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采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统

申请号 CN202011577518.3 申请日 2020-12-28 公开(公告)号 CN114696672A 公开(公告)日 2022-07-01
申请人 核工业理化工程研究院; 发明人 魏振; 姚广; 彭树文; 高亚男; 岳金磊;
摘要 本 发明 公开了一种采用负载转矩前馈补偿的永磁同步 电机 控制系统,控制系统包括主 电路 和控制电路,主电路包括依次连接的三相交流电源、三相半控 整流桥 和三相逆变桥,三相逆变桥的输出端与永磁同步电机的三相连接,三相半控整流桥的两个输出端之间 串联 母线 电容;控制电路包括DSP控制板,以及分别与其连接的整流桥控 制模 块 9、逆变器PWM模块、直流冗余电源、检测保护电路、LCD显示输入单元和存储单元。本发明以表贴式永磁同步电机为研究对象,在转速 电流 双环矢量控制的 基础 上,提出了一种基于负载观测器的永磁同步电机控制系统,将观测的负载转矩进行前馈补偿,实现了同样的控制参数下具有更好的抗扰 动能 力 ,有效地提高了控制系统的鲁棒性。
权利要求

1.一种采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:包括主电路和控制电路,
所述主电路包括依次连接的三相交流电源(1)、三相半控整流桥(2)和三相逆变桥(3),三相逆变桥(3)的输出端与永磁同步电机(4)的三相连接,三相半控整流桥(2)的两个输出端之间串联母线电容(5);
所述控制电路包括DSP控制板(6),以及分别与其连接的整流桥控制模(9)、逆变器PWM模块(10)、直流冗余电源(11)、检测保护电路(12)、LCD显示输入单元(13)和存储单元(14);所述DSP控制板(6)实现对三相半控整流桥(2)的控制;所述整流桥控制模块(9)和逆变器PWM模块(10)分别驱动三相半控整流桥(2)和三相逆变器(3),所述直流冗余电源(11)为DSP控制板(6)和LCD显示输入单元(13)提供直流电源;所述LCD显示输入单元(13)实现永磁同步电机参数的显示和调节功能;所述存储单元(14)存储电机控制器的主要参数。
2.根据权利要求1所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述主电路还包括串联连接的接触器(7)和制动电阻(8),两者串联后与母线电容(5)并联。
3.根据权利要求1所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述三相半控整流桥(2)由三个二极管D1~D3和三个可控G1~G3组成;可控硅G1~G3组成上桥臂,二极管D1~D3组成下桥臂;可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容(5)的正极连接,二极管D1、D2、D3的正极与母线电容(5)的负极连接。
4.根据权利要求1所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述三相逆变桥(3)由六个可控硅Q1~Q6组成,上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成,下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成。
5.根据权利要求1所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述直流冗余电源(11)包括相互连接的直流冗余模块(15)和直流供电电源。
6.根据权利要求5所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述直流供电电源包括Ⅰ号直流模块(16)、Ⅱ号直流模块(17)和Ⅲ号直流模块(18),Ⅰ号直流模块(16)将24V转换为+5V,Ⅱ号直流模块(17)将24V转换为±15V,Ⅲ号直流模块(18)将24V转换为+3.3V。
7.根据权利要求1所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述检测保护电路包括检测电路和保护电路。
8.根据权利要求7所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述检测电路将0~5V的信号变换为0~3V的信号。
9.根据权利要求7所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述保护电路包括Ⅰ号或(20)、Ⅱ号或门(21)和Ⅲ号或门(22),Ⅰ号或门(20)的输入端连接电流电压信号,Ⅱ号或门(21)的输入端连接温度控制信号,Ⅰ号或门(20)和Ⅱ号或门(21)的输出分别与Ⅲ号或门(22)的两个输入端连接,Ⅲ号或门(22)的输出端输出保护信号;保护信号通过三极管输入到制动接触器(7),同时保护信号进入到整流桥模块(9)以及逆变器PWM模块(10)中。
10.根据权利要求1所述的采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,其特征在于:所述LCD显示输入单元(13)包括液晶显示屏、按键输入和通讯芯片(24),通讯芯片(24)一端与DSP控制板(6)连接,另一端连接液晶显示屏。

说明书全文

采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统

技术领域

[0001] 本发明属于交流永磁同步电机控制领域,具体涉及一种采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统。

