GNDA分别与+3.3V和GND连接，隔离芯片19的OUTB、INB分别与通讯芯片20的SCITX、SCIRX端相连接。隔离芯片19的VCCA、GNDA分别与+3.3V和GND连接，隔离芯片19的 VCCB、GNDB分别与+3.3V和DGND连接。通讯芯片20的Tx+、Tx-、Rx+、 Rx-端分别与通讯接口相连接。

在本实用新型无传感器双环启动技术下，永磁同步电机能实现转速电流双环启动，自动完成角度切换，切换过程中无任何电流冲击、转速波动，电机运行非常平稳。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：包括主控机构和永磁同步电机驱动器；所述主控机构包括依次连接的单项交流电源（1）、二极管整流桥（2）、直流升压电路（3）和三相逆变桥（4），三相逆变桥（4）的输出端与永磁同步电机的相连；所述永磁同步电机驱动器包括DSP控制板（6）以及分别与其电连接的供电电源电路（10）、通讯电路（11）、PWM驱动电路（12）和信号采集电路（13），供电电源电路（10）DSP控制板（6）提供直流电，所述通讯电路（11）实现与外部主机的通讯。

2.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述单项交流电源（1）的火线端与二极管整流桥（2）之间串联交流保险丝（8），其零线端与二极管整流桥（2）之间串联平波电抗器（7）。

3.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述直流升压电路（3）的两输出端之间串联母线电容（5）。

4.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述直流升压电路（3）的一个输出端与三相逆变桥（4）的一个输入端之间串联直流保险丝（9）。

5.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述二极管整流桥（2）由四个二极管D1~ D4组成，上桥臂的二极管为D1、D3，下桥臂的二极管为D2、D4，其中二极管D1的正极与二极管D2的负极连接构成一个桥臂，二极管D3的正极与二极管D4的负极连接构成一个桥臂。

6.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述直流升压电路（3）包括MOS管T1以及分别与其漏极连接的电感BTL和二极管BTD，电感BTL另一端接电压输入端，二极管BTD的阴极接电压输出端，MOS管T1的源极接地，MOS管T1的栅极驱动信号由PWM驱动电路（12）产生。

7.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述三相逆变桥（4）包括内部电路和外部电路，内部电路由六个绝缘双极性晶体管Q1~ Q6组成，上桥臂由Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由Q2、Q4、Q6组成，其中Q1的发射极与Q2的集电极连接构成一个桥臂，Q3的发射极与Q4的集电极连接构成一个桥臂，Q5的发射极与Q6的集电极连接构成一个桥臂。

8.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述PWM驱动电路（12）驱动直流升压电路（3）的MOS管。

9.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述信号采集电路（13）接收外部传感器输出的信号并将信号转换为0~3V。

10.根据权利要求1所述的采用无传感器双环启动技术的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述通讯电路（11）包括相互电连接的隔离芯片（19）和通讯芯片（20），通讯芯片（20）另一端连接通讯接口，隔离芯片（19）的另一端连接DSP控制板（6）。

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