一種PMSM控制系統硬體電路的製作方法

2023-11-06 07:00:52 2

本發明涉及一種PMSM控制系統硬體電路，適用於電機控制領域。

背景技術：

隨著社會的發展和工業技術水平的不斷進步，各種電機的需求越來越多。稀土永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)自問世以來，從方波驅動發展到正弦波驅動，在結構、能效指標、控制性能及製造工藝等各方面，完全滿足了現代高性能伺服系統對電機轉速進行高精度控制和控制系統具有高可靠性的要求。因此，PMSM以其優良的性能，與現代驅動控制技術和高精度傳感器技術相結合，組成了現代最優異的伺服控制系統，已經成為現代高性能伺服控制系統的主流及發展方向。

但現有的一些控制系統的輸出功率較小，帶負載能力弱，控制系統佔用空間答、運行不夠平穩等缺點，因此設計一種高精度、高穩定性、能夠帶較大負載的控制系統很有必要。

技術實現要素：

本發明提供一種PMSM控制系統硬體電路，基於DSP，CPLD、獨立H橋驅動和旋轉變壓器的PMSM控制系統，不僅能滿足現代高性能伺服控制系統對轉速進行控制高精度高可靠性控制，而且還具有輸出功率大、帶負載能力強、控制系統佔用空間小等優點。

本發明所採用的技術方案是。

PMSM控制系統硬體電路由電源電路、驅動電路、電流採樣電路、電流保護電路、電壓採樣電路構成。上位機通過RS-422總線給DSP發送轉速指令，DSP產生三對互補的SPWM波經CPLD邏輯控制電路後控制驅動電路工作，驅動電路控制3路獨立的H橋的通斷從而控制電機工作。旋轉變壓器檢測出電機轉子的位置和轉速，並通過SPI總線將其反饋給DSP，電流傳感器檢測出電機的三相相電流和主電流，電壓檢測電路檢測系統的主電壓並經調壓電路調理後將其反饋給DSP,DSP使轉子位置、轉子轉速、相電流和主電壓等信號通過矢量控制算法產生相應的SPWM波控制電機工作，並將這些信號通過RS-422總線實時地顯示在上位機上。

所述控制系統供電電壓為+28 V，採用電源適配器供電。通過電源轉換晶片將+28V轉為+5 V和+15 V。主控晶片DSP和CPLD只需要+3.3V的電源供電，採用TI公司的LDO LM3940將+5V轉為+3.3V。電源轉換電路該晶片最大輸出電流可達1A，體積小，帶負載能力強，內置溫度過高保護、短路保護，設計電路簡單。

所述驅動電路採用高精度高速隔離半橋驅動器ADuM3223，有最大4A的輸出電流，有兩個獨立的輸出通道，一個晶片能驅動半個H橋。該晶片輸人端採用+5V電源供電，輸出端採用+巧V電源供電。為了節省電路板空間，晶片的高壓端採用自舉供電方式。D1是自舉二極體是超快恢復二極體，反向電壓必須大於電路峰值母線電壓；1011和1012是自舉電容，必須取值應充分大，且以瓷片電容為好。該晶片帶有使能控制信號DISABLEI，該信號由CPLD邏輯電路進行控制，當DISABLEI為低時，說明沒有過流發生，晶片驅動正常工作；當為高時，說明有過流發生，驅動電路停止工作。

所述採樣電路中，電流從IP+端輸入，從IP-端輸出，在VIout端產生與電流成正比的電壓信號，當檢測電流為-30-30 A時.輸出電壓為0.5～4.5 V，該電壓不能滿足DSP的AD採樣埠最大輸人電壓為+3.3V的要求，故需要對該電壓信號進行濾波、分壓，然後將該電壓作為DSP AD埠的採樣信號。

所述電流保護電路中，相電流經過調理電路傳送給保護電路。該保護電路採用ANALOG DEVICE公司的軌至軌、高精度、快速、低功耗運算放大器AD8468。當相電流正常，即UC VIA<U TH+時，FAULTI_1和FAULTI_2，均為高電平；若出現過流的情況，FAULTl_1或FAULTI_2一會出現低電平，此時通過CPLD內部邏輯關斷IGBT驅動信號，即DISABLE1為高電平。

