[發(fā)明專利]基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)

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• 申請日: 2019-06-24
• 公開（公告）號: CN110266218A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳益飛;高珺寧;郭健;周唯;張通;季周歷;張翠艷;靳懿;時(shí)鋒;周麗;劉洋;吳鑫煜
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: H02P6/08
• 分類號: H02P6/08;H02P6/28;H02P23/00;H02P25/022
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 馬魯晉

1.一種基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元、保護(hù)單元和散熱單元；

所述控制單元，用于接收檢測單元采集的母線電壓、超高速永磁同步電機(jī)三相電流信號以及轉(zhuǎn)子位置信號，實(shí)現(xiàn)超高速永磁同步電機(jī)的自適應(yīng)反演滑模控制算法和PI電流控制算法，并將計(jì)算得到的控制信號輸出至驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)高性能控制；此外控制單元還接收保護(hù)單元提供的故障報(bào)警信息，并綜合判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況以對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)；

所述驅(qū)動(dòng)單元，用于將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的三相交流電，實(shí)現(xiàn)超高速永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制；

所述檢測單元，用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中傳感器數(shù)據(jù)的采集，并通過相應(yīng)的調(diào)理電路將各種傳感器信號調(diào)理成為能夠由ARM主控制模塊采集的電信號；

所述保護(hù)單元，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中母線電壓、母線電流和驅(qū)動(dòng)故障，并采用比較電路和門級驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行判斷，將母線過壓、母線欠壓、母線過流和驅(qū)動(dòng)故障信號發(fā)送至控制單元；

所述散熱單元，用于完成驅(qū)動(dòng)單元的散熱，以保證超高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的可靠運(yùn)行。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元包括ARM主控制模塊、FPGA協(xié)處理模塊、通信接口模塊、電源管理模塊；

ARM主控模塊，通過通信接口模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，并接收上位機(jī)的控制指令，根據(jù)AD采樣通道獲得的母線電壓、電機(jī)三相定子電流信號以及編碼器接口獲得的轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行高性能矢量控制，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)反演滑模轉(zhuǎn)速控制算法和PI電流控制算法，對從保護(hù)單元獲得的過壓、欠壓、過流、驅(qū)動(dòng)故障報(bào)警信號進(jìn)行判斷并完成軟件保護(hù)；

FPGA協(xié)處理模塊，與ARM主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信，并將經(jīng)過互鎖條件判斷的PWM控制信號通過驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)的隔離與驅(qū)動(dòng)模塊并行輸出給逆變模塊；此外，還根據(jù)過壓、欠壓、過流故障信號及時(shí)封鎖PWM控制信號輸出，確保超高速永磁同步電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器運(yùn)行安全；

通信接口模塊，用于完成多種通信接口轉(zhuǎn)換，以使上位機(jī)通過各種通信接口與ARM主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；

電源管理模塊，用于為控制單元中的所有模塊提供相應(yīng)的工作電壓。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述通信接口模塊包括RS485、CAN、EtherCAT接口。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元包括三相進(jìn)線濾波模塊、整流濾波模塊、能耗制動(dòng)模塊、逆變模塊以及隔離與驅(qū)動(dòng)模塊；

三相進(jìn)線濾波模塊，用于對輸入三相電壓進(jìn)行濾波處理，以減小輸入三相電壓的波動(dòng)，進(jìn)而減小輸入電源波動(dòng)對電機(jī)運(yùn)行的干擾；

整流濾波模塊，采用三相不可控橋式整流電路將三相輸入電壓整流成直流母線電壓，通過母線并聯(lián)電容對母線電壓進(jìn)行濾波處理，同時(shí)應(yīng)用上電緩沖電路限制上電瞬間的母線電容充電大電流；

能耗制動(dòng)模塊，對電機(jī)制動(dòng)引起的母線泵升電壓，采用能耗制動(dòng)的方式，將母線電容上多余的能量進(jìn)行釋放，進(jìn)而抑制母線電壓的泵升以達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的；

逆變模塊，采用三相全橋逆變電路將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成頻率幅值可控的三相電壓；

隔離與驅(qū)動(dòng)模塊，通過光耦實(shí)現(xiàn)弱電模塊與強(qiáng)電模塊的隔離，并輸出能夠驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測單元包括母線電壓檢測模塊、電流檢測模塊、轉(zhuǎn)子位置檢測模塊以及溫度檢測模塊；

母線電壓檢測模塊，采用霍爾電壓傳感器實(shí)現(xiàn)母線電壓的采集，并通過相應(yīng)的調(diào)理電路對霍爾電壓傳感器原始信號進(jìn)行調(diào)理；

電流檢測模塊，采用霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)母線電流和三相定子電流的采集，并通過相應(yīng)的調(diào)理電路對霍爾電流傳感器原始信號進(jìn)行調(diào)理；

轉(zhuǎn)子位置檢測模塊，采用正余弦編碼器完成轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)的采集，并通過相應(yīng)的調(diào)理電路對正余弦編碼器原始信號進(jìn)行調(diào)理；

溫度檢測模塊，采用鉑電阻溫度傳感器完成整流濾波模塊溫度數(shù)據(jù)、逆變模塊溫度數(shù)據(jù)和電機(jī)溫度數(shù)據(jù)的采集，并通過相應(yīng)的調(diào)理電路對鉑電阻溫度傳感器原始信號進(jìn)行調(diào)理。