本发明公开了一种超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统及方法。该系统包含两套完全相同的余度控制单元，其中每个包含DSP模块、FPGA模块、AD采样模块、信号调理模块、电平转换模块、通信模块、电源管理模块。方法为：信号调理模块接收直流母线电压和三相定子电压、电流信号，并进行调理；AD采样模块对调理之后的信号进行采样，并通过FPGA模块传送给DSP模块；DSP模块通过闭环的直接转矩控制算法，得到用于驱动系统的6路PWM控制信号；同时判断产生封锁PWM的控制信号；FPGA模块接收6路PWM控制信号，判断是否封锁当前通道FPGA模块的PWM控制信号的输出，并启用另一套余度控制单元。本发明应用于超高速永磁同步电机的冗余容错控制，具有精度高、可靠性强的优点。
1.一种超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，其特征在于，包含两套完全相同的余度控制单元，其中每个余度控制单元内包含DSP模块(1)、FPGA模块(2)、AD采样模块(3)、信号调理模块(4)、电平转换模块(5)、通信模块(6)以及电源管理模块(7)，所述：信号调理模块(4)接收直流母线电压和三相定子电压、电流信号，并进行调理；
AD采样模块(3)在FPGA模块(2)的控制周期，对信号调理模块(4)调理之后的直流母线电压和三相定子电流进行采样，将采样后的数据通过FPGA模块(2)传送给DSP模块(1)；
DSP模块(1)接收上位机发送的速度指令，然后利用AD采样模块(3)采集到的直流母线电压和三相定子电流数据估算出电机速度和转子位置，从而通过闭环的直接转矩控制算法，得到用于驱动系统的6路PWM控制信号；同时DSP模块(1)计算估计转速与上位机输出的目标转速之间的误差，并与上一误差进行比较，若误差持续增大，则输出封锁PWM的控制信号至FPGA模块(2)；
FPGA模块(2)接收DSP模块(1)输出的6路PWM控制信号，同时判断AD采样模块(3)输入的直流母线电压、三相定子电压信号、三相定子电流信号以及电机温度信号，在上述信号达到设定的报警条件或接收到DSP模块(1)所输出的封锁PWM的控制信号时，封锁当前通道FPGA模块(2)PWM控制信号的输出，并启用另一套余度控制单元，将PWM控制信号输出给驱动系统中的驱动隔离模块；
电平转换模块(5)对FPGA模块(2)输出的PWM控制信号进行功率放大；
通信模块(6)用于实现DSP模块(1)和上位机之间的通信；
电源管理模块(7)用于将驱动系统中电源模块输出的电压转换成控制系统中各芯片所需的电压；
所述DSP模块(1)包括时钟电路、复位电路和调试模块，DSP模块(1)根据直流母线电压和定子电流数据估算得到转子速度与转子位置信号，结合上位机经过串口发送的给定转速信号，计算得到超高速永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链及相位角信息；将转矩比较器的误差输入PI调节器获得SVPWM模块所需的参考电压，利用SVPWM模块计算基本电压矢量及其作用时间，输出6路PWM控制信号。
2.根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，其特征在于，所述FPGA模块(2)包含时钟电路和复位电路；
当FPGA模块(2)未从驱动系统获得过压、欠压以及过流的驱动故障信号且PWM信号满足互锁条件时，将经过逻辑判断的PWM控制信号通过驱动系统并行输出给驱动系统；否则，停止此余度控制单元向驱动系统输出PWM控制信号，并将故障标志信号传输到DSP模块(1)，开启备用余度控制单元。
3.根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，其特征在于，所述AD采样模块(3)采用型号为AD7606的AD芯片，在FPGA模块(2)的控制周期对经过信号调理模块(4)之后的霍尔传感器测量的直流母线电压、三相定子电流以及电机运行过程中的定子铁芯温度和驱动板功率器件的运行温度进行采样，输出至FPGA模块(2)进行逻辑判断。
