基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步电机控制系统的制作方法

本发明涉及电机控制领域，特别是一种基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步电机控制系统。

背景技术：

随着科学技术的发展，超高速与超精度加工已成为现代工业的主要发展方向，而电机及其驱动控制器正是现代加工中心的核心部件。然而普通电机的性能和通用驱动控制器，已经难以满足现代加工业日益增长的需求，因此人们对超高速电机及其专用驱动控制器的需求日益剧增。

研究者们认为超高速电机的定义并不能仅仅从速度来限定，功率对电机的限制也必须考虑在内，一般将速度与功率平方根的乘积超过1×10⁵的电机称为超高速电机。与同功率的普通转速电机相比，超高速电机具有体积小、重量轻、转速高、功率密度大等优点；同时，由于体积及转子几何尺寸较小，它又具有较小的转动惯量，较快的动态响应速度；此外，超高速电机可直接带载，减少了因传动装置而产生的一系列体积增大、噪声增加、效率降低的问题，提高了超高速电机系统的运行效率、精度及可靠性。

至今为止在超高速领域，普通电机控制系统主要针对异步电机，而且虽然具有结构简单、不需要编码器、驱动技术成熟等优点，但是也同样存在明显缺点如：转矩密度较低，转子损耗严重；当在超高速状态下长时间工作会引起转子较大的发热，造成其效率低，寿命短；并且动态响应慢，存在转差，稳速困难，转速虽高却存在限制，一般不超过30000r/min。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构清晰紧凑、可维护性好、安全可靠、扩展能力强的超高速永磁同步电机控制系统。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步电机控制系统，包括控制单元、驱动单元、检测单元、保护单元和散热单元；

所述控制单元，用于接收检测单元采集的母线电压、超高速永磁同步电机三相电流信号以及转子位置信号，实现超高速永磁同步电机的实现超高速永磁同步电机的自适应反演滑模控制算法和PI电流控制算法，并将计算得到的控制信号输出至驱动单元进而实现电机高性能控制；此外控制单元还接收保护单元提供的故障报警信息，并综合判断系统运行状况以对系统进行保护；

所述驱动单元，用于将输入的三相交流电转换为频率可控的三相交流电，实现超高速永磁同步电机的驱动控制；

所述检测单元，用于实现控制系统中传感器数据的采集，并通过相应的调理电路将各种传感器信号调理成为能够由ARM主控制模块采集的电信号；

所述保护单元，用于实时监测系统中母线电压、母线电流和驱动故障，并采用比较电路和门级驱动电路进行判断，将母线过压、母线欠压、母线过流和驱动故障信号发送至控制单元；

所述散热单元，用于完成驱动单元的散热，进而保证超高速永磁同步电机驱动器的可靠运行。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)采用自适应反演滑模控制算法和PI电流控制算法进行转速控制和电流控制，控制精度高，调速范围宽，输出频率高；2)采用全数字化处理技术，便于先进控制算法的实现；3)系统软硬件采用模块化设计，结构清晰紧凑，可维护性好；4)具有过压、欠压、过流、驱动故障等故障检测和保护功能，安全可靠；5)具有丰富的网络化通信接口，减少了线缆连接数量，增强了系统扩展能力。

附图说明

图1为本发明基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步电机控制系统结构图。

图2为本发明基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步电机控制系统自适应反演滑模转速控制系统总体结构框图。

图3为本发明基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步电机控制系统自适应反演滑模控制器原理图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步电机控制系统，包括控制单元、驱动单元、检测单元、保护单元和散热单元；其中，

控制单元，用于接收检测单元采集的母线电压、超高速永磁同步电机三相电流信号以及转子位置信号，实现超高速永磁同步电机的实现超高速永磁同步电机的自适应反演滑模控制算法和PI电流控制算法，并将计算得到的控制信号输出至驱动单元进而实现电机高性能控制；此外控制单元还接收保护单元提供的故障报警信息，并综合判断系统运行状况以对系统进行保护；

驱动单元，用于将输入的三相交流电转换为频率可控的三相交流电，实现超高速永磁同步电机的驱动控制；

检测单元，用于实现控制系统中传感器数据的采集，并通过相应的调理电路将各种传感器信号调理成为能够由ARM主控制模块采集的电信号；

保护单元，用于实时监测系统中母线电压、母线电流和驱动故障，并采用比较电路和门级驱动电路进行判断，将母线过压、母线欠压、母线过流和驱动故障信号发送至控制单元；

散热单元，用于完成驱动单元的散热，进而保证超高速永磁同步电机驱动器的可靠运行。

进一步地，控制单元包括ARM主控制模块、FPGA协处理模块、通信接口模块、电源管理模块；

ARM主控模块，通过通信接口模块实现与上位机通信，并接收上位机的控制指令，根据AD采样通道获得的母线电压、电机三相定子电流信号以及编码器接口获得的转子位置信号进行高性能矢量控制，实现自适应反演滑模转速控制算法和PI电流控制算法，对从保护单元获得的过压、欠压、过流、驱动故障报警信号进行判断并完成软件保护；

