一种新型的数控机床用永磁伺服电机驱动控制系统的制作方法

本实用新型属于数控机床技术领域，尤其涉及一种数控机床用伺服电机的驱动控制系统。

背景技术：

数控机床和基础制造装备是装备制造业的“工作母机”，一个国家的机床行业技术水平和产品质量，是衡量其装备制造业发展水平的重要标志，《中国制造2025》将数控机床和基础制造装备行业列为中国制造业的战略必争领域之一。数控不仅对全球汽车、航空航天、高端装备制造业等高战略度行业，而且对于纺织服装、建筑材料、工艺制品等传统行业，都起到重要的影响作用。

伺服控制系统作为是数控机床系统的核心系统，关系着数控机床的技术指标。然而，国内数控机床的控制精度，鲁棒性，可靠性等关键技术指标与国外存在着巨大差距，这严重制约着我国机床行业的快速发展。因此，本实用新型研制的数控机床用永磁伺服电机驱动控制系统非常有必要。本实用新型旨在突破一些伺服电机驱动关键技术，提高伺服电机的控制精度，鲁棒性，可靠性等指标，集成创新出一批具有自主知识产权的伺服电机驱动控制系统，并在各类数控机床上推广应用，实现数控机床整体性能、功能的升级换代，进而推进高精度数控市场化的发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种提高伺服电机的控制精度，鲁棒性及可靠性的新型的数控机床用永磁伺服电机驱动控制系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种新型的数控机床用永磁伺服电机驱动控制系统，包括有基于dSPACE半实物仿真系统的上位机，基于ARM和FPGA的控制器，驱动系统，电压转换电路和数据采集系统；其中：

所述的上位机连接到控制器，通过CAN总线与控制器进行实现双向通讯；所述控制器的输入端连接到电压转换电路，得到稳定工作的电压；所述驱动系统的输入端连接到电压转换电路，得到稳定工作的电压，同时还连接到控制器的输出端，得到稳定的PWM控制信号；所述驱动系统的输出端连接到数控机床的伺服电机；

所述数据采集系统包括电压/电流传感器、旋转编码器和传感器采样电路，所述的电压/电流传感器连接到数控机床用伺服电机的电源输入端，用于数控机床伺服电机电压、电流的采集，所述电压/电流传感器的输出端连接到所述传感器采样电路的输入端，所述传感器采样电路的输出端连接到控制器的输入端，所述旋转编码器安装在与数控机床伺服电机相连接的负载电机的输入轴上，所述旋转编码器的输出端连接到所述传感器采样电路的输入端；所述电压转换电路为基于电压拓扑结构的DC-DC电压转换电路，所述电压转换电路的输入端连接外部电网的三相电，将三相交流电变为直流电输出。

所述驱动系统包括安全保护系统模块、智能功率模块和高效散热模块，所述高效散热模块由导热散热片和风扇组成，所述智能功率模块连接到数控机床伺服电机的信号端，所述智能功率模块的型号为三菱PM50RL1A120。

所述电压转换电路包括整流电路、滤波电路、逆变电路和DC-DC电压转换电路，所述整流电路的输入端连接外部电网的三相电，三相电通过整流电路变成高压538V的直流电，所述滤波电路连接在所述整流电路的输出端和DC-DC电压转换电路的输入端之间，所述DC-DC电压转换电路的输出端连接到逆变电路，所述DC-DC电压转换电路为反激式DC-DC变换器。

