[發明專利]超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統及方法

有效

• 申請號: 201710989086.9
• 申請日: 2017-10-22
• 公開（公告）號: CN107547025B
• 公開（公告）日: 2019-01-11
• 發明（設計）人: 郭健;黃迪;吳益飛;林立斌;王天野;薛舒嚴;錢抒婷;沈宏麗;周夢蘭;洪宇
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P6/06
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 孟睿

1.一種超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統，其特征在于，包含兩套完全相同的余度控制單元，其中每個余度控制單元內包含DSP模塊(1)、FPGA模塊(2)、AD采樣模塊(3)、信號調理模塊(4)、電平轉換模塊(5)、通信模塊(6)以及電源管理模塊(7)，所述：

信號調理模塊(4)接收直流母線電壓和三相定子電壓、電流信號，并進行調理；

AD采樣模塊(3)在FPGA模塊(2)的控制周期，對信號調理模塊(4)調理之后的直流母線電壓和三相定子電流進行采樣，將采樣后的數據通過FPGA模塊(2)傳送給DSP模塊(1)；

DSP模塊(1)接收上位機發送的速度指令，然后利用AD采樣模塊(3)采集到的直流母線電壓和三相定子電流數據估算出電機速度和轉子位置，從而通過閉環的直接轉矩控制算法，得到用于驅動系統的6路PWM控制信號；同時DSP模塊(1)計算估計轉速與上位機輸出的目標轉速之間的誤差，并與上一誤差進行比較，若誤差持續增大，則輸出封鎖PWM的控制信號至FPGA模塊(2)；

FPGA模塊(2)接收DSP模塊(1)輸出的6路PWM控制信號，同時判斷AD采樣模塊(3)輸入的直流母線電壓、三相定子電壓信號、三相定子電流信號以及電機溫度信號，在上述信號達到設定的報警條件或接收到DSP模塊(1)所輸出的封鎖PWM的控制信號時，封鎖當前通道FPGA模塊(2)PWM控制信號的輸出，并啟用另一套余度控制單元，將PWM控制信號輸出給驅動系統中的驅動隔離模塊；

電平轉換模塊(5)對FPGA模塊(2)輸出的PWM控制信號進行功率放大；

通信模塊(6)用于實現DSP模塊(1)和上位機之間的通信；

電源管理模塊(7)用于將驅動系統中電源模塊輸出的電壓轉換成控制系統中各芯片所需的電壓；

所述DSP模塊(1)包括時鐘電路、復位電路和調試模塊，DSP模塊(1)根據直流母線電壓和定子電流數據估算得到轉子速度與轉子位置信號，結合上位機經過串口發送的給定轉速信號，計算得到超高速永磁同步電機的電磁轉矩、定子磁鏈及相位角信息；將轉矩比較器的誤差輸入PI調節器獲得SVPWM模塊所需的參考電壓，利用SVPWM模塊計算基本電壓矢量及其作用時間，輸出6路PWM控制信號。

2.根據權利要求1所述的超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統，其特征在于，所述FPGA模塊(2)包含時鐘電路和復位電路；

當FPGA模塊(2)未從驅動系統獲得過壓、欠壓以及過流的驅動故障信號且PWM信號滿足互鎖條件時，將經過邏輯判斷的PWM控制信號通過驅動系統并行輸出給驅動系統；否則，停止此余度控制單元向驅動系統輸出PWM控制信號，并將故障標志信號傳輸到DSP模塊(1)，開啟備用余度控制單元。

3.根據權利要求1所述的超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統，其特征在于，所述AD采樣模塊(3)采用型號為AD7606的AD芯片，在FPGA模塊(2)的控制周期對經過信號調理模塊(4)之后的霍爾傳感器測量的直流母線電壓、三相定子電流以及電機運行過程中的定子鐵芯溫度和驅動板功率器件的運行溫度進行采樣，輸出至FPGA模塊(2)進行邏輯判斷。

4.根據權利要求1所述的超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統，其特征在于，所述信號調理模塊(4)包括直流母線電壓調理電路、三相定子電流調理電路和溫度檢測調理電路，其中：

直流母線電壓調理電路由電壓跟隨器和穩壓電路構成，用于調節霍爾電壓傳感器輸出電壓；

三相定子電流調理電路采用精密電阻實現三相定子電流信號的采樣，并增加了5V的雙向穩壓管，調節霍爾電流傳感器的輸出電流；

溫度檢測調理電路采用表面安裝式PT100溫度傳感器，緊貼驅動系統中待測模塊器件對應的散熱器來監測驅動系統功率模塊的溫度，并在超高速永磁同步電機的定子鐵芯相鄰位置設有測溫電阻，監控驅動系統的整流模塊和逆變模塊的運行狀態。

5.根據權利要求1所述的超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統，其特征在于，所述電平轉換模塊(5)采用型號為74LCX3245的非反相電平轉換收發器，對FPGA模塊(2)輸出的PWM控制信號進行功率放大，使得FPGA模塊(2)輸出的6路PWM控制信號經過電平轉換后直接驅動電機驅動系統的多個光耦隔離驅動芯片，實現直流電源的逆變處理。