专利名称：一种双边磁通切换永磁直线电机驱动器的制作方法
技术领域：
本发明属于永磁直线电机控制领域，具体地说是一种适合于高精度、非常规尺寸、高切削速度等精密加工的场合的双边磁通切换永磁直线电机驱动器。
背景技术：
数控技术是采用数字控制(Numerical Control)的方法对机械运动或某一工作过程进行自动控制的技术，是现代化工业生产中一门发展迅速的 高技术。它是发展尖端工艺以及闻新技术广业的使能技术，在减少成本、提升生广率以及提闻加工质量等方面，有着突出的优点[1]。数控机床(ComputerNumerical Control Machine Tools)则是一种应用数控技术的机床。随着现代科学技术的飞速发展，航空航天、汽车工业、国防军事、模具制造以及尖端技术等行业也在快速发展中，各种零件或模具的形状越来越复杂，对精度的要求也越来越高，比如航天飞机的薄壁零件、高级汽车中发动机的汽缸盖、微型机器人、大规模集成电路以及纳米芯片等，都需要精密甚至超精密加工技术，这就对机械加工设备提出了更高的要求，数控机床的加工精度、加工速度等性能指标需要再上一个台阶。然而传统的数控机床采用“旋转电动机+滚珠丝杠”的驱动方式或用旋转电动机带动齿轮、皮带等中间转换的传动装置的驱动系统，这种驱动方式或系统涉及许多的中间部件，而且皮带在运动过程中会产生摩擦力，滚珠丝杠和齿轮则存在有间隙，这些因素会带来摩擦、惯性以及反向间隙等缺点，以至于影响数控机床的加工精度并限制加工精度的进一步提高。此外，因为存在有中间部件以及将旋转运动转换为直线运动的运动转换装置，肯定会产生额外的能量损耗，影响机床的工作效率。为使数控机床在加工精度和加工效率上有更大的提高，各国投入了大量的人力和物力进行了更加深入的研究以探索新的驱动技术。于是，产生了一种新的进给驱动方式直线电机直接驱动。直线电机可以直接将电能转换为直线运动的机械能，而不需要任何额外的运动转换装置，并具有推力大、精度高、避免摩擦等优点，其速度和加速度所受的限制也较小。正是直线电机的这些优点，使得它在精密加工领域越来越多得受到人们的关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种双边磁通切换永磁直线电机驱动器，该驱动器结构简单合理实用，能够精确地控制双边磁通切换永磁直线电机运动的推力、速度及位置。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种双边磁通切换永磁直线电机驱动器，其特征在于该驱动器包括整流模块、直流侧滤波环节、逆变器、光栅尺、差分信号调理电路、CPLD和控制器DSP，整流模块将三相交流电整流成直流电，经过直流侧滤波环节稳压滤波，为功率器件逆变器提供直流电源；控制器DSP接收直流侧滤波环节的模拟信号和电源电压信号，并将该两个信号转换为对应大小的数字信号，同时接收光栅尺经过差分信号调理电路转化的信号和CPLD运算后的信号，并通过对这三个信号进行处理，输出控制信号精确控制直线电机动子的运动位置和推力大小。本发明整个系统由三相电压源型交直交变流装置、采样电路、驱动电路、控制电路以及弱电供电电源等组成。将交流电转换成直流电的整流器；对直流电进行平滑处理的直流侧滤波环节；把直流电转换成三相交流电驱动直线电机的逆变器IPM ;对直线电机电流进行检测的电流检测采样，执行直线电机精确控制、接收直线电机反馈信号的控制器。整流器与市电相连，整流器的输出端与滤波环节的输入端相连，滤波环节的输出端与逆变器IPM的输入端相连，逆变器IPM的输出端与直线电机的电源输入端相连，电流检测部分的输入端与直线电机的电源输入端相连，电流检测电路的输出端与控制器的ADC输入端相连，控制器的QEP输入端与直线电机光栅尺的信号输出端相连；直线电机光栅尺的信号输入端和直线电机检测信号输出端连接，所述控制器接收来自电流检测电 路的模拟信号和电源电压信号，并将这两个信息转换为对应大小的数字信号，同时接收来自直线电机光栅尺的动子位置的反馈信号，通过对这三个数据进行内部处理，输出控制信号精确控制直线电机动子的运动位置和推力大小。本发明具有以下优点采用三环的负反馈模糊PID控制，能够精确地控制直线电机的推力、速度和位置，结构简单合理实用。