背景技术

[0002] 交流永磁同步电机具有功率密度大、调节性能优良、可维护性好等优点,广泛应用于工业领域。为保证电机稳定运行,电机的控制系统必须具有抗负载扰动能,不过在很多应用领域中,负载多变且不可预测,传统的PID控制系统很难满足负载的抗扰动需求,导致负载变化时,电机转速震荡、调节周期长甚至无法运行的状况出现。

发明内容

[0003] 本发明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负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统。
[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0005] 一种采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,包括主电路和控制电路,[0006] 所述主电路包括依次连接的三相交流电源、三相半控整流桥和三相逆变桥,三相逆变桥的输出端与永磁同步电机的三相连接,三相半控整流桥的两个输出端之间串联母线电容;
[0007] 所述控制电路包括DSP控制板,以及分别与其连接的整流桥控制模、逆变器PWM模块、直流冗余电源、检测保护电路、LCD显示输入单元和存储单元;所述DSP控制板实现对三相半控整流桥的控制;所述整流桥控制模块和逆变器PWM模块分别驱动三相半控整流桥和三相逆变器,所述直流冗余电源为DSP控制板和LCD显示输入单元提供直流电源;所述LCD显示输入单元实现永磁同步电机参数的显示和调节功能;所述存储单元存储电机控制器的主要参数。
[0008] 在上述技术方案中,所述主电路还包括串联连接的接触器和制动电阻,两者串联后与母线电容并联。
[0009] 在上述技术方案中,所述三相半控整流桥由三个二极管D1~D3和三个可控G1~G3组成;可控硅G1~G3组成上桥臂,二极管D1~D3组成下桥臂;可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容的正极连接,二极管D1、D2、D3的正极与母线电容的负极连接。
[0010] 在上述技术方案中,所述三相逆变桥由六个可控硅Q1~Q6组成,上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成,下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成。
[0011] 在上述技术方案中,所述直流冗余电源包括相互连接的直流冗余模块和直流供电电源。
[0012] 在上述技术方案中,所述直流供电电源包括Ⅰ号直流模块、Ⅱ号直流模块和Ⅲ号直流模块,Ⅰ号直流模块将24V转换为+5V,Ⅱ号直流模块将24V转换为±15V,Ⅲ号直流模块将24V转换为+3.3V。
[0013] 在上述技术方案中,所述检测保护电路包括检测电路和保护电路。
[0014] 在上述技术方案中,所述检测电路将0~5V的信号变换为0~3V的信号。
[0015] 在上述技术方案中,所述保护电路包括Ⅰ号或、Ⅱ号或门和Ⅲ号或门,Ⅰ号或门的输入端连接电流电压信号,Ⅱ号或门的输入端连接温度控制信号,Ⅰ号或门和Ⅱ号或门的输出分别与Ⅲ号或门的两个输入端连接,Ⅲ号或门的输出端输出保护信号;保护信号通过三极管输入到制动接触器,同时保护信号进入到整流桥模块以及逆变器PWM模块中。
[0016] 在上述技术方案中,所述LCD显示输入单元包括液晶显示屏、按键输入和通讯芯片,通讯芯片一端与DSP控制板连接,另一端连接液晶显示屏。
[0017] 本发明的有益效果是:
[0018] 本发明提供了一种采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,以表贴式永磁同步电机为研究对象,在转速电流双环矢量控制的基础上,提出了一种基于负载观测器的永磁同步电机控制系统,将观测的负载转矩进行前馈补偿,实现了同样的控制参数下具有更好的抗扰动能力,有效地提高了控制系统的鲁棒性。附图说明
[0019] 图1是本发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统的结构示意图;
[0020] 图2是本发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统中三相半控整流桥的电路图;
[0021] 图3是本发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统中三相逆变桥的电路图;
[0022] 图4是本发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统中直流冗余电源的结构示意图;
[0023] 图5是本发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统中直流冗余电源的直流供电电源的电路图;
[0024] 图6是本发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统中检测保护电路的检测电路的电路图;
[0025] 图7是本发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统中检测保护电路的保护电路的电路图;
[0026] 图8是本发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统中LCD显示输入单元和存储单元的电路图。
[0027] 其中:
[0028] 1  三相交流电源                 2  三相半控整流桥
[0029] 3  三相逆变桥                   4  永磁同步电机
[0030] 5  母线电容                     6  DSP控制板
[0031] 7  制动接触器                   8  制动电阻
[0032] 9  整流桥控制模块               10  逆变器PWM模块
[0033] 11  直流冗余电源                12  检测保护电路
[0034] 13  LCD显示输入单元             14  存储单元
[0035] 15  直流冗余模块                16  Ⅰ号直流模块
[0036] 17  Ⅱ号直流模块                18  Ⅲ号直流模块
[0037] 19  运算放大器                  20  Ⅰ号或门
[0038] 21  Ⅱ号或门                    22  Ⅲ号或门
[0039] 23  存储芯片                    24  通讯芯片。
[0040] 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