4.根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，其特征在于，所述信号调理模块(4)包括直流母线电压调理电路、三相定子电流调理电路和温度检测调理电路，其中：直流母线电压调理电路由电压跟随器和稳压电路构成，用于调节霍尔电压传感器输出电压；
三相定子电流调理电路采用精密电阻实现三相定子电流信号的采样，并增加了5V的双向稳压管，调节霍尔电流传感器的输出电流；
温度检测调理电路采用表面安装式PT100温度传感器，紧贴驱动系统中待测模块器件对应的散热器来监测驱动系统功率模块的温度，并在超高速永磁同步电机的定子铁芯相邻位置设有测温电阻，监控驱动系统的整流模块和逆变模块的运行状态。
5.根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，其特征在于，所述电平转换模块(5)采用型号为74LCX3245的非反相电平转换收发器，对FPGA模块(2)输出的PWM控制信号进行功率放大，使得FPGA模块(2)输出的6路PWM控制信号经过电平转换后直接驱动电机驱动系统的多个光耦隔离驱动芯片，实现直流电源的逆变处理。
6.根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，其特征在于，所述通信模块(6)包括CAN总线模块、RS485模块以及串口转以太网模块；
调试阶段，DSP模块(1)通过RS485模块上传永磁同步电机转速与电流信息，上位机通过RS485模块下发目标转速；
运行阶段，通过CAN总线模块和串口转以太网模块进行DSP模块(1)与上位机的数据通信，实现同步电机的控制与运行状态监控。
7.根据权利要求1所述的超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，其特征在于，所述电源管理模块(7)用于将驱动系统中电源模块输出的24V电压，转换成控制系统中各芯片所需的+1.2V，+1.5V，+3.3V，±15V电压。
8.一种超高速永磁同步电机的冗余容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别测量驱动系统中的直流母线电压和三相定子电压、电流，并将测量结果输出到信号调理模块(4)；
步骤2，AD采样模块(3)在FPGA模块(2)的控制周期，对经过信号调理模块(4)调理之后的直流母线电压和三相定子电流进行采样，将采样后的数字量数据通过FPGA模块(2)的SPI模块传送给DSP模块(1)；
步骤3，DSP模块(1)根据直流母线电压和定子电流数据估算得到转子速度与转子位置信号，结合上位机经过串口发送的给定转速信号，计算得到超高速永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链及相位角信息；将转矩比较器的误差输入PI调节器获得SVPWM模块所需的参考电压，利用SVPWM模块计算基本电压矢量及其作用时间，输出6路PWM控制信号；同时DSP模块(1)计算估计转速与上位机输出的目标转速之间的误差，并与上一误差进行比较，若误差持续增大，则输出封锁PWM的控制信号至FPGA模块(2)；
步骤4，FPGA模块(2)接收DSP模块(1)输出的6路PWM控制信号，同时判断AD采样模块(3)输入的直流母线电压、三相定子电压信号、三相定子电流信号以及电机温度信号，在上述信号达到设定的报警条件或接收到DSP模块(1)所输出的封锁PWM的控制信号时，封锁当前通道FPGA模块(2)PWM控制信号的输出，并启用另一套余度控制单元，将PWM控制信号输出给驱动系统中的驱动隔离模块；
步骤5，驱动系统接收6路PWM控制信号，将直流电逆变成三相交流电并输出到电机定子侧驱动电机运转。
超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电机技术领域，特别是一种超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统及方法。
背景技术
