專利名稱：交流永磁同步電機控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種交流永磁同步電機控制器，電動汽車、數(shù)控機床、工業(yè)機器人、空 調等領域均可使用該控制器。
背景技術：
控制器是電動汽車驅動系統(tǒng)至關重要的組成部分，決定著驅動系統(tǒng)性能的優(yōu)良與 否。近十年來，主要發(fā)展交流異步電機控制器和無刷永磁電機控制器。與原有的直流牽引 電機控制器相比，具有明顯優(yōu)勢，其突出優(yōu)點是效率高、基本免維護、調速范圍廣。其研究開 發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如下。1.異步電機控制器異步電機控制器的特點是堅固耐用、運行可靠，可實現(xiàn)控制電機低轉矩脈動，低噪 聲，不需要位置傳感器，轉速極限高。異步電機控制器的矢量控制調速技術比較成熟，因此 被較早應用于電動汽車，目前仍然是電動汽車控制器的主流產(chǎn)品(尤其在美國)，但已被其 它新型無刷永磁牽引電機控制器逐步取代。最大缺點是控制器電路復雜，控制效率不高，不 利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2.無刷永磁同步電機控制器無刷永磁同步電機控制器具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍，發(fā)展 前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機控制器中是強有力的競爭者，已在國內外多種電動車 輛中獲得應用。最大的缺點是控制精度不高，因此通常應用在一些對精度要求較低的場合。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構緊湊牢固、電路簡單 成本低、性能可靠以及在寬廣的轉速范圍內控制效率和控制精度都比較高的交流永磁同步 電機控制器。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術方案一種交流永磁同步電機控制器，包括DSP微處理器、功率變化器、交流永磁同步電 機及位置檢測器和電流檢測器，所述位置檢測器將其檢測到的交流永磁同步電機的轉子位 置信號和轉子速度信號由DSP微處理器的QEP單元輸入，所述電流檢測器將其檢測到的交 流永磁同步電機的電流信號由DSP微處理器的A/D轉換接口輸入，所述DSP微處理器根 據(jù)輸入的轉子位置信號和轉子速度信號計算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比 較，得出相應的控制信號控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號經(jīng)功率變化器驅動交流永磁同 步電機。所述功率變化器采用三相逆變橋式結構，當控制器電壓低于200V時，所述功率變 化器采用MOSFET逆變器，當控制器電壓高于200V時，所述功率變化器采用IGBT逆變器。所述位置檢測器采用增量式光電編碼器，其輸出3對差分信號A+、A-，B+、B-，Z+、 Z-；其中A相和B相信號正交，判斷兩個信號相位差即可判斷交流永磁同步電機的旋轉方向，Z相信號是零位信號，增量式光電編碼器每旋轉1圈經(jīng)過零位輸出1個脈沖。所述電流檢測器包括霍爾傳感器、運算放大器A、運算放大器B和運算放大器C，所 述交流永磁同步電機的相電流由霍爾傳感器檢測，檢測信號經(jīng)運算放大器A進行電流/電 壓轉換后輸出負電壓，隨后加到運算放大器B的輸入端，對該負電壓進行反向和比例放大， 最后經(jīng)過運算放大器C進行電平偏移，使得輸出電壓范圍調成0 3V。所述功率變化器的電路中設有過流保護電路，所述過流保護電路主要通過一集成 電壓比較器LM393來實現(xiàn)，當電機正常工作時，F(xiàn)AULT端高阻，集成電壓比較器LM393的正輸 入端電壓高于負輸入端電壓，輸出端輸出高電平；當電機工作于過流狀態(tài)時，F(xiàn)AULT端輸出 低電平，使得集成電壓比較器LM393的正輸入端電壓低于負輸入端電壓，輸出端電壓反轉， 觸發(fā)DSP微處理器的PWM輸出端處于高阻狀態(tài)，功率變化器停止工作。所述DSP微處理器主要由CPU、片內5M字RAM與8K字Flash EPR0M、事件管理器 和片內外設接口組成。還包括有PC上位機、鍵盤和LED顯示，所述DSP微處理器用SCI接口完成與PC上 位機的串行通訊功能，所述鍵盤和LED顯示分別與DSP微處理器的I/O擴展接口和SPI接
