本實用新型涉及永磁同步電機調速控制技術領域，特別涉及一種永磁同步電機變速控制系統。

背景技術：

交流永磁同步電動機(PMSM)具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗少、轉矩/質量比高、功率因數高、效率高、易于散熱、易于保養等顯著特點，因而應用范圍極為廣泛，尤其是在要求高精度控制和高可靠性的場合，如航空航天、數控機床、機器人控制等方面。

但是對永磁同步電動機的研究主要集中在固定頻率供電的電機運行特性方面，特別是對穩態特性和直接起動性能方面的研究。而在小功率交流變頻調速技術、中功率變頻調速技術、大功率無換向器電機變頻調速技術、大功率交-交變頻調速技術等方面則很欠缺，影響了永磁同步電機廣泛應用的范圍。

技術實現要素：

本實用新型目的在于提供一種永磁同步電機變速控制系統，以填補永磁同步電機技術中小功率交流變頻調速技術、中功率變頻調速技術、大功率無換向器電機變頻調速技術、大功率交-交變頻調速技術等方面研究不足，影響了永磁同步電機廣泛應用的范圍的技術性缺陷。

本實用新型的技術方案是這樣實現的：

一種永磁同步電機變速控制系統，包括主控電路以及功能驅動電路，所述主控電路包括主控芯片以及主控芯片的外圍電路，所述功能驅動電路包括電源逆變電路、電流檢測電路、速度檢測電路以及智能功率模塊IPM，所述主控芯片通過驅動隔離電路連接智能功率模塊IPM，智能功率模塊IPM分別連接電流 檢測電路、速度檢測電路以及電源逆變電路，所述電源逆變電路的電壓輸出端連接主控芯片，所述電流檢測電路與速度檢測電路分別連接主控芯片。

優選地，所述主控芯片采用TMS2812F2812芯片，所述外圍電路包括仿真接口電路、電平轉換電路以及外部存儲器擴展電路。

優選地，所述電源逆變電路包括依次連接的整流電路、濾波電路以及逆變電路。

優選地，所述電流檢測電路采用霍爾電流傳感。

優選地，所述主控電路還通過S232轉SCI通訊接口電路連接PC機。

優選地，所述主控電路還連接有LCD顯示電路。

與現有技術相比，本實用新型有以下有益效果：

本實用新型的永磁同步電機變速控制系統，通過主控電路以及功能驅動電路可對電機進行高精度的變頻與調速控制，使之能達到更加廣泛的應用；同時系統設置了智能功率模塊IPM，可充分的保證了電路安全運行，填補了永磁同步電機技術中小功率交流變頻調速技術、中功率變頻調速技術、大功率無換向器電機變頻調速技術、大功率交-交變頻調速技術等方面研究不足。

附圖說明

圖1為本實用新型永磁同步電機變速控制系統的原理框圖；

圖2是本實用新型的速度檢測原理圖；

圖3是本實用新型的速度檢測信號的波形圖。

圖中：主控電路1，主控芯片101，S232轉SCI通訊接口電路102，PC機103，LCD顯示電路104，功能驅動電路2，電源逆變電路201，電流檢測電路202，速度檢測電路203，智能功率模塊IPM204。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型進行清楚、完整地描述。

如圖1所示，一種永磁同步電機變速控制系統，包括主控電路1以及功能驅動電路2，所述主控電路1包括主控芯片101以及主控芯片101的外圍電路，所述功能驅動電路2包括電源逆變電路201、電流檢測電路202、速度檢測電路203以及智能功率模塊IPM204，所述主控芯片101通過驅動隔離電路2連接智能功率模塊IPM204，智能功率模塊IPM204分別連接電流檢測電路202、速度檢測電路203以及電源逆變電路201，所述電源逆變電路201的電壓輸出端連接主控芯片101，所述電流檢測電路202與速度檢測電路203分別連接主控芯片101；所述主控芯片采用TMS2812F2812芯片，所述外圍電路包括仿真接口電路、電平轉換電路以及外部存儲器擴展電路。