[0002] 加工技术的迅速发展，推动了高速、高精度数控机床的快速发展，超高速电机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。高速异步感应电机凭借较为成熟的制造工艺已在各个领域中得到广泛应用，同时相应的驱动控制技术也较为成熟。然而由于异步感应电机采用感应式转子，转矩密度相对较低，转子损耗严重，会在高速状态引起转子产生较大的热量，并且存在电机运行效率低、功率密度低、动态响应慢、稳速困难等问题，因此多用在转速低于20000r/min的场合。
[0003] 随着永磁材料的发展，以及电机制造工艺的进一步改善，永磁同步电机已由中低速领域逐渐发展到了高速领域。但目前永磁同步电机由于控制技术的限制大都应用与于中高速场合，无法满足超高速数控机床的要求。与此同时，目前使用较多的单一控制系统在个别部件出现故障时，很容易导致整个系统失控，严重影响加工精度与加工进度。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种能够稳定运行的高可靠性的超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，包含两套完全相同的余度控制单元，其中每个余度控制单元内包含DSP模块(1)、FPGA模块、AD采样模块、信号调理模块、电平转换模块、通信模块、电源管理模块，所述：
[0006] 信号调理模块接收直流母线电压和三相定子电压、电流信号，并进行调理；
[0007] AD采样模块在FPGA模块的控制周期，对信号调理模块调理之后的直流母线电压和三相定子电流进行采样，将采样后的数据通过FPGA模块传送给DSP模块；
[0008] DSP模块接收上位机发送的速度指令，然后利用AD采样模块采集到的直流母线电压和三相定子电流数据估算出电机速度和转子位置，从而通过闭环的直接转矩控制算法，得到用于驱动系统的6路PWM控制信号；同时DSP模块计算估计转速与上位机输出的目标转速之间的误差，并与上一误差进行比较，若误差持续增大，则输出封锁PWM的控制信号至FPGA模块；
[0009] FPGA模块接收DSP模块输出的6路PWM控制信号，同时判断AD采样模块输入的直流母线电压、三相定子电压信号、三相定子电流信号、电机温度信号，在上述信号达到设定的报警条件或接收到DSP模块所输出的封锁PWM的控制信号时，封锁当前通道FPGA模块PWM控制信号的输出，并启用另一套余度控制单元，将PWM控制信号输出给驱动系统中的驱动隔离模块；
[0010] 电平转换模块对FPGA模块输出的PWM控制信号进行功率放大；
[0011] 通信模块用于实现DSP模块和上位机之间的通信；
[0012] 电源管理模块用于将驱动系统中电源模块输出的电压转换成控制系统中各芯片所需的电压。
[0013] 进一步地，所述DSP模块包括时钟电路、复位电路和调试模块，DSP模块根据直流母线电压和定子电流数据估算得到转子速度与转子位置信号，结合上位机经过串口发送的给定转速信号，计算得到超高速永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链及相位角信息；将转矩比较器的误差输入PI调节器获得SVPWM模块所需的参考电压，利用SVPWM模块计算基本电压矢量及其作用时间，输出6路PWM控制信号。
[0014] 进一步地，所述FPGA模块包含时钟电路、复位电路；
[0015] 当FPGA模块未从驱动系统获得过压、欠压、过流的驱动故障信号且PWM信号满足互锁条件时，将经过逻辑判断的PWM控制信号通过驱动系统并行输出给驱动系统；否则，停止此余度控制单元向驱动系统输出PWM控制信号，并将故障标志信号传输到DSP模块，开启备用余度控制单元。
[0016] 进一步地，所述AD采样模块采用型号为AD7606的AD芯片，在FPGA模块的控制周期对经过信号调理模块之后的霍尔传感器测量的直流母线电压、三相定子电流以及电机运行过程中的定子铁芯温度和驱动板功率器件的运行温度进行采样，输出至FPGA模块进行逻辑判断。
[0017] 进一步地，所述信号调理模块包括直流母线电压调理电路、三相定子电流调理电路和温度检测调理电路，其中：
