專利名稱：一種大功率長行程永磁同步直線電機的伺服驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及交流電機伺服控制技術領域，特別是涉及大功率、長行程 永磁同步直線電機的伺服驅動裝置。
背景技術：
目前，因受到直線電機動子位置、速度檢測方法及裝置的限制，大功率、長行程永磁同步直線電機的控制大都采用V/F控制或無位置傳感器的 矢量控制。V/F控制屬于開環(huán)控制，以電機的穩(wěn)態(tài)特性為基礎，無法精確控制電磁 推力，在負載突然變化時無法快速達到穩(wěn)定。矢量控制屬于閉環(huán)控制，以 經三相電流解耦的電機動態(tài)數學模型為基礎，能精確控制電機的電磁推力， 電機響應速度快、穩(wěn)定性好。采用矢量控制的永磁同步直線電機伺服驅動 裝置可以獲得更好的動態(tài)性能。直線電機實現矢量控制的前提是實現電機動子的位置檢測。目前直線 電機的位置檢測主要有以下幾種方法(1)利用光柵尺、磁柵尺等直線位置檢測設備進行檢測。該方法的檢測精度非常高，尤其適用于對位置精度 要求很高的場合。但光柵尺、磁柵尺的價格昂貴，隨著直線電機行程的擴 大光柵尺、磁柵尺的成本會成倍提高。大功率、長行程永磁同步直線電機 對位置的檢測精度要求通常不高，用高精度的光柵尺、磁柵尺來檢測其位 置會導致資源浪費，且在電梯等超大行程場合使用光柵尺、磁柵尺是不可取的。(2)基于電感信息或電機定子齒槽信號的無位置傳感器的位置檢測 法。該類方法算法復雜、實現困難，同時該類方法依賴于時變的電機參數， 位置檢測的穩(wěn)定性、精度均較差。因此現有的位置檢測方法均不適合于大功率長行程的直線電機系統(tǒng)。同時，對于直線電機控制系統(tǒng)而言，目前大多數直線電機控制器的硬件結構都是基于DSP或者FPGA為控制核心的，有的甚至還應用單片機。單 片機的運算能力顯然不能滿足矢量控制所需的大量運算的要求。FPGA雖然 具有設計簡單、操作方便、抗干擾性強等特點，但FPGA的運算速度較慢。 DSP的運算速度快、控制靈活、智能化水平高，但單獨使用讓其完成所有的 控制及邏輯處理等功能，導致DSP的利用率低，影響系統(tǒng)性能；同時需要 增加大量的外圍電路，這就不可避免的增加系統(tǒng)的成本，增加系統(tǒng)的復雜 性，也不方便維護系統(tǒng)；此外，當系統(tǒng)需要升級或者功能擴展時，先前使 用的外設及其接口電路可能不能滿足需要而必須重新開發(fā)，增加開發(fā)成本， 不利于系統(tǒng)升級和系統(tǒng)功能擴展。因此基于DSP或者基于FPGA的伺服控制 系統(tǒng)都存在一些自身無法克服的缺點，必須采用其他的方法加以解決。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種永磁同步直線電機伺服驅動裝置，該裝置 不需要使用光柵尺、磁柵尺等昂貴的直線位置檢測設備，具有成本低、可 靠性高、動態(tài)性能好、啟動力矩大、可擴展能力強的特性。本發(fā)明提供了一種大功率長行程永磁同步直線電機的伺服驅動裝置， 包括整流模塊24、開關電源模塊17、過欠電壓保護電路模塊18、數字信號 處理器12、智能功率模塊14、霍爾電流傳感器15、第一光耦組16、第二 光耦組20、第三光耦組26;整流模塊24的輸出端分別連接智能功率模塊 14、開關電源模塊17的輸入端和過欠電壓保護電路模塊18的輸入端，電 源模塊17的輸出端分別連接智能功率模塊14、數字信號處理器12、第一 光耦組16、第二光耦組20和第三光耦組26，霍爾電流傳感器15的輸出端 連接數字信號處理器12，其特征在于，還包括位置傳感器4，增量式旋轉光 電編碼器8、差分電路23和現場可編程門陣列13;位置傳感器4的輸出端與數字信號處理器12連接，用于向數字信號處 理器12傳送包含電機動子3在360°電角度范圍內相對于定子永磁體5位 置信息的三相霍爾信號；增量式旋轉光電編碼器8通過差分電路23與數字信號處理器12連接， 