口相接。所述功率變換器中設置有具有濾波功能和回饋能量存儲功能的電容。本發(fā)明由于采用了以上技術方案，因而相對于現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點1，通過選用運算速度快的DSP微處理器以及快恢復、快響應的三相橋式功率變換 器，以及對各種參數(shù)的優(yōu)化配合，提高了交流永磁同步電機的低速轉矩，使其無異步電機起 動時所出現(xiàn)的電流沖擊現(xiàn)象。2，提高位置及電流檢測器對信號采樣的精確度，從而對電機速度進行準確的控 制。3，對于不同的電池電壓，靈活采用不同的主電路功率原件，提高控制器的運行效 率，減少了控制器的發(fā)熱，增加了車輛的續(xù)航里程。4，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，主電路以數(shù)字電路為主，結構簡單，便于維護。5，能實現(xiàn)電能回饋功能。剎車、減速或下坡滑行時將電機產(chǎn)生的能量反饋給電池， 起到反充電的效果，從而對電池進行維護，延長了電池的使用壽命。6，調速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉矩-速度特性，也可以實現(xiàn) 交流永磁同步電機的恒轉矩控制，從而達到節(jié)能降耗的目的。
下面結合附圖和具體實施例詳細介紹本發(fā)明。圖1為本發(fā)明交流永磁同步電機控制器的控制原理圖；圖2為本發(fā)明中增量式光電編碼器的連接線路圖，圖中僅示出了 A相的電路連 接；圖3為本發(fā)明中的電流檢測電路；圖4為本發(fā)明中的過電流保護電路。
具體實施例方式參照圖1，按照本發(fā)明提供的交流永磁同步電機控制器，包括DSP微處理器(型號 TMS320F243)、功率變化器、交流永磁同步電機及位置檢測器和電流檢測器，位置檢測器和 電流檢測器用于監(jiān)測交流永磁同步電機的轉子位置、轉子速度和相電流，工作時，位置檢測 器將其檢測到的轉子位置信號和轉子速度信號由DSP微處理器的QEP單元輸入，電流檢測 器將其檢測到的電流信號由DSP微處理器的A/D轉換接口輸入，DSP微處理器根據(jù)輸入的 轉子位置信號和轉子速度信號計算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比較，得出 相應的控制信號控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號經(jīng)功率變化器驅動交流永磁同步電機， 從而保證電機轉速的穩(wěn)定。所述功率變化器采用三相逆變橋式結構，屬于能量回收型，其間的電容具有濾波 功能和回饋能量的存儲功能，從而提高了系統(tǒng)的運行效率。當控制器電壓低于200V時，所 述功率變化器采用MOSFET逆變器，當控制器電壓高于200V時，所述功率變化器采用IGBT 逆變器，從而實現(xiàn)了電機的高效率控制。所述位置檢測器采用增量式光電編碼器，其輸出3對差分信號A+、A-，B+、B-，Z+、 Ζ-。其中A相和B相信號正交，判斷兩個信號相位差即可判斷交流永磁同步電機的旋轉方 向，Z相信號是零位信號，增量式光電編碼器每旋轉1圈經(jīng)過零位輸出1個脈沖。圖2為A 相電路連接圖，A+、A-差分信號經(jīng)過運算放大器反相加強后，分別輸入電壓比較器的反相、 同相輸入端，經(jīng)過電壓比較后，輸出端得到A相有效電平，該信號直接輸入DSP微處理器。B 相和Z相的處理方法與A相相同，在這里就不重復說明。獲得準確的Α、B、Z輸入信號后， DSP就可以進行轉向判斷、位置和轉速計算。所述電流檢測器包括霍爾傳感器、運算放大器Α、運算放大器B和運算放大器C。 電流檢測電路如圖3所示，交流永磁同步電機的相電流由霍爾傳感器檢測，檢測信號Ju經(jīng) 運算放大器A進行電流/電壓轉換后輸出，根據(jù)運算放大器的工作原理可知輸出為負電壓。 隨后，電壓加到運算放大器B的輸入端，對該負電壓進行反向和比例放大。由于微處理器 TMS320F243的A/D輸入電壓范圍是0 3V，所以運算放大器B輸出的電壓不能直接輸入 DSP,還需要經(jīng)過運算放大器C進行電平偏移，如圖3所示，在運算放大器C的同相輸入端疊 加了 1. 5V的偏壓，使得輸出電壓范圍調成0 3V。相電流過流是電機運行時常遇到的問題，它不但影響到電機的正常運行，高負荷、 長時間的過流還可能燒壞功率變換器，對操作人員的人身安全構成嚴重威脅，因此，本發(fā)明 在功率變化器的電路中設有過流保護電路。如圖4所示，過流保護電路主要通過一集成電 壓比較器LM393來實現(xiàn)，當電機正常工作時，F(xiàn)AULT端高阻，集成電壓比較器LM393的正輸 入端(11+)電壓為+15V，負輸入端(I1-)為+7. 5V，正輸入端電壓高于負輸入端電壓，輸出 端(01)輸出高電平；當電機工作于過流狀態(tài)時，F(xiàn)AULT端輸出低電平，使得集成電壓比較器 LM393的正輸入端(11+)鉗位在低電平，而負輸入端(I1-)仍然為+7. 5V，正輸入端電壓低 于負輸入端，輸出端(01)電壓反轉，觸發(fā)DSP微處理器的PWM輸出端處于高阻狀態(tài)，功率變 化器停止工作。所述DSP微處理器主要由CPU、片內5M字RAM與8K字Flash EPR0M、事件管理器 和片內外設接口組成。如圖1所示，該控制器還包括有PC上位機、鍵盤和LED顯示，DSP微 處理器用SCI接口完成與PC上位機的串行通訊功能，通過PC上位機可以設定參考給定位置、速度、電流，也可將位置、速度、電流反饋檢測量實時傳送到PC上位機顯示，也可以通過 數(shù)字I/O擴展的鍵盤設定給定量，由SPI接口完成串行驅動LED數(shù)碼管顯示功能。