FPGA协处理模块，与ARM主控模块进行数据交换和通信，并将经过互锁条件判断的PWM控制信号通过驱动单元内的隔离与驱动模块并行输出给逆变模块；此外，还根据过压、欠压、过流故障信号及时封锁PWM控制信号输出，确保超高速永磁同步电机和驱动控制器运行安全；

通信接口模块，用于完成多种通信接口转换，以使上位机通过各种通信接口与ARM主控模块进行数据交换；

电源管理模块，用于为控制单元中的所有模块提供相应的工作电压。

示例性优选地，上述通信接口模块包括RS485、CAN、EtherCAT接口。

进一步地，驱动单元包括三相进线滤波模块、整流滤波模块、能耗制动模块、逆变模块以及隔离与驱动模块；

三相进线滤波模块，用于对输入三相电压进行滤波处理，以减小输入三相电压的波动，进而减小输入电源波动对电机运行的干扰；

整流滤波模块，采用三相不可控桥式整流电路将三相输入电压整流成直流母线电压，通过母线并联电容对母线电压进行滤波处理，同时应用上电缓冲电路限制上电瞬间的母线电容充电大电流；

能耗制动模块，对电机制动引起的母线泵升电压，采用能耗制动的方式，将母线电容上多余的能量进行释放，进而抑制母线电压的泵升以达到保护系统的目的；

逆变模块，采用三相全桥逆变电路将直流母线电压转换成频率幅值可控的三相电压；

隔离与驱动模块，通过光耦实现弱电模块与强电模块的隔离，并输出能够驱动IGBT的驱动信号。

进一步地，检测单元包括母线电压检测模块、电流检测模块、转子位置检测模块以及温度检测模块；

母线电压检测模块，采用霍尔电压传感器实现母线电压的采集，并通过相应的调理电路对霍尔电压传感器原始信号进行调理；

电流检测模块，采用霍尔电流传感器实现母线电流和三相定子电流的采集，并通过相应的调理电路对霍尔电流传感器原始信号进行调理；

转子位置检测模块，采用正余弦编码器完成转子位置数据的采集，并通过相应的调理电路对正余弦编码器原始信号进行调理；

温度检测模块，采用铂电阻温度传感器完成整流滤波模块温度数据、逆变模块温度数据和电机温度数据的采集，并通过相应的调理电路对铂电阻温度传感器原始信号进行调理。

进一步地，保护单元包括母线过压保护模块、母线欠压保护模块、母线过流保护模块以及驱动故障保护模块；

母线过压保护模块，采用电压比较电路实现母线电压的过压判断，并将过压故障信号提供给控制单元；

母线欠压保护模块，采用电压滞回比较电路实现母线电压的欠压判断，并将欠压故障信号提供给控制单元；

母线过流保护模块，采用电压比较电路实现母线电流的过流判断，并将母线过流故障信号提供给控制单元；

驱动故障保护模块，用于判断门极驱动电路是否产生驱动故障信号，并将驱动故障信号提供给控制单元。

进一步地，散热单元包括散热器、风扇以及温度检测与风扇驱动模块，主要用于完成驱动单元中整流滤波模块和逆变模块的散热。

进一步地，结合图2，本发明基于ARM和FPGA双核架构的高性能超高速永磁同步电机控制系统，采用id＝0矢量控制结构实现超高速永磁同步电机的闭环控制。电流环通过PI控制器实现d轴电流和q轴电流控制，速度环通过自适应反演滑模控制器实现转速控制，其控制方式具体如下：

(1)通过Clark变换将所测得的电机三相电流Ia、Ib、Ic转换为在αβ坐标系下的电流Iα、Iβ；

(2)通过Park变换得到dq两相旋转坐标系下的电流值Id、Iq；

(3)根据目标转速ω^*与实际转速ω，经由自适应反演滑模转速控制器，输出dq两相旋转坐标系下q轴控制量

(4)根据电流及定子电流反馈量Id、Iq，经由PI电流控制器，输出系统控制量ud、uq；

(5)通过Park反变换得到αβ两相静止坐标系下的电压设定值将其输入到电压空间矢量控制(SVPWM)模块，对超高速永磁同步电机电机进行控制。

结合图3，上述自适应反演滑模控制器具体构建过程为：

(1)定义速度指令xd＝ω^*，速度跟踪误差e1＝x1-xd，其中x1为实际速度，Lyapunov函数

(2)定义其中c1为正的常数，e2为虚拟控制项，则速度跟踪误差的导数则Lyapunov函数的导数

(3)定义切换函数s＝k1e1+e2，其中k1为正的常数，则

(4)定义Lyapunov函数构建控制器为：

式中，J0为转动惯量，B0为阻尼系数，p为电机极对数，ψf为转子磁链，为不确定项，h、β、α、ε均为常数；

(5)假设参数不确定部分及外加变化项干扰缓慢，取

(6)定义Lyapunov函数构建控制器为：

综上，相较于普通电机控制系统，本发明具有调速范围宽、输出频率高、转速控制精度高、故障检测与保护机制完善等特点，并且具备多种通信接口，扩展能力强，适用范围广。