專利名稱：低速大扭矩伺服控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
低速大扭矩伺服控制器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種數(shù)控機(jī)床專用控制器，特別是一種根據(jù)機(jī)床刀具在實(shí)際切削過程中的轉(zhuǎn)矩變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速伺服控制器。
背景技術(shù)：
[0002]傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)存在許多缺陷和不足，如解耦復(fù)雜，對(duì)外部參數(shù)及外部擾動(dòng)敏感等，同時(shí)傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)有機(jī)械式的傳感器存在，使得制造工藝復(fù)雜，增加了成本和維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)降低了系統(tǒng)的可靠性；永磁同步電機(jī)是一個(gè)多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，雖然它有比較固定的數(shù)學(xué)模型，但是具有非線性和參數(shù)時(shí)變等問題。發(fā)明內(nèi)容[0003]為克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，滿足機(jī)床加工需求，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于滑膜變結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床用的扭矩大、精度高、成本低的低速大扭矩伺服控制器。[0004]解決已有技術(shù)的問題，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是低速大扭矩伺服控制器， 包括速度給定裝置、數(shù)字信號(hào)處理器、顯示模塊、隔離及驅(qū)動(dòng)模塊、智能功率模塊、電流傳感器、低通濾波器、串行通訊模塊、事件管理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、中央處理器、信號(hào)互鎖電路、 光耦、信號(hào)濾波電路、保護(hù)電路、偏置電路、低通濾波電路，速度給定裝置輸入系統(tǒng)各項(xiàng)的給定值并由顯示模塊顯示，電流采樣裝置通過電流傳感器對(duì)永磁同步電機(jī)電流進(jìn)行采樣，將采樣信號(hào)通過低通濾波器送到數(shù)字信號(hào)處理器，通過數(shù)字信號(hào)處理器中的滑模觀測(cè)器計(jì)算得到速度，將計(jì)算所得速度值與速度給定裝置輸入的速度給定值相比較，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，通過軟件計(jì)算后輸出路脈寬調(diào)制波給隔離及驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)過隔離及驅(qū)動(dòng)模塊隔離放大后驅(qū)動(dòng)智能功率模塊，母線電壓提供能量給智能功率模塊，智能功率模塊驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)完成調(diào)速，實(shí)現(xiàn)電流與速度的閉環(huán)控制。[0005]所述的數(shù)字信號(hào)處理器，是通過串行通訊接口接收速度給定信號(hào)，并將此信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后反饋的電流采樣數(shù)據(jù)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果通過中央處理器進(jìn)行處理，然后再通過事件管理器向隔離及驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控制信號(hào)，通過高速串行通訊模塊將顯示所需的數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊。[0006]所述隔離及驅(qū)動(dòng)模塊，是控制信號(hào)經(jīng)過信號(hào)互鎖電路處理，互鎖信號(hào)通過光耦隔離放大，隔離放大信號(hào)再經(jīng)過信號(hào)濾波電路濾除干擾后輸出智能功率模塊控制信號(hào)，此信號(hào)與智能功率模塊連接。[0007]所述的智能功率模塊，與隔離及驅(qū)動(dòng)模塊輸出的智能功率模塊控制信號(hào)連接，智能功率模塊本身自帶電源自舉電路，同時(shí)智能功率模塊本身帶保護(hù)電路。[0008]所述的低通濾波器內(nèi)部設(shè)計(jì)了偏置電路，將電流采樣信號(hào)經(jīng)過2. 5V的直流偏置以后將信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為正電壓信號(hào)，該正電壓信號(hào)經(jīng)過由運(yùn)算放大器組成的低通濾波電路后，輸送給數(shù)字信號(hào)處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。[0009]本實(shí)用新型的有益效果，是通過對(duì)電機(jī)的電流的實(shí)時(shí)采樣，將采樣結(jié)果送入數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出頻率，最終實(shí)現(xiàn)恒定速度控制，系統(tǒng)采用矢量控制方式，采用滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置，同時(shí)采用SVPWM以提高直流母線電壓利用率，拓寬系統(tǒng)調(diào)速范圍。采用無傳感器的滑膜變結(jié)構(gòu)控制，在去除了傳感器的同時(shí)，具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)及外部擾動(dòng)變化不敏感、無需系統(tǒng)在線辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且很適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