上述實施例僅供說明本發(fā)明之用，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由各權利要求限定。
權利要求
1.一種交流永磁同步電機控制器，其特征在于包括DSP微處理器、功率變化器、交流 永磁同步電機及位置檢測器和電流檢測器，所述位置檢測器將其檢測到的交流永磁同步電 機的轉子位置信號和轉子速度信號由DSP微處理器的QEP單元輸入，所述電流檢測器將其 檢測到的交流永磁同步電機的電流信號由DSP微處理器的A/D轉換接口輸入，所述DSP微 處理器根據(jù)輸入的轉子位置信號和轉子速度信號計算出電流的給定值，再與輸入的電流檢 測值相比較，得出相應的控制信號控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號經(jīng)功率變化器驅動交 流永磁同步電機。
2.如權利要求1所述的交流永磁同步電機控制器，其特征在于所述功率變化器采用 三相逆變橋式結構，當控制器電壓低于200V時，所述功率變化器采用MOSFET逆變器，當控 制器電壓高于200V時，所述功率變化器采用IGBT逆變器。
3.如權利要求1或2所述的交流永磁同步電機控制器，其特征在于所述位置檢測器 采用增量式光電編碼器，其輸出3對差分信號A+、A-，B+、B-，Z+、Z-；其中A相和B相信號 正交，判斷兩個信號相位差即可判斷交流永磁同步電機的旋轉方向，Z相信號是零位信號， 增量式光電編碼器每旋轉1圈經(jīng)過零位輸出1個脈沖。
4.如權利要求所述3的交流永磁同步電機控制器，其特征在于所述電流檢測器包括 霍爾傳感器、運算放大器A、運算放大器B和運算放大器C，所述交流永磁同步電機的相電流 由霍爾傳感器檢測，檢測信號經(jīng)運算放大器A進行電流/電壓轉換后輸出負電壓，隨后加到 運算放大器B的輸入端，對該負電壓進行反向和比例放大，最后經(jīng)過運算放大器C進行電平 偏移，使得輸出電壓范圍調成0 3V。
5.如權利要求4所述的交流永磁同步電機控制器，其特征在于所述功率變化器的電 路中設有過流保護電路，所述過流保護電路主要通過一集成電壓比較器LM393來實現(xiàn)，當 電機正常工作時，F(xiàn)AULT端高阻，集成電壓比較器LM393的正輸入端(11+)電壓高于負輸入 端(I1-)電壓，輸出端(01)輸出高電平；當電機工作于過流狀態(tài)時，F(xiàn)AULT端輸出低電平， 使得集成電壓比較器LM393的正輸入端(11+)電壓低于負輸入端(I1-)電壓，輸出端(01) 電壓反轉，觸發(fā)DSP微處理器的PWM輸出端處于高阻狀態(tài)，功率變化器停止工作。
6.如權利要求1或2所述的交流永磁同步電機控制器，其特征在于所述DSP微處理 器主要由CPU、片內5M字RAM與8K字Flash EPR0M、事件管理器和片內外設接口組成。
7.如權利要求1或2所述的交流永磁同步電機控制器，其特征在于還包括有PC上位 機、鍵盤和LED顯示，所述DSP微處理器用SCI接口完成與PC上位機的串行通訊功能，所述 鍵盤和LED顯示分別與DSP微處理器的I/O擴展接口和SPI接口相接。
8.如權利要求2所述的交流永磁同步電機控制器，其特征在于所述功率變換器中設 置有具有濾波功能和回饋能量存儲功能的電容。
全文摘要
一種交流永磁同步電機控制器，包括DSP微處理器、功率變化器、交流永磁同步電機及位置檢測器和電流檢測器，所述位置檢測器將其檢測到的交流永磁同步電機的轉子位置信號和轉子速度信號由DSP微處理器的QEP單元輸入，所述電流檢測器將其檢測到的交流永磁同步電機的電流信號由DSP微處理器的QEP的A/D轉換接口輸入，所述DSP微處理器根據(jù)輸入的轉子位置信號和轉子速度信號計算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比較，得出相應的控制信號控制輸出PWM脈沖的寬度，PWM信號經(jīng)功率變化器驅動交流永磁同步電機。本發(fā)明具有結構緊湊牢固、電路簡單成本低、性能可靠、運行穩(wěn)定以及調速范圍寬、高效率、高精度等優(yōu)點。
文檔編號H02P6/16GK102064753SQ20091021109
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權日2009年11月12日
發(fā)明者程基江 申請人:程基江