專利名稱：一種雙邊磁通切換永磁直線電機驅動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于永磁直線電機控制領域，具體地說是一種適合于高精度、非常規(guī)尺寸、高切削速度等精密加工的場合的雙邊磁通切換永磁直線電機驅動器。
背景技術：
數控技術是采用數字控制(Numerical Control)的方法對機械運動或某一工作過程進行自動控制的技術，是現代化工業(yè)生產中一門發(fā)展迅速的 高技術。它是發(fā)展尖端工藝以及聞新技術廣業(yè)的使能技術，在減少成本、提升生廣率以及提聞加工質量等方面，有著突出的優(yōu)點[1]。數控機床(ComputerNumerical Control Machine Tools)則是一種應用數控技術的機床。隨著現代科學技術的飛速發(fā)展，航空航天、汽車工業(yè)、國防軍事、模具制造以及尖端技術等行業(yè)也在快速發(fā)展中，各種零件或模具的形狀越來越復雜，對精度的要求也越來越高，比如航天飛機的薄壁零件、高級汽車中發(fā)動機的汽缸蓋、微型機器人、大規(guī)模集成電路以及納米芯片等，都需要精密甚至超精密加工技術，這就對機械加工設備提出了更高的要求，數控機床的加工精度、加工速度等性能指標需要再上一個臺階。然而傳統(tǒng)的數控機床采用“旋轉電動機+滾珠絲杠”的驅動方式或用旋轉電動機帶動齒輪、皮帶等中間轉換的傳動裝置的驅動系統(tǒng)，這種驅動方式或系統(tǒng)涉及許多的中間部件，而且皮帶在運動過程中會產生摩擦力，滾珠絲杠和齒輪則存在有間隙，這些因素會帶來摩擦、慣性以及反向間隙等缺點，以至于影響數控機床的加工精度并限制加工精度的進一步提高。此外，因為存在有中間部件以及將旋轉運動轉換為直線運動的運動轉換裝置，肯定會產生額外的能量損耗，影響機床的工作效率。為使數控機床在加工精度和加工效率上有更大的提高，各國投入了大量的人力和物力進行了更加深入的研究以探索新的驅動技術。于是，產生了一種新的進給驅動方式直線電機直接驅動。直線電機可以直接將電能轉換為直線運動的機械能，而不需要任何額外的運動轉換裝置，并具有推力大、精度高、避免摩擦等優(yōu)點，其速度和加速度所受的限制也較小。正是直線電機的這些優(yōu)點，使得它在精密加工領域越來越多得受到人們的關注。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種雙邊磁通切換永磁直線電機驅動器，該驅動器結構簡單合理實用，能夠精確地控制雙邊磁通切換永磁直線電機運動的推力、速度及位置。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的一種雙邊磁通切換永磁直線電機驅動器，其特征在于該驅動器包括整流模塊、直流側濾波環(huán)節(jié)、逆變器、光柵尺、差分信號調理電路、CPLD和控制器DSP，整流模塊將三相交流電整流成直流電，經過直流側濾波環(huán)節(jié)穩(wěn)壓濾波，為功率器件逆變器提供直流電源；控制器DSP接收直流側濾波環(huán)節(jié)的模擬信號和電源電壓信號，并將該兩個信號轉換為對應大小的數字信號，同時接收光柵尺經過差分信號調理電路轉化的信號和CPLD運算后的信號，并通過對這三個信號進行處理，輸出控制信號精確控制直線電機動子的運動位置和推力大小。本發(fā)明整個系統(tǒng)由三相電壓源型交直交變流裝置、采樣電路、驅動電路、控制電路以及弱電供電電源等組成。將交流電轉換成直流電的整流器；對直流電進行平滑處理的直流側濾波環(huán)節(jié)；把直流電轉換成三相交流電驅動直線電機的逆變器IPM ;對直線電機電流進行檢測的電流檢測采樣，執(zhí)行直線電機精確控制、接收直線電機反饋信號的控制器。整流器與市電相連，整流器的輸出端與濾波環(huán)節(jié)的輸入端相連，濾波環(huán)節(jié)的輸出端與逆變器IPM的輸入端相連，逆變器IPM的輸出端與直線電機的電源輸入端相連，電流檢測部分的輸入端與直線電機的電源輸入端相連，電流檢測電路的輸出端與控制器的ADC輸入端相連，控制器的QEP輸入端與直線電機光柵尺的信號輸出端相連；直線電機光柵尺的信號輸入端和直線電機檢測信號輸出端連接，所述控制器接收來自電流檢測電 路的模擬信號和電源電壓信號，并將這兩個信息轉換為對應大小的數字信號，同時接收來自直線電機光柵尺的動子位置的反饋信號，通過對這三個數據進行內部處理，輸出控制信號精確控制直線電機動子的運動位置和推力大小。本發(fā)明具有以下優(yōu)點采用三環(huán)的負反饋模糊PID控制，能夠精確地控制直線電機的推力、速度和位置，結構簡單合理實用。