[0018] 直流母线电压调理电路由电压跟随器和稳压电路构成，用于调节霍尔电压传感器输出电压；
[0019] 三相定子电流调理电路采用精密电阻实现三相定子电流信号的采样，并增加了5V的双向稳压管，调节霍尔电流传感器的输出电流；
[0020] 温度检测调理电路采用表面安装式PT100温度传感器，紧贴驱动系统中待测模块器件对应的散热器来监测驱动系统功率模块的温度，并在超高速永磁同步电机的定子铁芯相邻位置设有测温电阻，监控驱动系统的整流模块和逆变模块的运行状态。
[0021] 进一步地，所述电平转换模块采用型号为74LCX3245的非反相电平转换收发器，对FPGA模块输出的PWM控制信号进行功率放大，使得FPGA模块输出的6路PWM控制信号经过电平转换后直接驱动电机驱动系统的多个光耦隔离驱动芯片，实现直流电源的逆变处理。
[0022] 进一步地，所述通信模块包括CAN总线模块、RS485模块以及串口转以太网模块；
[0023] 调试阶段，DSP模块通过RS485模块上传永磁同步电机转速与电流信息，上位机通过RS485模块下发目标转速；
[0024] 运行阶段，通过CAN总线模块和串口转以太网模块进行DSP模块与上位机的数据通信，实现同步电机的控制与运行状态监控。
[0025] 进一步地，所述电源管理模块用于将驱动系统中电源模块输出的24V电压，转换成控制系统中各芯片所需的+1.2V，+1.5V，+3.3V，±15V电压。
[0026] 一种超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，包括以下步骤：
[0027] 步骤1，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别测量驱动系统中的直流母线电压和三相定子电压、电流，并将测量结果输出到信号调理模块；
[0028] 步骤2，AD采样模块在FPGA模块的控制周期，对经过信号调理模块调理之后的直流母线电压和三相定子电流进行采样，将采样后的数字量数据通过FPGA模块的SPI模块传送给DSP模块；
[0029] 步骤3，DSP模块根据直流母线电压和定子电流数据估算得到转子速度与转子位置信号，结合上位机经过串口发送的给定转速信号，计算得到超高速永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链及相位角信息；将转矩比较器的误差输入PI调节器获得SVPWM模块所需的参考电压，利用SVPWM模块计算基本电压矢量及其作用时间，输出6路PWM控制信号；同时DSP模块计算估计转速与上位机输出的目标转速之间的误差，并与上一误差进行比较，若误差持续增大，则输出封锁PWM的控制信号至FPGA模块；
[0030] 步骤4，FPGA模块接收DSP模块输出的6路PWM控制信号，同时判断AD采样模块输入的直流母线电压、三相定子电压信号、三相定子电流信号、电机温度信号，在上述信号达到设定的报警条件或接收到DSP模块所输出的封锁PWM的控制信号时，封锁当前通道FPGA模块PWM控制信号的输出，并启用另一套余度控制单元，将PWM控制信号输出给驱动系统中的驱动隔离模块；
[0031] 步骤5，驱动系统接收6路PWM控制信号，将直流电逆变成三相交流电并输出到电机定子侧驱动电机运转。
[0032] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用双余度冗余控制，使用单独每一通道控制单元时电机转速达到20000r/min；(2)某一套控制单元发生故障时可稳定转换使用另一套控制单元运行，有更宽的调速范围和更高的可靠性。
附图说明
[0033] 图1为本发明超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统的硬件结构图。
[0034] 图2为单余度控制单元的结构框图。
[0035] 图3为FPGA接口关系示意图。
[0036] 图4为主备单元冗余容错处理方案框图。
具体实施方式
