[发明专利]基于ARM和FPGA的高性能超高速永磁同步电机控制系统

说明书

本发明公开了一种基于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，用于将控制信号输出至驱动单元进而实现电机高性能控制，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；检测单元，用于实现传感器数据的采集，并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，用于实时监测故障信号并发送至控制单元；散热单元，用于完成驱动单元的散热。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。

技术领域

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。

发明内容

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