所述TMS320F2812含有高仿真特性所需的硬件擴展，配有標準仿真接口JTAG，JTAG掃描邏輯電路用于仿真和測試，系統采用JTAG仿真接口，可以完成在線仿真，裝載數據、代碼調試等。為了實現仿真通信，系統必須設計帶有14引腳的雙排直插管座。

TMS320F2812的核心CPU電壓是1.8V，而I/O接口電壓是3.3V。為了實現芯片的正常運行，必須進行電源電壓的轉換。我們設計用一個基本上不要外圍元件的最簡單的電源轉換芯片，低壓差穩壓器。

TPS767D318電源電平轉換電路是TI公司設計的TPS767D318芯片，可以由輸入端+5V電壓，產生核心電壓+3.3V和I/O接口電壓+1.8V，同時該芯片可以提供DSP復位信號；該芯片的最大輸出電流為lA，其中模擬地和數字地用小電阻或磁珠連接，防止電磁干擾。通過一個極性電容(33uF)和一個鐵氧化體磁珠濾波后，來輸出DSP的電源電壓。外部輸入電壓經過一個1uF的極性電容濾波后進入電源芯片TPS767D318，提高芯片可靠性。此外，當EN＝1時，芯片處于關閉狀態，此時功率管、驅動器、電壓比較電路和振蕩器等電路都處于不工作狀態，使靜態電流極低，實現使能端和過溫保護功能。當芯片溫度高于門限值時，它將會自動關閉，一旦溫度低于門限值，又會重新進入工作狀態。

功率驅動回路主要的作用是進行能量轉換和驅動伺服電機工作，所述電源逆變電路201包括依次連接的整流電路、濾波電路以及逆變電路。

電源逆變電路201主要作用是將直流電壓轉換成交流電壓，實現所需電壓的輸出，是變頻器主要部分之一。整流電路由4個普通二極管組合成可控整流 橋實現，其主要作用是將市電電源的單相交流全波整流成直流。濾波電路起到保護驅動電路的作用。三相橋式整流電路由六個IGBT組成，IGBT主要特點是高耐壓、高開關頻率、電流大、導通電阻小、控制功率小等。而將大功率開關器件和驅動電路、保護電路、檢測電路等集成在同一個模塊內形成智能功率模塊IPM204。智能功率模塊IPM204具有智能化、集成化、模塊化、保護功能全、性價比高、控制驅動簡單等特點，使系統更加簡潔。

(1)整流電路

整流電路由4個整流二極管組成單相不可控整流橋，作用是將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用220V，整流電路為單相全波整流橋；大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本設計采用的是單相整流橋。

(2)濾波電路

在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。

由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態下進行，如果濾波電容沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數分鐘。如果濾波電容上的電壓較高，電荷不放完，將對人身安全構成威脅。

(3)逆變電路

逆變電路的功率開關器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為核心的智能功率模塊(IPM)。IGBT是80年代出現的新一代復合型電力電子器件，它集合了MOSFET和GTR的優點，適合于高速、低功耗的場合，如電機控制，開關電源等。IGB T具有耐壓高、電流大、開關頻率高、導通電阻小、控制功率小 等特點。而智能功率模塊(IPM)是將大功率開關器件和驅動電路、保護電路、檢測電路等集成在同一個模塊內，是電力集成電路PIC的一種。目前的IPM一般采用IGBT作為大功率開關器件。

采用低飽和壓降，高開關速度，內設低損耗電流傳感器的IGBT功率器件。該電流傳感器是射極分流式采樣，電阻上流過的電流很小，且與開關流過的大電流成確定比例關系，從而可代替一般要外接的電流互感器，如霍爾電流傳感器等檢測元件。同時飽合壓降和開關速度之間的關系達到最優化，具有足夠的安全工作區，能很好地滿足由控制IC給出的保護范圍。