图I是双边磁通切换永磁直线电机驱动器示意图。图2是双边磁通切换永磁直线电机驱动器软件流程示意图。图3是模糊PID控制器原理图。图4 (a)三相桥式逆变器(输入端接二极管整流器)，(b)III扇区电压空间矢量的线性组合，(c) III扇区Tpwm区间的开关序列与逆变器电压波形，Cd)空间电压矢量及扇区图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作出进一步详细描述。如图I所示，整个驱动器系统由三相电压源型交直交变流装置、采样电路、驱动电路、控制电路以及弱电供电电源等组成。将交流电转换成直流电的整流器I ;对直流电进行平滑处理的直流侧滤波环节2 ;把直流电转换成三相交流电驱动直线电机的逆变器IPM3 ；对直线电机电流进行检测的电流检测采样，执行直线电机精确控制、接收直线电机反馈信号的控制器8，其整流器I与市电相连，整流器2的输出端与滤波环节2的输入端相连，滤波环节2的输出端与逆变器IPM3的输入端相连，逆变器IPM3的输出端与直线电机的电源输入端相连，电流检测部分的输入端与直线电机的电源输入端相连，电流检测电路的输出端与控制器8的ADC输入端相连,控制器8的QEP输入端与直线电机光栅尺的信号输出端相连；直线电机光栅尺的信号输入端和直线电机检测信号输出端连接。控制器8接收来自电流检测电路的模拟信号和电源电压信号，并将这两个信息转换为对应大小的数字信号，同时接收来自直线电机光栅尺的动子位置的反馈信号，通过对这三个数据进行内部处理，输出控制信号精确控制直线电机动子4的运动位置和推力大小。如图2所示，为双边磁通切换永磁直线电机软件流程示意图，电流采样电路采样得到直线电机两相相电流ias、ibs经过CLARKE变换后得到两相静止坐标系下的电流idss、iqss、经过PARK变化后得到两相旋转坐标系下电流ids% iqse ;直线电机光栅尺输出信号经过差分信号调理电路6后得到A、B、Z信号，直接输入到DSP芯片的QEP电路的输入端，通过对A、B、Z信号进行计数得到直线电机动子位移变化、电角度Θ&变化和移动的速度。本驱动器系统将传统PID控制策略与模糊控制策略相结合，为磁通切换永磁直线电机的矢量控制系统设计出了参数可自整定的参数自适应模糊PID控制器，模糊PID控制利用模糊控制方法将操作人员的调整经验作为知识存入处理器中，根据现场实际情况，处理器自动调整PID参数，由图3所示，模糊控制由常规PID控制部分、模糊化、模糊推理和解模糊四部分组成，模糊化、模糊推理和解模糊三部分实际上就是一个模糊控制器，只不过它的输入时偏差e和偏差变化率ec，输出是ΛΚρ、AKi, Λ Kd，模糊PID控制是找出PID三个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在实际运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而 使被控对象有良好的动、静态性能。模糊PID控制器调整PID参数计算公式
Kp = K'P +AKp< K1 =Kj+AK1
Kd =KfD+AKd式中K' Ρ、Γ W D为初始设定的PID参数，ΛΚΡ、ΛΚρ AKd为模糊控制器的3个输出，可以根据被控对象的状态自动调整PID的3个控制参数的值。系统采用三环的负反馈控制，速度环中有速度给定量 <，速度反馈量经过模糊PID控制器变化输出量为