用于向數字信號處理器12傳送包含導滾輪2轉角和轉速信息的光電編碼信 號；數字信號處理器12依次通過現場可編程門陣列13，第一光耦組16連 接智能功率模塊14，用于計算電機動子3的速度及電機動子3相對于定子 永磁體5的位置，并根據該速度和位置計算脈寬調制信號的占空比，產生 脈寬調制信號，傳送給現場可編程門陣列13;智能功率模塊14還另外通過第二光耦組20連接現場可編程門陣列13， 過欠壓保護電路18的輸出端通過第三光耦組26連接現場可編程門陣列13， 電源模塊17的輸出端與現場可編程門陣列13相接。作為本發(fā)明的進一步改進，所述位置傳感器4包括三個霍爾位置傳感 器，用于產生包含電機動子3在360°電角度范圍內相對于定子永磁體5位 置信息的三相霍爾信號。與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現在控制系統(tǒng)中采用數字信 號處理器+現場可編程門陣列+智能功率模塊為核心的硬件結構，控制核心 將數字信號處理器和現場可編程門陣列結合起來，實現數字信號處理器和 現場可編程門陣列的優(yōu)勢互補，保證控制系統(tǒng)高的可靠性、實時性、智能 化要求，并有利于系統(tǒng)的功能擴展，滿足后續(xù)的升級要求；通過采用智能 功率模塊，結合相關的電路設計，極大地提高了系統(tǒng)的安全性能。將增量 式旋轉光電編碼器和霍爾位置傳感器運用到直線電機的位置檢測中，在不 使用光柵尺、磁柵尺等直線位置檢測設備的情況下解決了直線電機的位置 檢測問題，大大降低了裝置的成本；同時利用霍爾位置傳感器產生的三相 霍爾信號可以直接用于電機的啟動中，解決了在動子初始位置未知的情況 下龜機的啟動問題；
圖l是直線電機結構圖；圖2是位置傳感器檢測的U、 V、 W三相霍爾信號示意圖； 圖3是直線電機動子位置檢測步驟流程圖，圖3a為直線電機電角度計 算流程圖，圖3b為CAP中斷流程圖； 圖4是本發(fā)明伺服驅動裝置結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
說明本發(fā)明。如圖1所示，本實施例將增量式旋轉光電編碼器8安裝在導滾輪2上， 導滾輪2和電機動子3固連在一起，并在導軌1上往返運動，直線電機定 子永磁體5固定在底板6上。利用增量式光電編碼器8產生的」、2、 5、 5、 Z、 Z信號可以測出導滾輪2的轉角和轉速，導滾輪2的轉速和轉角與 電機動子3的速度和位移成正比，因此可進一步得到電機動子3的速度和 位移。包括Halll、 Hall2和Hall3三個霍爾位置傳感器的位置傳感器4安 裝在電機動子3的端部。電樞電源線10、光電編碼器信號線9和霍爾位置 傳感器信號線7跟隨電機動子3 —起運動。圖2是三個霍爾位置傳感器檢 測到的U、 V、 W霍爾信號圖，U、 V、 W信號的六種不同狀態(tài)101、 100、 110、 010、 011、 001可將360°電角度范圍分成六個60。區(qū)間，每種狀態(tài)的開始 時刻可確定電機動子3在此時的位置，因此利用U、 V、 W三相霍爾信號就 可以檢測出在每360°電角度范圍內直線電機動子3相對于定子永磁體5的 六個位置。可將這六個位置中的任意一個作為基準位置，再結合光電編碼 器8檢測到的位移實時確定電機動子3相對于定子永磁體5的位置。在本 實施例中，U、 V、 W信號的狀態(tài)分別為101、 100、 110、 010、 011、 001時， 電機動子3對應的電角度區(qū)間范圍分別是0 60。 、 60 120° 、 120 180 。、180 240° 、 240 300° 、 300 360° ，這六個狀態(tài)開始時刻對應的 電機動子3的電角度分別為0。 、 60° 、 120° 、 180° 、 240° 、 300° 。此 實施例利用電機動子3的電角度為0。的位置作為基準位置。圖3a為直線電機電角度計算流程圖，在101狀態(tài)開始時刻即U相的電位由0變?yōu)?