[0010]附圖1是本實(shí)用新型伺服控制器的結(jié)構(gòu)框圖；[0011]圖2是本伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字信號(hào)處理器電路框圖；[0012]附圖3是本伺服驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路框圖；[0013]附圖4是本伺服驅(qū)動(dòng)器的智能功率模塊電路框圖；[0014]附圖5是本伺服驅(qū)動(dòng)器的低通濾波器電路框圖。[0015]圖中所示速度給定裝置1、數(shù)字信號(hào)處理器2、顯示模塊3、隔離及驅(qū)動(dòng)模塊4、智能功率模塊5、直流母線電壓6、永磁同步電動(dòng)機(jī)7、電流傳感器8、[0016]低通濾波器9、串行通訊接口 10、串行通訊模塊11、事件管理器12、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 13、中央處理器14、信號(hào)互鎖電路15、光耦16、信號(hào)濾波電路17、電源自舉電路18、保護(hù)電路 19、偏置電路20、低通濾波電路21。[0017]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施方式
[0018]如圖1所示，伺服系統(tǒng)由速度給定裝置1、數(shù)字信號(hào)處理器2、顯示模塊3、隔離及驅(qū)動(dòng)模塊4，智能功率模塊5、直流母線電壓6、永磁同步電動(dòng)機(jī)7、電流傳感器8、低通濾波器9 組成。速度給定裝置1輸入系統(tǒng)各項(xiàng)的給定值并由顯示模塊3顯示，電流采樣裝置通過電流傳感器8對(duì)永磁同步電機(jī)7電流進(jìn)行采樣，將采樣信號(hào)通過低通濾波器9送到數(shù)字信號(hào)處理器2，通過數(shù)字信號(hào)處理器2中的滑模觀測(cè)器計(jì)算得到速度，將計(jì)算所得速度值與速度給定裝置1輸入的速度給定值相比較，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，通過軟件計(jì)算后輸出6路脈寬調(diào)制波給隔離及驅(qū)動(dòng)模塊4，經(jīng)過隔離及驅(qū)動(dòng)模塊4隔離放大后驅(qū)動(dòng)智能功率模塊5，母線電壓6提供能量給智能功率模塊5，智能功率模塊5驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)7完成調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)電流與速度的閉環(huán)控制。[0019]數(shù)字信號(hào)處理器電路設(shè)計(jì)[0020]如圖2所示，由所述的速度給定裝置1發(fā)出速度給定信號(hào)，所述的數(shù)字信號(hào)處理器2通過串行通訊接口 10接收速度給定信號(hào)，并將此信號(hào)與所述的電流傳感器8經(jīng)過低通濾波器9后反饋的電流采樣數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊13轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果通過所述的數(shù)字信號(hào)處理器2內(nèi)部的中央處理器14中的軟件算法進(jìn)行處理，然后通過事件管理器12向所述的隔離及驅(qū)動(dòng)模塊4發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)通過高速串行通訊模塊11 將顯示所需的數(shù)據(jù)發(fā)送給所述的顯示模塊3。[0021]驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[0022]如圖3所示，由所述的數(shù)字信號(hào)處理器2發(fā)出控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過信號(hào)互鎖電路15處理以保證功率器件不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，互鎖信號(hào)通過光耦16隔離放大，隔離放大信號(hào)再經(jīng)過信號(hào)濾波電路17濾除干擾后輸出智能功率模塊控制信號(hào)，此信號(hào)與所述的智能功率模塊5連接，驅(qū)動(dòng)智能功率模塊正常工作。[0023]智能功率模塊電路設(shè)計(jì)[0024]如圖4所示，由所述的隔離及驅(qū)動(dòng)模塊4輸出的智能功率模塊控制信號(hào)與所述的智能功率模塊5連接，功率電路考慮到功率器件電源浮地問題，如果采用分離電源無疑會(huì)增加伺服驅(qū)動(dòng)器成本，本伺服驅(qū)動(dòng)器采用的智能功率模塊5很好的解決了此問題，智能功率模塊5本身自帶電源自舉電路18，使用時(shí)我們只需在外部連接電容即可，外部只需使用一路15V電源即可驅(qū)動(dòng)6個(gè)功率器件正常工作，同時(shí)智能功率模塊5本身帶保護(hù)電路19，所述的保護(hù)電路19有過流保護(hù)和過溫保護(hù)功能，在出現(xiàn)故障時(shí)能夠保證在最短的時(shí)間內(nèi)保護(hù)功率器件不受損壞，使得系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行。[0025]低通濾波器電路的設(shè)計(jì)[0026]如圖5所示，由所述的電流傳感器8輸出電流采樣信號(hào)給所述的低通濾波器9，由于電流采樣信號(hào)是交流正弦信號(hào)不能直接接入到所述的數(shù)字信號(hào)處理器2的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊13，因此所述的低通濾波器9中內(nèi)部設(shè)計(jì)了偏置電路20，將電流采樣信號(hào)經(jīng)過2. 5V的直流偏置以后將信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為正電壓信號(hào)，然后此正電壓信號(hào)經(jīng)過由運(yùn)算放大器組成的低通濾波電路21后輸入給所述的數(shù)字信號(hào)處理器2的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊13。[0027]系統(tǒng)軟件[0028]滑模觀測(cè)估算算法實(shí)現(xiàn)是以數(shù)字信號(hào)處理器2為控制核心，滑模觀測(cè)器作為一種無傳感器的控制方法，它以電機(jī)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過分析永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，讓獲得的電流估計(jì)值和實(shí)際測(cè)量值做偏差，用這個(gè)誤差不斷的修正，以此來估算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。
