專利名稱：交流永磁同步電機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交流永磁同步電機(jī)控制器，電動(dòng)汽車、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、空 調(diào)等領(lǐng)域均可使用該控制器。
背景技術(shù)：
控制器是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要的組成部分，決定著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)良與 否。近十年來，主要發(fā)展交流異步電機(jī)控制器和無刷永磁電機(jī)控制器。與原有的直流牽引 電機(jī)控制器相比，具有明顯優(yōu)勢，其突出優(yōu)點(diǎn)是效率高、基本免維護(hù)、調(diào)速范圍廣。其研究開 發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如下。1.異步電機(jī)控制器異步電機(jī)控制器的特點(diǎn)是堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠，可實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低噪 聲，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高。異步電機(jī)控制器的矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，因此 被較早應(yīng)用于電動(dòng)汽車，目前仍然是電動(dòng)汽車控制器的主流產(chǎn)品(尤其在美國)，但已被其 它新型無刷永磁牽引電機(jī)控制器逐步取代。最大缺點(diǎn)是控制器電路復(fù)雜，控制效率不高，不 利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2.無刷永磁同步電機(jī)控制器無刷永磁同步電機(jī)控制器具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展 前景十分廣闊，在電動(dòng)車輛牽引電機(jī)控制器中是強(qiáng)有力的競爭者，已在國內(nèi)外多種電動(dòng)車 輛中獲得應(yīng)用。最大的缺點(diǎn)是控制精度不高，因此通常應(yīng)用在一些對(duì)精度要求較低的場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊牢固、電路簡單 成本低、性能可靠以及在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制效率和控制精度都比較高的交流永磁同步 電機(jī)控制器。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種交流永磁同步電機(jī)控制器，包括DSP微處理器、功率變化器、交流永磁同步電 機(jī)及位置檢測器和電流檢測器，所述位置檢測器將其檢測到的交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位 置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)由DSP微處理器的QEP單元輸入，所述電流檢測器將其檢測到的交 流永磁同步電機(jī)的電流信號(hào)由DSP微處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口輸入，所述DSP微處理器根 據(jù)輸入的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)計(jì)算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比 較，得出相應(yīng)的控制信號(hào)控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號(hào)經(jīng)功率變化器驅(qū)動(dòng)交流永磁同 步電機(jī)。所述功率變化器采用三相逆變橋式結(jié)構(gòu)，當(dāng)控制器電壓低于200V時(shí)，所述功率變 化器采用MOSFET逆變器，當(dāng)控制器電壓高于200V時(shí)，所述功率變化器采用IGBT逆變器。所述位置檢測器采用增量式光電編碼器，其輸出3對(duì)差分信號(hào)A+、A-，B+、B-，Z+、 Z-；其中A相和B相信號(hào)正交，判斷兩個(gè)信號(hào)相位差即可判斷交流永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，Z相信號(hào)是零位信號(hào)，增量式光電編碼器每旋轉(zhuǎn)1圈經(jīng)過零位輸出1個(gè)脈沖。所述電流檢測器包括霍爾傳感器、運(yùn)算放大器A、運(yùn)算放大器B和運(yùn)算放大器C，所 述交流永磁同步電機(jī)的相電流由霍爾傳感器檢測，檢測信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器A進(jìn)行電流/電 壓轉(zhuǎn)換后輸出負(fù)電壓，隨后加到運(yùn)算放大器B的輸入端，對(duì)該負(fù)電壓進(jìn)行反向和比例放大， 最后經(jīng)過運(yùn)算放大器C進(jìn)行電平偏移，使得輸出電壓范圍調(diào)成0 3V。