，此 時電機動子3的電角度^電為零，記下增量式旋轉光電編碼器8此時測得的 角度決；經過t時間后，增量式旋轉光電編碼器8測得的角度變?yōu)锳，導 滾輪2在t時間內轉過的角度^^仇；R表示導滾輪2的半徑，T為直線電 機11的極距，則直線電機動子3在經過t時間后的電角度 & = ;rR(A-&)/r ，此角度就是電機動子3相對定子永磁體5的位置。圖3b為CAP中斷流程圖，當DSP數字信號處理器12的CAP(捕捉單元) 產生中斷時，表明此時電機的動子經過d軸，此位置為電角度為零的位置， 此時記下光電編碼器的角度&，在隨后的任意時刻中，光電編碼器的角度 值為A，則電機動子的電角度&二;rR(e「仇)/r。由前述所知，當U、 V、 W信號的狀態(tài)分別為101、 100、 110、 010、 011、 001時，動子的位置范圍分別是0 60。 、 60 120° 、 120 180° 、 180 240° 、 240 300° 、 300 360° 。直線電機剛啟動時動子相對于定子的準 確位置是未知的，無法利用矢量控制啟動電機。此時可以利用三相霍爾信 號啟動電機，具體方法如下根據檢測到的U、 V、 W信號的狀態(tài)就可以確 定電機動子的位置區(qū)間范圍，此時取此范圍的中間位置作為電機動子的位 置，然后以這個中間位置啟動電機即可解決電機的啟動問題。例如假設在 啟動時候檢測到U、 V、 W三相信號的狀態(tài)為110，則可以肯定此時直線電機 動子的位置范圍是在120 180°內，此時可以認為直線電機動子的電角度 ^=150°,動子的位置誤差不會超過±30。，這樣啟動力矩雖然不是最大，但足 夠使電機正常啟動，從而解決了電機的啟動問題。圖4是本發(fā)明伺服驅動裝置結構圖。在本實施例中，數字信號處理器 (DSP) 12采用德州儀器(TI)公司的TMS320F2812型號的數字信號處理器， 該處理器是TI公司最新推出的專門用于工業(yè)控制領域的32位定點數字信 號處理器，該處理器具有運算速度快、處理能力強、A/D轉換速度快、外設 豐富等特點，為電機及其它工業(yè)控制領域提供了良好的平臺。現場可編程 門陣列(FPGA) 13采用Altera公司EP1C3T144C6型號的芯片。IPM智能功 率模塊(IPM) 14作為逆變器，其型號為PM25RLA120，第一光耦組16由六 個型號為HCPL4504的光耦組成，第二光耦組20的五個光耦和第三光耦組26的兩個光耦均采用PC817型號，檢測電機三相電流的霍爾電流傳感器15采用的型號是ACS706。過電壓和欠電壓的檢測是通過兩個比較器完成的，本實施例中的比較器的型號是LM339AN。當直流母線電壓高于某一值或低于某值時，過欠電壓保護電路18將會發(fā)出過電壓信號HV一S或欠電壓信號LV_S，這兩個信號經過光耦26組之后，送到FPGA現場可編程門陣列13的相應端口，控制PWM的通斷。本發(fā)明工作原理如下整流模塊24將接入的380V或220V交流電變?yōu)橹绷麟?，經過穩(wěn)壓后的直流電一方面輸送到智能功率模塊(IPM) 14，經逆變后供給電機使用， 一方面輸送到開關電源模塊17。開關電源模塊17將穩(wěn)壓后的直流電轉變?yōu)?4V、 士15V、 5V、 3.3V、 1.8V，為各種芯片、光耦提供所需電源。系統(tǒng)中的霍爾電流傳感器15負責檢測直線電機的三相電流/。、"、"安裝在電機導滾輪2上的增量式旋轉光電編碼器8和安裝在電機 ^h子3 k的/A罟/去咸與4會f^由in的/TV習於卿i 增縣^^fe站A^由編sa惡q的六路信號^、」、S、 5、 Z、 Z經過差分電路模塊23的處理后送到數字 信號處理器(DSP) 12，而位置傳感器4測得的三相霍爾信號U、 V、 W也 被送到數字信號處理器(DSP) 12的相應接口。