采用上述方案后，本实用新型数控机床用永磁伺服电机驱动控制系统，工作时，电压/电流传感器对伺服电机输入端的电流、电压进行采样，采样的信号经传感器采样电路进行信号转换后输送给控制器，同时，旋转编码器采集到伺服电机输出的位置和速度的脉冲信号，此位置和速度的脉冲信号经传感器采样电路进行信号转换后输送给控制器，控制器接收到电压/电流传感器和旋转编码器的采样信号进行分析处理，同时发送给上位机，上位机在软件Matlab/Simulink开发环境中通过dSPACE半实物仿真系统进行伺服电机模型以及控制策略的仿真、调试及测试，并基于控制模型转换为由控制器运行的C和HDL代码，之后，控制器发出控制信号给驱动系统，驱动系统再驱动伺服电机，对伺服电机完成电流环的闭环控制和转速环的闭环控制。本实用新型的驱动控制系统，基于dSPACE和MATLAB/Simulink的设计方法是将调整好的模型部署到现场，实现了从现场转移到桌面，改变了工作方式，可以有效降低受损风险，加速系统集成，减少对设备供货的依赖；并通过控制模型转换为由控制系统运行的C和HDL代码，节省时间，避免人工编程错误，确保整个开发过程的质量，能够及时发现错误，降低修正错误的代价。

与现有技术相比，本新型的驱动控制系统，采用电流环的闭环控制与转速环的闭环控制的配合方式对伺服电机进行驱动控制，使伺服电机的控制精度，鲁棒性及可靠性；具有高精度、高可靠性、节能等优点，解决了目前数控机床控制精度差，能耗高，信号处理能力落后的问题，能应用于中、高档数控机床，能满足伺服电机高速、高精度、大功率、大扭矩、高刚度、高可靠性以及多轴联动等方面的需求，实现机床产业向中高档转型升级，提高市场的竞争力，对目前中国市场数控机床用电机驱动系统的研发和推广具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图；

图2是本实用新型中电压转换电路的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一种新型的数控机床用永磁伺服电机驱动控制系统的具体实施方式作详细描述。

本实用新型的一种新型的数控机床用永磁伺服电机驱动控制系统，如图1所示，包括有基于dSPACE半实物仿真系统的上位机，基于ARM和FPGA的控制器，驱动系统，电压转换电路和数据采集系统；其中：

所述的上位机连接到控制器，通过CAN总线与控制器进行实现双向通讯；上位机通过软件Matlab/Simulink开发环境中进行伺服电机模型以及控制策略的仿真、调试、测试，并基于控制模型转换为由控制系统运行的C和HDL代码、同时在线下载、调试。本实用新型中，上位机的Matlab/Simulink开发软件系统和dSPACE半实物仿真系统均为公知常用的仿真系统。

所述控制器基于ARM和FPGA能进行复杂的控制策略计算及控制系统管理，此控制器的系统是基于ARM和FPGA的控制系统，为一公知常用的系统。所述控制器的输入端连接到电压转换电路，得到稳定工作的电压；所述驱动系统的输入端连接到电压转换电路，得到稳定工作的电压，同时还连接到控制器的输出端，得到稳定的PWM控制信号。

所述的驱动系统包括安全保护系统模块、智能功率模块和高效散热模块，该安全保护系统模块主要是通过检测直流母线电压，三相电压和系统温度，当系统故障如过压、欠压、过流以及温度过高时安全保护系统可以自动切断电源对系统做出保护；所述高效散热模块由导热散热片和风扇组成，其散热方式是强制风冷，按照实际电路系统布局定制散热片以及系统结构合理选择风扇大小和位置，使得在最优的空间布局下实现高效散热，保证系统正常稳定工作；所述智能功率模块连接到数控机床伺服电机的信号端，所述智能功率模块的型号为三菱PM50RL1A120，最大额定电压1200V，最大额定电流50A；其内含隔离驱动电路和直流电转换为交流电的逆变器；具有过压、过流、欠压、温度等保护功能，针对伺服电机控制系统的关键运行参数如输出电流、直流母线电压、开关频率、PCB温度、功率器件与二极管温度等与控制器通信连接；所述驱动系统的输出端连接到数控机床的伺服电机，即驱动系统的智能功率模块连接到数控机床的伺服电机。