采用單電源邏輯電壓輸入優化的柵極驅動，實行RTC(實時邏輯柵區)控制模式。以嚴密的時序邏輯監控保護，可防止過電流、短路、過熱及欠電壓等故障發生。帶RC信號干擾抑制和電源干擾抑制。

IPM內置各種保護功能，如過溫、過流、欠壓、短路保護。只要有一個保護電路起作用，IGBT的門極驅動電路即關閉，同時產生一個故障信號，可送至DSP進行相應處理。

三相橋臂內含續流二極管，內置驅動電路、保護電路和報警輸出電路。

電流檢測電路，主要作用是提高系統電流環響應速度，實現伺服系統高性能控制。電流檢測是將永磁同步電動機的三相定子電流進行AD轉換成相應的二進制代碼，實現DSP便捷處理。由于系統的iA+iB+iC＝0，因此只需要檢測系統中的兩路電流就可以實現對系統的電流檢測。

系統運行中的電流信號經過霍爾電流傳感器實時采集下來，再到DSP的A/D轉換電路來進行實時采樣，這就是定子電流采樣電路的主要作用。圖中高速高精度雙運放穩壓管TLE2142，運算放大器的運行速度快，即增益帶寬乘積大、轉換速率快，通常用于處理頻帶寬、變化速度快的信號，具有防止信號電壓過大的保護作用。所述電流檢測電路采用霍爾電流傳感。

速度檢測電路203，原理如圖2、圖3所示。在高性能的數字控制系統中，實現電機位置和轉速的數字檢測是提高系統性能的關鍵技術。目前常用的測速裝置有：增量式光電碼盤、絕對式光電碼盤、旋轉變壓器。它們的主要特點如下：

(1)增量式光電碼盤

增量式光電碼盤數據處理電路簡單。因為是數字信號，所以噪聲容限較大，容易實現高分辨率，檢測精度高；缺點是不耐沖擊及振動，容易受溫度變化影響，適應環境能力較差。

(2)絕對式光電碼盤

絕對式光電碼盤上有許多圈槽，為獲得高分辨率就要求很高的機械加工精度，導致成本很高。

(3)旋轉變壓器

旋轉變壓自身結構堅固耐用，不怕振動和沖擊，可在高溫下工作，具有很強的適應環境能力，可以通過控制電路，較容易改變分辨率；其缺點是信號處理電路復雜，溫度特性不好。

在伺服控制系統中，實現系統的高性能的關鍵技術是電機位置和轉速的全數字檢測。對于永磁伺服電機來說，通常是在電機主軸上內嵌入光電編碼器用來進行速度和位置的測量。其工作原理是：光電碼盤一側的兩個光敏管受另一側發光二極管的控制。在光電碼盤上均勻分布著很多個光電孔，當光透光透過光電孔的時候，光敏管產生邏輯“1”的信號；當發光二極管被遮住的時候，光敏管產生邏輯“0”的信號。這樣，兩個光敏管會產生A，B兩路相位相差900的正交信號。

所述主控電路1還通過S232轉SCI通訊接口電路102連接PC機103，本系統應用了RS232專用的電平轉換芯片MAX232，進行電平轉換。MAX232是3.0V～5.5V供電，低功率的通訊收發器。

采用的智能功率模塊IPM，其內置了過壓、欠壓保護電路、限流啟動電路、IPM故障保護電路等模塊。

所述主控電路1還連接有LCD顯示電路104，用于實時顯示電機轉速等一些參數。

綜上本實用新型的結構可知，本實用新型的永磁同步電機變速控制系統，通過主控電路以及功能驅動電路可對電機進行高精度的變頻與調速控制，使之 能達到更加廣泛的應用；同時系統設置了智能功率模塊IPM，可充分的保證了電路安全運行，填補了永磁同步電機技術中小功率交流變頻調速技術、中功率變頻調速技術、大功率無換向器電機變頻調速技術、大功率交-交變頻調速技術等方面研究不足。