[0037] 结合图1～4，本发明超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，包含两套完全相同的余度控制单元，其中每个余度控制单元内包含DSP模块1、FPGA模块2、AD采样模块3、信号调理模块4、电平转换模块5、通信模块6、电源管理模块7，所述：
[0038] 信号调理模块4接收直流母线电压和三相定子电压、电流信号，并进行调理；
[0039] AD采样模块3在FPGA模块2的控制周期，对信号调理模块4调理之后的直流母线电压和三相定子电流进行采样，将采样后的数据通过FPGA模块2传送给DSP模块1；
[0040] DSP模块1接收上位机发送的速度指令，然后利用AD采样模块3采集到的直流母线电压和三相定子电流数据估算出电机速度和转子位置，从而通过闭环的直接转矩控制算法，得到用于驱动系统的6路PWM控制信号；同时DSP模块1计算估计转速与上位机输出的目标转速之间的误差，并与上一误差进行比较，若误差持续增大，则输出封锁PWM的控制信号至FPGA模块2；
[0041] FPGA模块2接收DSP模块1输出的6路PWM控制信号，同时判断AD采样模块3输入的直流母线电压、三相定子电压信号、三相定子电流信号、电机温度信号，在上述信号达到设定的报警条件或接收到DSP模块1所输出的封锁PWM的控制信号时，封锁当前通道FPGA模块2PWM控制信号的输出，并启用另一套余度控制单元，将PWM控制信号输出给驱动系统中的驱动隔离模块；
[0042] 电平转换模块5对FPGA模块2输出的PWM控制信号进行功率放大；
[0043] 通信模块6用于实现DSP模块1和上位机之间的通信；
[0044] 电源管理模块7用于将驱动系统中电源模块输出的电压转换成控制系统中各芯片所需的电压。
[0045] 作为一种具体示例，所述DSP模块1包括时钟电路、复位电路和调试模块，DSP模块1根据直流母线电压和定子电流数据估算得到转子速度与转子位置信号，结合上位机经过串口发送的给定转速信号，计算得到超高速永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链及相位角信息；将转矩比较器的误差输入PI调节器获得SVPWM模块所需的参考电压，利用SVPWM模块计算基本电压矢量及其作用时间，输出6路PWM控制信号。
[0046] 作为一种具体示例，所述FPGA模块2包含时钟电路、复位电路；
[0047] 当FPGA模块2未从驱动系统获得过压、欠压、过流的驱动故障信号且PWM信号满足互锁条件时，将经过逻辑判断的PWM控制信号通过驱动系统并行输出给驱动系统；否则，停止此余度控制单元向驱动系统输出PWM控制信号，并将故障标志信号传输到DSP模块1，开启备用余度控制单元。
[0048] 作为一种具体示例，所述AD采样模块3采用型号为AD7606的AD芯片，在FPGA模块2的控制周期对经过信号调理模块4之后的霍尔传感器测量的直流母线电压、三相定子电流以及电机运行过程中的定子铁芯温度和驱动板功率器件的运行温度进行采样，输出至FPGA模块2进行逻辑判断。
[0049] 作为一种具体示例，所述信号调理模块4包括直流母线电压调理电路、三相定子电流调理电路和温度检测调理电路，其中：
[0050] 直流母线电压调理电路由电压跟随器和稳压电路构成，用于调节霍尔电压传感器输出电压；
[0051] 三相定子电流调理电路采用精密电阻实现三相定子电流信号的采样，并增加了5V的双向稳压管，调节霍尔电流传感器的输出电流；
[0052] 温度检测调理电路采用表面安装式PT100温度传感器，紧贴驱动系统中待测模块器件对应的散热器来监测驱动系统功率模块的温度，并在超高速永磁同步电机的定子铁芯相邻位置设有测温电阻，监控驱动系统的整流模块和逆变模块的运行状态。
[0053] 作为一种具体示例，所述电平转换模块5采用型号为74LCX3245的非反相电平转换收发器，对FPGA模块2输出的PWM控制信号进行功率放大，使得FPGA模块2输出的6路PWM控制信号经过电平转换后直接驱动电机驱动系统的多个光耦隔离驱动芯片，实现直流电源的逆变处理。
[0054] 作为一种具体示例，所述通信模块6包括CAN总线模块、RS485模块以及串口转以太网模块；