圖I是雙邊磁通切換永磁直線電機驅動器示意圖。圖2是雙邊磁通切換永磁直線電機驅動器軟件流程示意圖。圖3是模糊PID控制器原理圖。圖4 (a)三相橋式逆變器(輸入端接二極管整流器)，(b)III扇區(qū)電壓空間矢量的線性組合，(c) III扇區(qū)Tpwm區(qū)間的開關序列與逆變器電壓波形，Cd)空間電壓矢量及扇區(qū)圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發(fā)明作出進一步詳細描述。如圖I所示，整個驅動器系統(tǒng)由三相電壓源型交直交變流裝置、采樣電路、驅動電路、控制電路以及弱電供電電源等組成。將交流電轉換成直流電的整流器I ;對直流電進行平滑處理的直流側濾波環(huán)節(jié)2 ;把直流電轉換成三相交流電驅動直線電機的逆變器IPM3 ；對直線電機電流進行檢測的電流檢測采樣，執(zhí)行直線電機精確控制、接收直線電機反饋信號的控制器8，其整流器I與市電相連，整流器2的輸出端與濾波環(huán)節(jié)2的輸入端相連，濾波環(huán)節(jié)2的輸出端與逆變器IPM3的輸入端相連，逆變器IPM3的輸出端與直線電機的電源輸入端相連，電流檢測部分的輸入端與直線電機的電源輸入端相連，電流檢測電路的輸出端與控制器8的ADC輸入端相連,控制器8的QEP輸入端與直線電機光柵尺的信號輸出端相連；直線電機光柵尺的信號輸入端和直線電機檢測信號輸出端連接?？刂破?接收來自電流檢測電路的模擬信號和電源電壓信號，并將這兩個信息轉換為對應大小的數字信號，同時接收來自直線電機光柵尺的動子位置的反饋信號，通過對這三個數據進行內部處理，輸出控制信號精確控制直線電機動子4的運動位置和推力大小。如圖2所示，為雙邊磁通切換永磁直線電機軟件流程示意圖，電流采樣電路采樣得到直線電機兩相相電流ias、ibs經過CLARKE變換后得到兩相靜止坐標系下的電流idss、iqss、經過PARK變化后得到兩相旋轉坐標系下電流ids% iqse ;直線電機光柵尺輸出信號經過差分信號調理電路6后得到A、B、Z信號，直接輸入到DSP芯片的QEP電路的輸入端，通過對A、B、Z信號進行計數得到直線電機動子位移變化、電角度Θ&變化和移動的速度。本驅動器系統(tǒng)將傳統(tǒng)PID控制策略與模糊控制策略相結合，為磁通切換永磁直線電機的矢量控制系統(tǒng)設計出了參數可自整定的參數自適應模糊PID控制器，模糊PID控制利用模糊控制方法將操作人員的調整經驗作為知識存入處理器中，根據現場實際情況，處理器自動調整PID參數，由圖3所示，模糊控制由常規(guī)PID控制部分、模糊化、模糊推理和解模糊四部分組成，模糊化、模糊推理和解模糊三部分實際上就是一個模糊控制器，只不過它的輸入時偏差e和偏差變化率ec，輸出是ΛΚρ、AKi, Λ Kd，模糊PID控制是找出PID三個參數與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在實際運行中通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理來對三個參數進行在線修改，滿足不同e和ec時對控制參數的不同要求，而 使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。模糊PID控制器調整PID參數計算公式
Kp = K'P +AKp< K1 =Kj+AK1
Kd =KfD+AKd式中K' Ρ、Γ W D為初始設定的PID參數，ΛΚΡ、ΛΚρ AKd為模糊控制器的3個輸出，可以根據被控對象的狀態(tài)自動調整PID的3個控制參數的值。系統(tǒng)采用三環(huán)的負反饋控制，速度環(huán)中有速度給定量 <，速度反饋量經過模糊PID控制器變化輸出量為