[0041] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案,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发明采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统的技术方案。
[0042] 如图1所示,一种采用负载转矩前馈补偿的永磁同步电机控制系统,包括主电路和控制电路。
[0043] 所述主电路包括依次连接的三相交流电源1、三相半控整流桥2和三相逆变桥3,三相逆变桥3的输出端与永磁同步电机4的三相连接,三相半控整流桥2的两个输出端之间串联母线电容5,制动接触器7和制动电阻8串联连接后并联于母线电容5两端;
[0044] 主电路中三相交流电源1进入三相半控整流桥2,三相半控整流桥2在DSP控制板6和整流桥控制模块9的控制下,将交流电转换为直流电。采用三相半控整流桥代替原有的二极管整流桥,不仅省去了直流接触器、充电电阻等预充电电路器件,简化了硬件结构,而且更能控制母线电容5的充电速率,有效防止充电时发生过流。母线电容5用于稳定直流电压,三相逆变桥3用于永磁同步电机4的矢量控制实现。
[0045] 所述控制电路包括DSP控制板6,以及分别与其连接的整流桥控制模块9、逆变器PWM模块10、直流冗余电源11、检测保护电路12、LCD显示输入单元13和存储单元14;所述DSP控制板6是系统的控制核心,用于三相半控整流桥控制、电压电流、温度等信号采集、PWM信号输出(脉冲宽度调制)、电机控制算法以及人机通讯等功能的实现。整流桥控制模块9和逆变器PWM模块10分别驱动三相半控整流桥2和三相逆变器3。直流冗余电源11为DSP控制板6和LCD显示输入单元13提供直流电源。LCD显示输入13主要用于实现永磁同步电机参数的显示和调节功能。存储单元14主要存储电机控制器的主要参数。逆变器PWM模块10选用塞米控公司的SKHI22AH4R模块,该模块集成驱动和保护电路功能,无需光耦或变压器隔离,可直接将DSP控制板6的PWM信号连接到功率模块,方便应用。整流桥控制模块9采用集成了保护功能的可控硅触发电路,通过DSP控制板6对三相半控整流桥中的可控硅进行关断控制。
[0046] 永磁同步电机控制系统的主电路和控制电路连接方式如图1所示,具体电路连接为:
[0047] 三相交流电源1的U、V、W分别与三相半控整流桥2的1、2、3端连接,三相半控整流桥2的4端与母线电容5的正极、制动接触器7的一端以及三相逆变桥3的1端连接,三相半控整流桥2的5端与母线电容5的负极、制动电阻8的下端以及三相逆变桥3的2端连接。制动接触器7的另一端与制动电阻8的上连接。三相逆变桥3的3、4、5分别与永磁同步电机4的A、B、C相连接。
[0048] 如图2所示,所述三相半控整流桥的具体电路连接如下:
[0049] 三相半控整流桥2由三个二极管D1~D3和三个可控硅G1~G3组成。上桥臂为可控硅G1、G2、G3,下桥臂为二极管为D1、D2、D3,其中可控硅G1的正极与二极管D1的负极连接构成一个桥臂,可控硅G2的正极与二极管D2的负极连接构成一个桥臂,可控硅G3的正极与二极管D3的负极连接构成一个桥臂。可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容5的正极连接,二极管D1、D2、D3的正极与母线电容5的负极连接。
[0050] 如图3所示,所述三相逆变桥3由六个可控硅Q1~Q6组成,上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成,下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成,其中可控硅Q1的发射极与可控硅Q2的集电极连接构成一个桥臂,可控硅Q3的发射极与可控硅Q4的集电极连接构成一个桥臂,可控硅Q5的发射极与可控硅Q6的集电极连接构成一个桥臂。
[0051] 如图4所示,所述直流冗余电源11包括相互连接的直流冗余模块15和直流供电电源。
[0052] 直流冗余模块15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。
[0053] 所述直流冗余模块15输出的24V进入直流供电电源,再通过金升阳公司的Ⅰ~Ⅲ号直流模块16~18(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,具体电路连接如图5所示:
[0054] +24信号分别与电容DVC1、DVC2的正极以及Ⅰ号直流模块16的Vin相连接,电容DVC1、DVC2的负极与GND、Ⅰ号直流模块16的GND相连接,+5V信号、电容DVC3的正极、DVR1的一端与Ⅰ号直流模块16的Vout连接,电容DVC3的负极与DVR1的另一端与Ⅰ号直流模块16的0V连接。
[0055] +24信号分别与电容DVC4、DVC5的正极以及Ⅱ号直流模块17的Vin相连接,电容DVC4、DVC5的负极与GND、Ⅱ号直流模块17的GND相连接,+15V信号、电容DVC6、DVC7的正极与Ⅱ号直流模块17的V+连接,电容DVC6、DVC7的负极与Ⅱ号直流模块17的0V连接。电容DVC8、VC9的正极与Ⅱ号直流模块17的0V连接,‑15V信号、电容DVC8、DVC9的负极与Ⅱ号直流模块17的V‑连接。
[0056] +24信号分别与电容DVC10、DVC11的正极以及Ⅲ号直流模块18的Vin相连接,电容DVC10、DVC11的负极与GND、Ⅲ号直流模块18的GND相连接,+3.3V信号、电容DVC12的正极与Ⅲ号直流模块18的Vout连接,电容DVC12的负极与与GND连接。
[0057] 如图6、7所示,所述检测保护电路12包括检测电路和保护电路,图6为检测电路,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:
[0058] 信号调理电路输出的信号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19的正端连接。电阻R3、电容C1的另一端与GND连接。运算放大器19的负端与自身输出端连接,运算放大器19的输出端与电阻R4、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。
[0059] 图7为保护电路,用于保护信号的产生和系统保护,并控制制动接触器7的吸合,其连接关系如下:
[0060] 电流信号CurFk、电压信号VolFk分别与Ⅰ号或门20的两个输入引脚连接,温度信号Tep、控制信号Ctr分别与Ⅱ号或门21的两个输入引脚连接,Ⅰ号或门20和Ⅱ号或门21的输出分别与Ⅲ号或门22的两个输入引脚连接,Ⅲ号或门22的输出端输出保护信号Pro,同时与电阻R5连接。电阻R5的另一端与发光二极管D6的正极连接,发光二极管D6的负极与GND连接。
[0061] 保护信号Pro与电阻R6的一端连接,电阻R6的另一端与三极管T1的基极连接,三极管T1的发射极与GND连接,T1的集电极与二极管D7的正极、制动接触器7的线圈Ts1的一端连接,二极管D7的负极、制动接触器7的线圈Ts1的另一端与24V连接。
[0062] 同时保护信号Pro进入到整流桥模块9以及逆变器PWM模块10中,一旦出现故障信号,便关断三相半控整流桥,封三相逆变器的PWM信号,并接通制动接触器7,实现系统的硬件保护功能。
[0063] 如图8所示,所述LCD显示输入单元13集成了液晶显示屏和按键输入单元,采用RS232方式与DSP控制板6通讯。图8中存储单元14采用AT2404芯片存储电机控制系统的主要参数。LCD显示输入单元13和存储单元14与DSP控制板6的连接方式如下:
[0064] 存储芯片23的A0、A1、A2、VSS以及WP端与GND连接,VCC端与+5V连接,SCL、SDA端分别与DSP控制板6的GPIO33、GPIO32相连接。DSP控制板6的GPIO14、GPIO13分别与通讯芯片24的SCITX、SCIRX端相连接。通讯芯片24的Tx+、Tx‑、Rx+、Rx‑端分别与LCD显示输入13的2、3、4、6端相连接。
[0065] 本发明利用DSP28335控制板进行软件编程,在原有矢量控制技术的基础上增加了负载转矩前馈补偿环节,采用新的控制算法后,永磁同步电机控制系统能够更好的抑制负载突然变化引起的转速波动,转速超调量更小、调整时间更快,表明负载转矩前馈补偿具有较好的抗扰动能力,提高了电机控制系统性能。
[0066] 申请声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明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发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。