[0055] 调试阶段，DSP模块1通过RS485模块上传永磁同步电机转速与电流信息，上位机通过RS485模块下发目标转速；
[0056] 运行阶段，通过CAN总线模块和串口转以太网模块进行DSP模块1与上位机的数据通信，实现同步电机的控制与运行状态监控。
[0057] 作为一种具体示例，所述电源管理模块7用于将驱动系统中电源模块输出的24V电压，转换成控制系统中各芯片所需的+1.2V，+1.5V，+3.3V，±15V电压。
[0058] 一种超高速永磁同步电机的冗余容错控制系统，包括以下步骤：
[0059] 步骤1，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别测量驱动系统中的直流母线电压和三相定子电压、电流，并将测量结果输出到信号调理模块4；
[0060] 步骤2，AD采样模块3在FPGA模块2的控制周期，对经过信号调理模块4调理之后的直流母线电压和三相定子电流进行采样，将采样后的数字量数据通过FPGA模块2的SPI模块传送给DSP模块1；
[0061] 步骤3，DSP模块1根据直流母线电压和定子电流数据估算得到转子速度与转子位置信号，结合上位机经过串口发送的给定转速信号，计算得到超高速永磁同步电机的电磁转矩、定子磁链及相位角信息；将转矩比较器的误差输入PI调节器获得SVPWM模块所需的参考电压，利用SVPWM模块计算基本电压矢量及其作用时间，输出6路PWM控制信号；同时DSP模块1计算估计转速与上位机输出的目标转速之间的误差，并与上一误差进行比较，若误差持续增大，则输出封锁PWM的控制信号至FPGA模块2；
[0062] 步骤4，FPGA模块2接收DSP模块1输出的6路PWM控制信号，同时判断AD采样模块3输入的直流母线电压、三相定子电压信号、三相定子电流信号、电机温度信号，在上述信号达到设定的报警条件或接收到DSP模块1所输出的封锁PWM的控制信号时，封锁当前通道FPGA模块2PWM控制信号的输出，并启用另一套余度控制单元，将PWM控制信号输出给驱动系统中的驱动隔离模块；
[0063] 步骤5，驱动系统接收6路PWM控制信号，将直流电逆变成三相交流电并输出到电机定子侧驱动电机运转。
[0064] 实施例1
[0065] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明：
[0066] 结合图1，超高速永磁同步电机冗余容错控制系统包括两套完全相同的控制器A和B，经过两套完全相同的驱动系统实现超高速永磁同步电机的超高速驱动控制。
[0067] 结合图2，超高速永磁同步电机控制系统中的每个余度控制单元内包含DSP模块1、FPGA模块2、AD采样模块3、信号调理模块4、电平转换模块5、通信模块6、电源管理模块7，同时设计了主备控制单元间的容错处理方案。
[0068] DSP模块1主要由时钟电路、复位电路和调试模块组成，用于接收上位机发送的速度指令，然后利用AD采样模块3采集到的直流母线电压和定子三相电流信号数据估算出电机速度和转子位置，从而通过闭环的直接转矩控制算法，得到用于驱动系统的6路PWM控制信号量。
[0069] FPGA模块2也包含时钟电路、复位电路等芯片基本工作部分，如图3所示。FPGA模块2作为辅助决策机构，当其未从驱动系统获得过压、欠压、过流等驱动故障信号并且PWM信号满足互锁条件时，将经过逻辑判断的PWM控制信号通过驱动系统并行输出给驱动系统，否则停止此控制单元向驱动系统输出PWM控制信号，并将故障标志信号传输到DSP模块1，开启备用控制单元，使用备用驱动控制系统，保证超高速永磁同步电机系统的安全持续运行。FPGA模块2控制AD采样模块3的工作时序并从中读取经过转换的直流母线电压和定子三相电流数据输出至DSP模块1进行转速估计。
[0070] AD采样模块3采用型号为AD7606的AD芯片，在FPGA控制周期内对经过信号调理模块4调理之后的霍尔传感器测量的直流母线电压、定子三相电流以及电机运行过程中的定子铁芯温度和驱动板功率器件的运行温度进行采样，输出至FPGA模块2进行逻辑判断。