所述功率變化器的電路中設(shè)有過流保護(hù)電路，所述過流保護(hù)電路主要通過一集成 電壓比較器LM393來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，F(xiàn)AULT端高阻，集成電壓比較器LM393的正輸 入端電壓高于負(fù)輸入端電壓，輸出端輸出高電平；當(dāng)電機(jī)工作于過流狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)AULT端輸出 低電平，使得集成電壓比較器LM393的正輸入端電壓低于負(fù)輸入端電壓，輸出端電壓反轉(zhuǎn)， 觸發(fā)DSP微處理器的PWM輸出端處于高阻狀態(tài)，功率變化器停止工作。所述DSP微處理器主要由CPU、片內(nèi)5M字RAM與8K字Flash EPR0M、事件管理器 和片內(nèi)外設(shè)接口組成。還包括有PC上位機(jī)、鍵盤和LED顯示，所述DSP微處理器用SCI接口完成與PC上 位機(jī)的串行通訊功能，所述鍵盤和LED顯示分別與DSP微處理器的I/O擴(kuò)展接口和SPI接
口相接。所述功率變換器中設(shè)置有具有濾波功能和回饋能量存儲(chǔ)功能的電容。本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，因而相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1，通過選用運(yùn)算速度快的DSP微處理器以及快恢復(fù)、快響應(yīng)的三相橋式功率變換 器，以及對(duì)各種參數(shù)的優(yōu)化配合，提高了交流永磁同步電機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩，使其無異步電機(jī)起 動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的電流沖擊現(xiàn)象。2，提高位置及電流檢測器對(duì)信號(hào)采樣的精確度，從而對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行準(zhǔn)確的控 制。3，對(duì)于不同的電池電壓，靈活采用不同的主電路功率原件，提高控制器的運(yùn)行效 率，減少了控制器的發(fā)熱，增加了車輛的續(xù)航里程。4，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，主電路以數(shù)字電路為主，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)。5，能實(shí)現(xiàn)電能回饋功能。剎車、減速或下坡滑行時(shí)將電機(jī)產(chǎn)生的能量反饋給電池， 起到反充電的效果，從而對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，延長了電池的使用壽命。6，調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性，也可以實(shí)現(xiàn) 交流永磁同步電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩控制，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。圖1為本發(fā)明交流永磁同步電機(jī)控制器的控制原理圖；圖2為本發(fā)明中增量式光電編碼器的連接線路圖，圖中僅示出了 A相的電路連 接；圖3為本發(fā)明中的電流檢測電路；圖4為本發(fā)明中的過電流保護(hù)電路。
具體實(shí)施例方式參照圖1，按照本發(fā)明提供的交流永磁同步電機(jī)控制器，包括DSP微處理器(型號(hào) TMS320F243)、功率變化器、交流永磁同步電機(jī)及位置檢測器和電流檢測器，位置檢測器和 電流檢測器用于監(jiān)測交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)子速度和相電流，工作時(shí)，位置檢測 器將其檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)由DSP微處理器的QEP單元輸入，電流檢測 器將其檢測到的電流信號(hào)由DSP微處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口輸入，DSP微處理器根據(jù)輸入的 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)計(jì)算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比較，得出 相應(yīng)的控制信號(hào)控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號(hào)經(jīng)功率變化器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)， 從而保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。