作為q軸電流環(huán)輸入，q軸電流反饋量^，經過模糊PID控制器變化輸出量為作為d軸電流環(huán)輸入，d軸電流反饋量經過模糊PID控制器變化輸出量為Fjf 7；、V；和Θ &作為逆PARK變換模塊的三個輸入量，輸出量V::、O:和作為空間矢量控制開關信號模塊的輸入，矢量控制開關信號模塊輸出6路PWM開關信號，控制IPM功率器件開關。采用id = O控制方式，即給定量ζ:為O。SVPWM的實現。在旋轉同步電機中，矢量控制的目的在于合成圓形的旋轉磁場從而輸出穩(wěn)定的控制轉矩。同理，在直線電機中，控制系統(tǒng)要求合成穩(wěn)定的行波磁場，從而電機輸出穩(wěn)定的推力，以達到良好的控制效果。仿照旋轉電機的圓形磁鏈軌跡的形成，將合成圓形磁場的問題轉化成合成空間電壓矢量運動軌跡的問題。通過切換不同的開關器件的通斷模式控制能量輸出，合成行波式磁鏈軌跡，達到控制電機的目的。電壓源型逆變器，由六管IGBT組成，如圖4 (a)所示。為防止上下管直通而損壞系統(tǒng)，逆變器上下橋臂需呈互補的狀態(tài)，因此簡化為用每相上橋臂功率器件的通斷狀態(tài)表示逆變器三相橋的工作狀態(tài)。定義功率管開通的狀態(tài)為1，關斷狀態(tài)為0，則三相橋臂可以得到23 = 8種工作狀態(tài)，按照VTl — VT2 — VT3 — VT4 — VT5 — VT6依次導通，即得到有效工作狀態(tài) U。[100]、U6tl [110]、U12tl
、U18tl
、U24tl
、U· [101]以及沒有電壓輸出的無效工作狀態(tài)O。
和(Ulll]。結合圖4 (b)，合成的參考電壓矢量Uref在哪個扇區(qū)，則由相鄰的兩個電壓矢量Ux和Ux+60分別按作用時間Tx和Tx+6(l的長短進行合成。以第III扇區(qū)為例，Uref由U0和U60兩個狀態(tài)分別作用Ttl和T6tl的時間輸出電壓，用Otl和O1兩個狀態(tài)填補關斷的時間從而共同完成一個PWM波的周期Tpwn。根據功率不變的原則，得到等效平衡為UrefTpwm 一 U0T0+U60T60根據圖4 (b)和(d)，得到
權利要求
1.一種雙邊磁通切換永磁直線電機驅動器，其特征在于該驅動器包括整流模塊(I)、直流側濾波環(huán)節(jié)(2)、逆變器(3)、光柵尺(5)、差分信號調理電路(6)、CPLD(7)和控制器DSP(8)，整流模塊(I)將三相交流電整流成直流電，經過直流側濾波環(huán)節(jié)(2)穩(wěn)壓濾波，為功率器件逆變器(3)提供直流電源；控制器DSP (8)接收直流側濾波環(huán)節(jié)(2)的模擬信號和電源電壓信號，并將該兩個信號轉換為對應大小的數字信號，同時接收光柵尺(5 )經過差分信號調理電路(6)轉化的信號和CPLD (7)運算后的信號，并通過對這三個信號進行處理，輸出控制信號精確控制直線電機動子的運動位置和推力大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙邊磁通切換永磁直線電機驅動器，該驅動器包括整流模塊、直流側濾波環(huán)節(jié)、逆變器、光柵尺、差分信號調理電路、CPLD和控制器DSP，整流模塊將三相交流電整流成直流電，經過直流側濾波環(huán)節(jié)穩(wěn)壓濾波，為功率器件逆變器提供直流電源；控制器DSP接收直流側濾波環(huán)節(jié)的模擬信號和電源電壓信號，并將該兩個信號轉換為對應大小的數字信號，同時接收光柵尺經過差分信號調理電路轉化的信號和CPLD運算后的信號，并通過對這三個信號進行處理，輸出控制信號精確控制直線電機動子的運動位置和推力大小。該驅動器結構簡單合理實用，能夠精確地控制雙邊磁通切換永磁直線電機運動的推力、速度及位置。
文檔編號H02P6/08GK102882448SQ201210302710
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月23日 優(yōu)先權日2012年8月23日
發(fā)明者余海濤, 孫國平, 王義永, 胡敏強, 馮四平 申請人:江蘇中容電氣有限公司