[發明專利]基于冗余容錯的超高速永磁同步電機驅動控制器

在審

• 申請號: 201710989087.3
• 申請日: 2017-10-22
• 公開（公告）號: CN107769649A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 吳益飛;林立斌;郭健;黃迪;沈宏麗;周夢蘭;洪宇;王天野;薛舒嚴;錢抒婷
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P25/024;H02P27/08;H02P29/028;H02P29/024
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 孟睿

技術領域

本專利涉及電機技術領域，特別是一種基于冗余容錯的超高速永磁同步電機驅動控制器。

背景技術

隨著加工技術的迅速發展，高速、高精度數控機床也得到了快速發展。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的應用場合。

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驅動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驅動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

本專利的目的在于提供一種高精度、高可靠性的基于冗余容錯的超高速永磁同步電機驅動控制器，使得超高速永磁同步電機能夠穩定可靠運行。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于冗余容錯的超高速永磁同步電機驅動控制器，包括兩套相同的余度驅動單元，每個余度驅動單元包括整流模塊、逆變模塊、電源模塊、霍爾檢測模塊、保護模塊，其中：

整流模塊將市電三相交流電轉換為直流電，直流電經過母線電容穩壓后得到的直流母線電壓提供給逆變模塊；

逆變模塊將直流電轉換成頻率可調的三相交流電，為超高速永磁同步電機供電，驅動超高速永磁同步電機運轉；

電源模塊將整流模塊輸出的直流母線電壓轉換為24V電壓，為整流模塊的驅動芯片和控制系統提供電源；

霍爾檢測模塊包括定子三相電流檢測和直流母線電壓檢測，電壓電流信號經過霍爾檢測模塊得到電壓電流模擬量數值并輸出至AD采樣模塊供控制系統采樣和讀取，實現超高速永磁同步電機供電系統的電壓和電流信號的采集；

保護模塊包括電路短路保護模塊、過流保護模塊、電壓保護模塊、過熱保護模塊、制動保護模塊；

所述兩套余度驅動單元的判錯處理與互鎖機制如下：

當出現以下四種情況中任意一種，相應模塊則輸出故障信號至控制系統：驅動系統中過流保護模塊的霍爾電流傳感器檢測出電機定子三相電流超過工作允許值；電壓保護模塊中霍爾電壓傳感器檢測出的直流母線電壓與標稱電壓相比為過壓或欠壓；過流保護模塊中IGBT器件的驅動芯片檢測到IGBT集電極和發射極兩端的電壓持續過大；過熱保護模塊檢測出整流模塊、逆變模塊或電機定子溫度超過設定值；

控制系統接收到故障信號，處理器立即輸出封鎖PWM的控制信號至該余度驅動單元，關閉當前控制單元，啟用另一控制單元及配套的余度驅動單元。

進一步地，所述整流模塊的輸入端設有高壓陶瓷電容，用于濾除高頻干擾得到三相交流電，三相交流電經過整流芯片得到直流母線電壓，最后通過電解電容的穩壓和濾波得到最終的直流母線電壓；采用壓敏電阻在三相輸入電壓過高時導通大電流，采用均壓電阻使電解電容兩端電壓均等，同時使用無感電容吸收母線電容產生的過高脈沖電流。

進一步地，所述逆變模塊采用以IGBT作為開關器件的三相全橋逆變電路，整流模塊的直流母線電壓輸出至逆變模塊為其供電，由驅動隔離模塊輸入的PWM信號經過IGBT驅動芯片分別將正負信號轉換為+15V和-9V，對IGBT器件進行正打開和負關斷，將直流母線電壓逆變成三相交流電壓，為超高速永磁同步電機供電。

進一步地，所述電路短路保護模塊在市電三相交流輸入時接入50A的空氣斷路器，在系統發生短路故障電流超過50A時斷路器立即切斷電源。

進一步地，所述過流保護模塊包括軟件保護和硬件保護：軟件保護使用控制系統的DSP模塊通過霍爾電流傳感器對電機定子三相電流進行檢測，當其超過工作允許值時，發出過流故障報警信號并封鎖本通道PWM信號的輸出，切斷超高速永磁同步電機的供電；硬件保護通過IGBT器件的驅動芯片檢測IGBT集電極和發射極兩端的電壓，當驅動系統發生短路導致驅動芯片通過大于閾值電流且持續時間大于3us時，驅動芯片通過軟關斷引腳對IGBT執行軟關斷，將故障報警引腳變為低電平進行報警，并反饋到主控制系統。