權(quán)利要求1.一種低速大扭矩伺服控制器，包括速度給定裝置、數(shù)字信號(hào)處理器、顯示模塊、隔離及驅(qū)動(dòng)模塊、智能功率模塊、電流傳感器、低通濾波器、串行通訊模塊、事件管理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、中央處理器、信號(hào)互鎖電路、光耦、信號(hào)濾波電路、保護(hù)電路、偏置電路、低通濾波電路，其特征在于速度給定裝置(1)輸入系統(tǒng)各項(xiàng)的給定值并由顯示模塊(3)顯示，電流采樣裝置通過電流傳感器(8)對(duì)永磁同步電機(jī)(7)電流進(jìn)行采樣，將采樣信號(hào)通過低通濾波器(9)送到數(shù)字信號(hào)處理器(2)，通過數(shù)字信號(hào)處理器(2)中的滑模觀測(cè)器計(jì)算得到速度，將計(jì)算所得速度值與速度給定裝置(1)輸入的速度給定值相比較，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，通過軟件計(jì)算后輸出(6)路脈寬調(diào)制波給隔離及驅(qū)動(dòng)模塊(4)，經(jīng)過隔離及驅(qū)動(dòng)模塊(4)隔離放大后驅(qū)動(dòng)智能功率模塊(5)，母線電壓(6)提供能量給智能功率模塊(5)，智能功率模塊(5)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)(7)完成調(diào)速，實(shí)現(xiàn)電流與速度的閉環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低速大扭矩伺服控制器，其特征在于所述的數(shù)字信號(hào)處理器O)，是通過串行通訊接口(10)接收速度給定信號(hào)，并將此信號(hào)經(jīng)過低通濾波器(9)后反饋的電流采樣數(shù)據(jù)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(13)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果通過中央處理器(14)進(jìn)行處理，然后再通過事件管理器(1 向隔離及驅(qū)動(dòng)模塊(4)發(fā)出控制信號(hào)，通過高速串行通訊模塊(11)將顯示所需的數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低速大扭矩伺服控制器，其特征在于所述隔離及驅(qū)動(dòng)模塊，接收事件管理器(1 傳送的控制信號(hào)，由信號(hào)互鎖電路(1 處理，互鎖信號(hào)通過光耦(16)隔離放大，隔離放大信號(hào)再經(jīng)過信號(hào)濾波電路(17)濾除干擾后輸出智能功率模塊控制信號(hào)，此信號(hào)與智能功率模塊(5)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低速大扭矩伺服控制器，其特征在于所述的智能功率模塊(5)，接收隔離及驅(qū)動(dòng)模塊(4)輸出的智能功率模塊控制信號(hào)，智能功率模塊(5)本身帶有電源自舉電路(18)，同時(shí)帶有保護(hù)電路(19)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低速大扭矩伺服控制器，其特征在于所述的低通濾波器(9)內(nèi)部設(shè)計(jì)了偏置電路00)，將電流采樣信號(hào)經(jīng)過2. 5V的直流偏置以后將信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為正電壓信號(hào)，該正電壓信號(hào)經(jīng)過由運(yùn)算放大器組成的低通濾波電路后，輸送給數(shù)字信號(hào)處理器O)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(13)。
專利摘要一種低速大扭矩伺服控制器，涉及一種數(shù)控機(jī)床專用控制器，包括速度給定裝置、數(shù)字信號(hào)處理器、顯示模塊、隔離及驅(qū)動(dòng)模塊、智能功率模塊、電流傳感器、低通濾波器、串行通訊模塊、事件管理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、中央處理器、速度給定裝置輸入系統(tǒng)各項(xiàng)的給定值并由顯示模塊顯示，電流采樣裝置通過電流傳感器對(duì)永磁同步電機(jī)電流進(jìn)行采樣，將采樣信號(hào)通過低通濾波器送到數(shù)字信號(hào)處理器，通過數(shù)字信號(hào)處理器中的滑模觀測(cè)器計(jì)算得到速度，將計(jì)算所得速度值與速度給定裝置輸入的速度給定值相比較，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)及外部擾動(dòng)變化不敏感、無需系統(tǒng)在線辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且很適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P21/13GK202334430SQ20112048676
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者周順利 申請(qǐng)人:沈陽阿啟蒙技術(shù)有限公司