所述主電壓採樣電路中，主電壓經過電阻分壓作為隔離運放的輸人，隔離運放輸出端輸出差分信號，該差分信號經過電壓調理電路後輸入到DSP的AD採樣埠。穩壓二極體D2的作用是穩壓保護，防止電流過大後燒壞晶片。並聯小電容的作用是濾除電壓上的紋波噪聲。

本發明的有益效果是：電路結構簡單，滿足了現代高性能伺服控制系統對轉速進行控制高精度高可靠性控制，具有輸出功率大、帶負載能力強、控制系統佔用空間小等優點。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的PMSM控制系統框圖。

圖2是本發明的電源電路。

圖3是本發明的驅動電路。

圖4是本發明的電流採樣電路。

圖5是本發明的電流保護電路。

圖6是本發明的電壓採樣電路。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1，PMSM控制系統硬體電路由電源電路、驅動電路、電流採樣電路、電流保護電路、電壓採樣電路構成。上位機通過RS-422總線給DSP發送轉速指令，DSP產生三對互補的SPWM波經CPLD邏輯控制電路後控制驅動電路工作，驅動電路控制3路獨立的H橋的通斷從而控制電機工作。旋轉變壓器檢測出電機轉子的位置和轉速，並通過SPI總線將其反饋給DSP，電流傳感器檢測出電機的三相相電流和主電流，電壓檢測電路檢測系統的主電壓並經調壓電路調理後將其反饋給DSP,DSP使轉子位置、轉子轉速、相電流和主電壓等信號通過矢量控制算法產生相應的SPWM波控制電機工作，並將這些信號通過RS-422總線實時地顯示在上位機上。

如圖2，控制系統供電電壓為+28 V，採用電源適配器供電。通過電源轉換晶片將+28V轉為+5 V和+15 V。主控晶片DSP和CPLD只需要+3.3V的電源供電，採用TI公司的LDO LM3940將+5V轉為+3.3V。電源轉換電路該晶片最大輸出電流可達1A，體積小，帶負載能力強，內置溫度過高保護、短路保護，設計電路簡單。

如圖3，驅動電路採用高精度高速隔離半橋驅動器ADuM3223，有最大4A的輸出電流，有兩個獨立的輸出通道，一個晶片能驅動半個H橋。該晶片輸人端採用+5V電源供電，輸出端採用+巧V電源供電。為了節省電路板空間，晶片的高壓端採用自舉供電方式。D1是自舉二極體是超快恢復二極體，反向電壓必須大於電路峰值母線電壓；1011和1012是自舉電容，必須取值應充分大，且以瓷片電容為好。該晶片帶有使能控制信號DISABLEI，該信號由CPLD邏輯電路進行控制，當DISABLEI為低時，說明沒有過流發生，晶片驅動正常工作；當為高時，說明有過流發生，驅動電路停止工作。

如圖4，採樣電路中，電流從IP+端輸人，從IP-端輸出，在VIout端產生與電流成正比的電壓信號，當檢測電流為-30-30 A時.輸出電壓為0.5～4.5 V，該電壓不能滿足DSP的AD採樣埠最大輸人電壓為+3.3V的要求，故需要對該電壓信號進行濾波、分壓，然後將該電壓作為DSP AD埠的採樣信號。

如圖5，電流保護電路中，相電流經過調理電路傳送給保護電路。該保護電路採用ANALOG DEVICE公司的軌至軌、高精度、快速、低功耗運算放大器AD8468。當相電流正常，即UC VIA<U TH+時，FAULTI_1和FAULTI_2，均為高電平；若出現過流的情況，FAULTl_1或FAULTI_2一會出現低電平，此時通過CPLD內部邏輯關斷IGBT驅動信號，即DISABLE1為高電平。

如圖6，主電壓採樣電路中，主電壓經過電阻分壓作為隔離運放的輸人，隔離運放輸出端輸出差分信號，該差分信號經過電壓調理電路後輸入到DSP的AD採樣埠。穩壓二極體D2的作用是穩壓保護，防止電流過大後燒壞晶片。並聯小電容的作用是濾除電壓上的紋波噪聲。