所述数据采集系统包括电压/电流传感器、旋转编码器和传感器采样电路，所述的电压/电流传感器连接到数控机床用伺服电机的电源输入端，用于数控机床伺服电机电压、电流的采集，所述电压/电流传感器的输出端连接到所述传感器采样电路的输入端，所述传感器采样电路的输出端连接到控制器的输入端，所述旋转编码器安装在与数控机床伺服电机相连接的负载电机的输入轴上，所述旋转编码器的输出端连接到所述传感器采样电路的输入端；所述控制器通过收集分析处理传感器采用电路发送的信号来控制驱动系统动作，并将信息同步传输到上位机，同步仿真和程序。

所述电压转换电路为基于电压拓扑结构的DC-DC电压转换电路，如图2所示，所述电压转换电路的输入端连接外部电网的三相电，将三相交流电变为直流电输出；具体的是：该电压转换电路包括整流电路、滤波电路、逆变电路和DC-DC电压转换电路，其中，

所述整流电路的输入端连接外部电网的三相电，三相电通过整流电路变成高压538V的直流电，该整流电路采用其型号为三菱RM50TC-2H的整流模块来实现的，其输出直流电流可达到100A能够满足整个驱动控制系统所需；

所述滤波电路连接在所述整流电路的输出端和DC-DC电压转换电路的输入端之间，其尽可能减小脉动的整流后的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑；该滤波电路主要由分别串联两个2mH的电感同时并接入两个32uf/68V的电解电容构成，其满足输入最高额定电压1200V和电源输入调整率低于5％的需求；

所述DC-DC电压转换电路的输出端连接到逆变电路，该逆变电路负责把直流电变成三相交流电驱动伺服电机工作，该逆变电路的作用主要由智能功率模块实现；所述DC-DC电压转换电路为反激式DC-DC变换器，此反激式DC-DC变换器包括信号检测保护电路、反激式控制芯片和稳压芯片，利用反激式控制芯片可使总额定电压达到1800V，满足大范围电压要求，之后接入稳压芯片使DC-DC电压转换电路能提供稳定的24V、15V、5V供电电压。

本实用新型的驱动控制系统，所应用的伺服电机和负载电机均为三相永磁同步伺服电机。

本实用新型数控机床用永磁伺服电机驱动控制系统，工作时，电压/电流传感器对伺服电机输入端的电流、电压进行采样，采样的信号经传感器采样电路进行信号转换后输送给控制器，同时，旋转编码器采集到伺服电机输出的位置和速度的脉冲信号，此位置和速度的脉冲信号经传感器采样电路进行信号转换后输送给控制器，控制器接收到电压/电流传感器和旋转编码器的采样信号进行分析处理，同时发送给上位机，上位机在软件Matlab/Simulink开发环境中通过dSPACE半实物仿真系统进行伺服电机模型以及控制策略的仿真、调试及测试，并基于控制模型转换为由控制器运行的C和HDL代码，之后，控制器发出控制信号给驱动系统，驱动系统再驱动伺服电机，对伺服电机完成电流环的闭环控制和转速环的闭环控制。本实用新型的驱动控制系统，基于dSPACE和MATLAB/Simulink的设计方法是将调整好的模型部署到现场，实现了从现场转移到桌面，改变了工作方式，可以有效降低受损风险，加速系统集成，减少对设备供货的依赖；并通过控制模型转换为由控制系统运行的C和HDL代码，节省时间，避免人工编程错误，确保整个开发过程的质量，能够及时发现错误，降低修正错误的代价。

本新型的驱动控制系统，采用电流环的闭环控制与转速环的闭环控制的配合方式对伺服电机进行驱动控制，使伺服电机的控制精度，鲁棒性及可靠性；具有高精度、高可靠性、节能等优点，解决了目前数控机床控制精度差，能耗高，信号处理能力落后的问题，能应用于中、高档数控机床，能满足伺服电机高速、高精度、大功率、大扭矩、高刚度、高可靠性以及多轴联动等方面的需求，加快我国机床企业结构调整，实现机床产业向中高档转型升级，提高市场的竞争力，对目前中国市场数控机床用电机驱动系统的研发和推广具有十分重要的意义。

以上所述实施例对本实用新型的实施方式做了进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，而且性质或用途相同，这些都属于实用新型专利的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。