[發明專利]基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機控制系統

在審

• 申請號: 201910546828.X
• 申請日: 2019-06-24
• 公開（公告）號: CN110266218A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 吳益飛;高珺寧;郭健;周唯;張通;季周歷;張翠艷;靳懿;時鋒;周麗;劉洋;吳鑫煜
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02P6/08
• 分類號: H02P6/08;H02P6/28;H02P23/00;H02P25/022
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 馬魯晉

本發明公開了一種基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機控制系統，包括：控制單元，用于將控制信號輸出至驅動單元進而實現電機高性能控制，并綜合判斷系統運行狀況以對系統進行保護；驅動單元，用于將輸入的三相交流電轉換為頻率可控的三相交流電；檢測單元，用于實現傳感器數據的采集，并將各種傳感器信號調理成為能夠由ARM主控制模塊采集的電信號；保護單元，用于實時監測故障信號并發送至控制單元；散熱單元，用于完成驅動單元的散熱。相較于普通電機控制系統，本發明具有調速范圍寬、輸出頻率高、轉速控制精度高、故障檢測與保護機制完善等特點，并且具備多種通信接口，擴展能力強，適用范圍廣。

技術領域

本發明涉及電機控制領域，特別是一種基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機控制系統。

背景技術

隨著科學技術的發展，超高速與超精度加工已成為現代工業的主要發展方向，而電機及其驅動控制器正是現代加工中心的核心部件。然而普通電機的性能和通用驅動控制器，已經難以滿足現代加工業日益增長的需求，因此人們對超高速電機及其專用驅動控制器的需求日益劇增。

研究者們認為超高速電機的定義并不能僅僅從速度來限定，功率對電機的限制也必須考慮在內，一般將速度與功率平方根的乘積超過1×10⁵的電機稱為超高速電機。與同功率的普通轉速電機相比，超高速電機具有體積小、重量輕、轉速高、功率密度大等優點；同時，由于體積及轉子幾何尺寸較小，它又具有較小的轉動慣量，較快的動態響應速度；此外，超高速電機可直接帶載，減少了因傳動裝置而產生的一系列體積增大、噪聲增加、效率降低的問題，提高了超高速電機系統的運行效率、精度及可靠性。

至今為止在超高速領域，普通電機控制系統主要針對異步電機，而且雖然具有結構簡單、不需要編碼器、驅動技術成熟等優點，但是也同樣存在明顯缺點如：轉矩密度較低，轉子損耗嚴重；當在超高速狀態下長時間工作會引起轉子較大的發熱，造成其效率低，壽命短；并且動態響應慢，存在轉差，穩速困難，轉速雖高卻存在限制，一般不超過30000r/min。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結構清晰緊湊、可維護性好、安全可靠、擴展能力強的超高速永磁同步電機控制系統。

實現本發明目的的技術方案為：一種基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步電機控制系統，包括控制單元、驅動單元、檢測單元、保護單元和散熱單元；

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三相電流信號以及轉子位置信號，實現超高速永磁同步電機的實現超高速永磁同步電機的自適應反演滑模控制算法和PI電流控制算法，并將計算得到的控制信號輸出至驅動單元進而實現電機高性能控制；此外控制單元還接收保護單元提供的故障報警信息，并綜合判斷系統運行狀況以對系統進行保護；

所述驅動單元，用于將輸入的三相交流電轉換為頻率可控的三相交流電，實現超高速永磁同步電機的驅動控制；

所述檢測單元，用于實現控制系統中傳感器數據的采集，并通過相應的調理電路將各種傳感器信號調理成為能夠由ARM主控制模塊采集的電信號；

所述保護單元，用于實時監測系統中母線電壓、母線電流和驅動故障，并采用比較電路和門級驅動電路進行判斷，將母線過壓、母線欠壓、母線過流和驅動故障信號發送至控制單元；

所述散熱單元，用于完成驅動單元的散熱，進而保證超高速永磁同步電機驅動器的可靠運行。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：1)采用自適應反演滑模控制算法和PI電流控制算法進行轉速控制和電流控制，控制精度高，調速范圍寬，輸出頻率高；2)采用全數字化處理技術，便于先進控制算法的實現；3)系統軟硬件采用模塊化設計，結構清晰緊湊，可維護性好；4)具有過壓、欠壓、過流、驅動故障等故障檢測和保護功能，安全可靠；5)具有豐富的網絡化通信接口，減少了線纜連接數量，增強了系統擴展能力。

附圖說明