作为q轴电流环输入，q轴电流反馈量^，经过模糊PID控制器变化输出量为作为d轴电流环输入，d轴电流反馈量经过模糊PID控制器变化输出量为Fjf 7；、V；和Θ &作为逆PARK变换模块的三个输入量，输出量V::、O:和作为空间矢量控制开关信号模块的输入，矢量控制开关信号模块输出6路PWM开关信号，控制IPM功率器件开关。采用id = O控制方式，即给定量ζ:为O。SVPWM的实现。在旋转同步电机中，矢量控制的目的在于合成圆形的旋转磁场从而输出稳定的控制转矩。同理，在直线电机中，控制系统要求合成稳定的行波磁场，从而电机输出稳定的推力，以达到良好的控制效果。仿照旋转电机的圆形磁链轨迹的形成，将合成圆形磁场的问题转化成合成空间电压矢量运动轨迹的问题。通过切换不同的开关器件的通断模式控制能量输出，合成行波式磁链轨迹，达到控制电机的目的。电压源型逆变器，由六管IGBT组成，如图4 (a)所示。为防止上下管直通而损坏系统，逆变器上下桥臂需呈互补的状态，因此简化为用每相上桥臂功率器件的通断状态表示逆变器三相桥的工作状态。定义功率管开通的状态为1，关断状态为0，则三相桥臂可以得到23 = 8种工作状态，按照VTl — VT2 — VT3 — VT4 — VT5 — VT6依次导通，即得到有效工作状态 U。[100]、U6tl [110]、U12tl
、U18tl
、U24tl
、U· [101]以及没有电压输出的无效工作状态O。
和(Ulll]。结合图4 (b)，合成的参考电压矢量Uref在哪个扇区，则由相邻的两个电压矢量Ux和Ux+60分别按作用时间Tx和Tx+6(l的长短进行合成。以第III扇区为例，Uref由U0和U60两个状态分别作用Ttl和T6tl的时间输出电压，用Otl和O1两个状态填补关断的时间从而共同完成一个PWM波的周期Tpwn。根据功率不变的原则，得到等效平衡为UrefTpwm 一 U0T0+U60T60根据图4 (b)和(d)，得到
权利要求
1.一种双边磁通切换永磁直线电机驱动器，其特征在于该驱动器包括整流模块(I)、直流侧滤波环节(2)、逆变器(3)、光栅尺(5)、差分信号调理电路(6)、CPLD(7)和控制器DSP(8)，整流模块(I)将三相交流电整流成直流电，经过直流侧滤波环节(2)稳压滤波，为功率器件逆变器(3)提供直流电源；控制器DSP (8)接收直流侧滤波环节(2)的模拟信号和电源电压信号，并将该两个信号转换为对应大小的数字信号，同时接收光栅尺(5 )经过差分信号调理电路(6)转化的信号和CPLD (7)运算后的信号，并通过对这三个信号进行处理，输出控制信号精确控制直线电机动子的运动位置和推力大小。
全文摘要
本发明公开了一种双边磁通切换永磁直线电机驱动器，该驱动器包括整流模块、直流侧滤波环节、逆变器、光栅尺、差分信号调理电路、CPLD和控制器DSP，整流模块将三相交流电整流成直流电，经过直流侧滤波环节稳压滤波，为功率器件逆变器提供直流电源；控制器DSP接收直流侧滤波环节的模拟信号和电源电压信号，并将该两个信号转换为对应大小的数字信号，同时接收光栅尺经过差分信号调理电路转化的信号和CPLD运算后的信号，并通过对这三个信号进行处理，输出控制信号精确控制直线电机动子的运动位置和推力大小。该驱动器结构简单合理实用，能够精确地控制双边磁通切换永磁直线电机运动的推力、速度及位置。
文档编号H02P6/08GK102882448SQ201210302710
公开日2013年1月16日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者余海涛, 孙国平, 王义永, 胡敏强, 冯四平 申请人:江苏中容电气有限公司