所述功率變化器采用三相逆變橋式結(jié)構(gòu)，屬于能量回收型，其間的電容具有濾波 功能和回饋能量的存儲(chǔ)功能，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。當(dāng)控制器電壓低于200V時(shí)，所 述功率變化器采用MOSFET逆變器，當(dāng)控制器電壓高于200V時(shí)，所述功率變化器采用IGBT 逆變器，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高效率控制。所述位置檢測器采用增量式光電編碼器，其輸出3對(duì)差分信號(hào)A+、A-，B+、B-，Z+、 Ζ-。其中A相和B相信號(hào)正交，判斷兩個(gè)信號(hào)相位差即可判斷交流永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方 向，Z相信號(hào)是零位信號(hào)，增量式光電編碼器每旋轉(zhuǎn)1圈經(jīng)過零位輸出1個(gè)脈沖。圖2為A 相電路連接圖，A+、A-差分信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器反相加強(qiáng)后，分別輸入電壓比較器的反相、 同相輸入端，經(jīng)過電壓比較后，輸出端得到A相有效電平，該信號(hào)直接輸入DSP微處理器。B 相和Z相的處理方法與A相相同，在這里就不重復(fù)說明。獲得準(zhǔn)確的Α、B、Z輸入信號(hào)后， DSP就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)向判斷、位置和轉(zhuǎn)速計(jì)算。所述電流檢測器包括霍爾傳感器、運(yùn)算放大器Α、運(yùn)算放大器B和運(yùn)算放大器C。 電流檢測電路如圖3所示，交流永磁同步電機(jī)的相電流由霍爾傳感器檢測，檢測信號(hào)Ju經(jīng) 運(yùn)算放大器A進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換后輸出，根據(jù)運(yùn)算放大器的工作原理可知輸出為負(fù)電壓。 隨后，電壓加到運(yùn)算放大器B的輸入端，對(duì)該負(fù)電壓進(jìn)行反向和比例放大。由于微處理器 TMS320F243的A/D輸入電壓范圍是0 3V，所以運(yùn)算放大器B輸出的電壓不能直接輸入 DSP,還需要經(jīng)過運(yùn)算放大器C進(jìn)行電平偏移，如圖3所示，在運(yùn)算放大器C的同相輸入端疊 加了 1. 5V的偏壓，使得輸出電壓范圍調(diào)成0 3V。相電流過流是電機(jī)運(yùn)行時(shí)常遇到的問題，它不但影響到電機(jī)的正常運(yùn)行，高負(fù)荷、 長時(shí)間的過流還可能燒壞功率變換器，對(duì)操作人員的人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此，本發(fā)明 在功率變化器的電路中設(shè)有過流保護(hù)電路。如圖4所示，過流保護(hù)電路主要通過一集成電 壓比較器LM393來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，F(xiàn)AULT端高阻，集成電壓比較器LM393的正輸 入端(11+)電壓為+15V，負(fù)輸入端(I1-)為+7. 5V，正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓，輸出 端(01)輸出高電平；當(dāng)電機(jī)工作于過流狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)AULT端輸出低電平，使得集成電壓比較器 LM393的正輸入端(11+)鉗位在低電平，而負(fù)輸入端(I1-)仍然為+7. 5V，正輸入端電壓低 于負(fù)輸入端，輸出端(01)電壓反轉(zhuǎn)，觸發(fā)DSP微處理器的PWM輸出端處于高阻狀態(tài)，功率變 化器停止工作。所述DSP微處理器主要由CPU、片內(nèi)5M字RAM與8K字Flash EPR0M、事件管理器 和片內(nèi)外設(shè)接口組成。如圖1所示，該控制器還包括有PC上位機(jī)、鍵盤和LED顯示，DSP微 處理器用SCI接口完成與PC上位機(jī)的串行通訊功能，通過PC上位機(jī)可以設(shè)定參考給定位置、速度、電流，也可將位置、速度、電流反饋檢測量實(shí)時(shí)傳送到PC上位機(jī)顯示，也可以通過 數(shù)字I/O擴(kuò)展的鍵盤設(shè)定給定量，由SPI接口完成串行驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示功能。
