[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

本發明公開了一種超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統及方法。該系統包含兩套完全相同的余度控制單元，其中每個包含DSP模塊、FPGA模塊、AD采樣模塊、信號調理模塊、電平轉換模塊、通信模塊、電源管理模塊。方法為：信號調理模塊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采樣模塊對調理之后的信號進行采樣，并通過FPGA模塊傳送給DSP模塊；DSP模塊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；同時判斷產生封鎖PWM的控制信號；FPGA模塊接收6路PWM控制信號，判斷是否封鎖當前通道FPGA模塊的PWM控制信號的輸出，并啟用另一套余度控制單元。本發明應用于超高速永磁同步電機的冗余容錯控制，具有精度高、可靠性強的優點。

技術領域

本發明涉及電機技術領域，特別是一種超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統及方法。

背景技術

加工技術的迅速發展，推動了高速、高精度數控機床的快速發展，超高速電機主軸作為高端數控機床的關鍵功能部件，其性能指標直接決定了高端數控機床的發展水平。高速異步感應電機憑借較為成熟的制造工藝已在各個領域中得到廣泛應用，同時相應的驅動控制技術也較為成熟。然而由于異步感應電機采用感應式轉子，轉矩密度相對較低，轉子損耗嚴重，會在高速狀態引起轉子產生較大的熱量，并且存在電機運行效率低、功率密度低、動態響應慢、穩速困難等問題，因此多用在轉速低于20000r/min的場合。

隨著永磁材料的發展，以及電機制造工藝的進一步改善，永磁同步電機已由中低速領域逐漸發展到了高速領域。但目前永磁同步電機由于控制技術的限制大都應用與于中高速場合，無法滿足超高速數控機床的要求。與此同時，目前使用較多的單一控制系統在個別部件出現故障時，很容易導致整個系統失控，嚴重影響加工精度與加工進度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠穩定運行的高可靠性的超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種超高速永磁同步電機的冗余容錯控制系統，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、AD采樣模塊、信號調理模塊、電平轉換模塊、通信模塊、電源管理模塊，所述：

信號調理模塊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采樣模塊在FPGA模塊的控制周期，對信號調理模塊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模塊傳送給DSP模塊；

DSP模塊接收上位機發送的速度指令，然后利用AD采樣模塊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；

FPGA模塊接收DSP模塊輸出的6路PWM控制信號，同時判斷AD采樣模塊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、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模塊所輸出的封鎖PWM的控制信號時，封鎖當前通道FPGA模塊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；

電平轉換模塊對FPGA模塊輸出的PWM控制信號進行功率放大；

通信模塊用于實現DSP模塊和上位機之間的通信；

電源管理模塊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。