[0071] 信号调理模块4包括直流母线电压调理电路、三相定子电流调理电路和温度检测调理电路。其中，直流母线电压调理电路由电压跟随器和稳压电路构成，使霍尔电压传感器输出电压更加平稳。定子三相电流调理电路采用高精度精密电阻实现定子三相电流信号的采样，并增加了5V的双向稳压管，保证了霍尔电流传感器的输出电流稳定。温度检测调理电路采用表面安装式PT100温度传感器紧贴驱动系统中待测模块器件附近的散热器来监测驱动系统功率模块的温度，并在超高速永磁同步电机的定子铁芯附近内置测温电阻，准确地监控驱动系统的整流模块和逆变模块的运行状态。
[0072] 电平转换模块5采用型号为74LCX3245的非反相电平转换收发器，对FPGA模块2输出的PWM控制信号进行功率放大，使得FPGA模块2输出的6路PWM信号经过电平转换后可以直接驱动电机驱动系统的多个光耦隔离驱动芯片，实现直流电源的逆变处理。
[0073] 通信模块6包括CAN总线模块、RS485模块以及串口转以太网模块。调试阶段，DSP模块1通过RS485模块上传永磁同步电机转速与电流信息，上位机通过RS485模块下发目标转速，简单易行。运行阶段，上述信息则通过CAN总线模块和串口转以太网模块进行DSP模块与上位机的数据通信，实现同步电机的控制与运行状态监控。
[0074] 电源管理模块7用于将驱动系统中电源模块输出的24V电压转换成控制系统中各芯片所需的+1.2V，+1.5V，+3.3V，±15V等电压，保证控制系统的正常运转。
[0075] 所述冗余容错处理方案包括判错处理机制和互锁机制，如图4所示。判错处理机制包括硬件判错和软件判错，当FPGA模块2从驱动系统获得过压、欠压、过流等故障信号判为驱动系统故障，此为硬件判错。在DSP模块1中计算估计转速与上位机所要求的转速误差，并与上一误差进行比较，若其持续增大则判为控制器故障，此为软件判错。判错成功会关闭当前控制单元并开启备用控制单元，保证超高速永磁同步电机系统的安全持续运行。同时，为了保证同一时间有且只有一套控制单元运行，增加了互锁机制，两控制单元都给出互锁逻辑信号，使得当一套控制单元运行时，另一控制单元机构严格关断，实现了双余度控制系统的稳定运行。
[0076] 进一步，超高速永磁同步电机控制系统单周期总体工作流程如下：
[0077] 步骤1，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别测量驱动系统中的直流母线电压和三相定子电压、电流，并将测量结果输出到信号调理模块4。
[0078] 步骤2，AD模块3在FPGA模块的控制周期对经过信号调理模块4调理之后对的直流母线电压和定子电流进行采样，将采样后的数字量数据通过FPGA模块2的SPI模块传送给DSP模块1。
[0079] 步骤3，DSP模块1根据直流母线电压和定子电流数据估算得到的转子速度与转子位置信号，结合上位机经过串口发送的给定转速信号，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等信息。将转矩比较器的误差输入PI调节器获得SVPWM模块所需的参考电压。利用SVPWM模块计算基本电压矢量及其作用时间，输出6路PWM控制信号。同时DSP模块1计算估计转速与上位机输出的目标转速之间的误差，并与上一误差进行比较，若误差持续增大，则输出封锁PWM的控制信号至FPGA模块2。
[0080] 步骤4，FPGA模块1接收DSP模块2输出的6路PWM控制信号，同时判断AD模块3输入的定子三相电压、电流、母线电压、电机温度信号，在上述信号达到设定的报警条件或接收到DSP模块1的封锁信号时，封锁当前通道的FPGA模块PWM控制信号的输出，并启用另一套控制单元，则将PWM控制信号量输出给驱动系统中的驱动隔离模块。
[0081] 步骤5，驱动系统接收6路PWM控制信号，将直流电逆变成三相交流电并输出到电机定子侧驱动电机稳定高速运转。
[0082] 综上所述，本系统采用双余度冗余控制，使用单独每一通道控制单元时电机转速达到20000r/min，某一套控制单元发生故障时可稳定转换使用另一套控制单元运行，相较于普通电机系统有更宽的调速范围和更高的可靠性。