上述實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種交流永磁同步電機(jī)控制器，其特征在于包括DSP微處理器、功率變化器、交流 永磁同步電機(jī)及位置檢測器和電流檢測器，所述位置檢測器將其檢測到的交流永磁同步電 機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)由DSP微處理器的QEP單元輸入，所述電流檢測器將其 檢測到的交流永磁同步電機(jī)的電流信號(hào)由DSP微處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口輸入，所述DSP微 處理器根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)計(jì)算出電流的給定值，再與輸入的電流檢 測值相比較，得出相應(yīng)的控制信號(hào)控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號(hào)經(jīng)功率變化器驅(qū)動(dòng)交 流永磁同步電機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的交流永磁同步電機(jī)控制器，其特征在于所述功率變化器采用 三相逆變橋式結(jié)構(gòu)，當(dāng)控制器電壓低于200V時(shí)，所述功率變化器采用MOSFET逆變器，當(dāng)控 制器電壓高于200V時(shí)，所述功率變化器采用IGBT逆變器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的交流永磁同步電機(jī)控制器，其特征在于所述位置檢測器 采用增量式光電編碼器，其輸出3對(duì)差分信號(hào)A+、A-，B+、B-，Z+、Z-；其中A相和B相信號(hào) 正交，判斷兩個(gè)信號(hào)相位差即可判斷交流永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，Z相信號(hào)是零位信號(hào)， 增量式光電編碼器每旋轉(zhuǎn)1圈經(jīng)過零位輸出1個(gè)脈沖。
4.如權(quán)利要求所述3的交流永磁同步電機(jī)控制器，其特征在于所述電流檢測器包括 霍爾傳感器、運(yùn)算放大器A、運(yùn)算放大器B和運(yùn)算放大器C，所述交流永磁同步電機(jī)的相電流 由霍爾傳感器檢測，檢測信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器A進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換后輸出負(fù)電壓，隨后加到 運(yùn)算放大器B的輸入端，對(duì)該負(fù)電壓進(jìn)行反向和比例放大，最后經(jīng)過運(yùn)算放大器C進(jìn)行電平 偏移，使得輸出電壓范圍調(diào)成0 3V。
5.如權(quán)利要求4所述的交流永磁同步電機(jī)控制器，其特征在于所述功率變化器的電 路中設(shè)有過流保護(hù)電路，所述過流保護(hù)電路主要通過一集成電壓比較器LM393來實(shí)現(xiàn)，當(dāng) 電機(jī)正常工作時(shí)，F(xiàn)AULT端高阻，集成電壓比較器LM393的正輸入端(11+)電壓高于負(fù)輸入 端(I1-)電壓，輸出端(01)輸出高電平；當(dāng)電機(jī)工作于過流狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)AULT端輸出低電平， 使得集成電壓比較器LM393的正輸入端(11+)電壓低于負(fù)輸入端(I1-)電壓，輸出端(01) 電壓反轉(zhuǎn)，觸發(fā)DSP微處理器的PWM輸出端處于高阻狀態(tài)，功率變化器停止工作。
6.如權(quán)利要求1或2所述的交流永磁同步電機(jī)控制器，其特征在于所述DSP微處理 器主要由CPU、片內(nèi)5M字RAM與8K字Flash EPR0M、事件管理器和片內(nèi)外設(shè)接口組成。
7.如權(quán)利要求1或2所述的交流永磁同步電機(jī)控制器，其特征在于還包括有PC上位 機(jī)、鍵盤和LED顯示，所述DSP微處理器用SCI接口完成與PC上位機(jī)的串行通訊功能，所述 鍵盤和LED顯示分別與DSP微處理器的I/O擴(kuò)展接口和SPI接口相接。
8.如權(quán)利要求2所述的交流永磁同步電機(jī)控制器，其特征在于所述功率變換器中設(shè) 置有具有濾波功能和回饋能量存儲(chǔ)功能的電容。
全文摘要
一種交流永磁同步電機(jī)控制器，包括DSP微處理器、功率變化器、交流永磁同步電機(jī)及位置檢測器和電流檢測器，所述位置檢測器將其檢測到的交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)由DSP微處理器的QEP單元輸入，所述電流檢測器將其檢測到的交流永磁同步電機(jī)的電流信號(hào)由DSP微處理器的QEP的A/D轉(zhuǎn)換接口輸入，所述DSP微處理器根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)子速度信號(hào)計(jì)算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比較，得出相應(yīng)的控制信號(hào)控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號(hào)經(jīng)功率變化器驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊牢固、電路簡單成本低、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定以及調(diào)速范圍寬、高效率、高精度等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P6/16GK102064753SQ20091021109
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者程基江 申請人:程基江