數字信號處理器(DSP) 12作為系統(tǒng)的控制核心，將經過處理后的光電編碼器信號和霍爾信號進行 運算處理，計算出直線電機動子的實際位置和實際速度；實際速度和給定 速度的比較誤差經過速度PID控制器的調節(jié)后，輸出在d， q旋轉坐標系下 的參考輸入電流"/ ;數字信號處理器12將霍爾電流傳感器15檢測到的三 相電流z'。、 "、 L進行A/D轉換后進行Clark變換，將三相電流/。、 "、 t轉換 到直線電機動子兩相坐標系中，得到電流/"、 然后結合檢測到的電機動 子的實際位置信息進行Park變換，將它們轉換到d， q旋轉坐標系中，得到 zV、 &、 /g與參考輸入電流/^/ (令/化/=0)和/^/的比較誤差分別經過各 自電流PID控制器的調節(jié)后，輸出d， q旋轉坐標系的電壓K/、 K;然后結 合檢測到的電機動子的實際位置信息進行反Park變換，將d， q旋轉坐標系 下的電壓值^、 K轉換到直線電機動子兩相坐標中，得到電壓J^、 數 字信號處理器12根據h、 r-利用空間電壓矢量SVPWM技術計算出脈寬 調制信號(PWM)的占空比，產生六路PWM并傳送到現場可編程門陣列(FPGA) 13中。外擴存儲器(EPROM) 19作為外擴的存儲空間，可以擴 大數字信號處理器12的存儲容量。數字信號處理器12根據鍵盤21的輸入 命令實現對電機的操作。數字信號處理器12將永磁同步直線電機11的運 行狀態(tài)參數送到LED顯示屏22進行顯示，通過LED顯示屏22可實時檢測 電機的運行狀態(tài)。數字信號處理器12還可以分析系統(tǒng)的電壓、電流等狀態(tài) 信息，并根據信息的變化做相應的保護操作以實現對系統(tǒng)的保護?，F場可 編程門陣列(FPGA) 13接收來自數字信號處理器12的PWM信號，將其 通過光耦組16傳送到智能功率模塊14，控制功率開關的開通與關斷，完成 直流的逆變；現場可編程門陣列13根據是否接收到智能功率模塊14發(fā)出 的故障信號或制動信號，或者過欠電壓保護電路模塊18發(fā)出的過電壓信號 或欠電壓信號決定是否輸出PWM信號；現場可編程門陣列13還可以實現 與數字信號處理器12的數據交換，這就為系統(tǒng)的升級和功能的擴展打下基 礎；當系統(tǒng)需要時現場可編程門陣列13可以協(xié)助數字信號處理器12完成 光電編碼器反饋信號的倍頻、辨相和計數工作，此外對鍵盤掃描輸入這一 類需要延時防抖的耗時操作也可以由現場可編程門陣列13完成，從而減輕 數字信號處理器12的工作壓力，保證系統(tǒng)的實時性。智能功率模塊14還 能為整個驅動系統(tǒng)提供強大的保護功能，當電機出現故障時，智能功率模 塊14將會發(fā)出相應的故障信號，即U組、V組、W組的故障信號UFO、 VFO、 WFO，下橋臂故障信號FO，當電機制動時也會發(fā)出制動信號Br，， 這些信號經過光耦組20之后送到現場可編程門陣列13，立即阻斷PWM信 號的輸出，智能功率模塊14的功率開關將處于關斷狀態(tài)，電機停止運行， 保證系統(tǒng)的安全。在整流模塊24與智能功率模塊14之間增加軟啟動與制 動電路25，在電機啟動前，軟啟動與制動電路25保證濾波電容預先有一較 小的充電電流，避免因瞬間大電流通過電容導致電容的沖擊或擊穿，從而 保證整流器和濾波電容的安全；在電機制動時可以將制動產生的電能消耗 在放電電阻上。
權利要求
1、一種大功率長行程永磁同步直線電機的伺服驅動裝置，包括整流模塊(24)、開關電源模塊(17)、過欠電壓保護電路模塊(18)、數字信號處理器(12)、智能功率模塊(14)、霍爾電流傳感器(15)、第一光耦組(16)、第二光耦組(20)、第三光耦組(26)；整流模塊(24)的輸出端分別連接智能功率模塊(14)、開關電源模塊(17)的輸入端和過欠電壓保護電路模塊(18)的輸入端，電源模塊(17)的輸出端分別連接智能功率模塊(14)、數字信號處理器(12)、第一光耦組(16)、第二光耦組(20)和第三光耦組(26)，霍爾電流傳感器15的輸出端連接數字信號處理器(12)，其特征在于，還包括位置傳感器(4)，增量式旋轉光電編碼器(8)、差分電路(23)和現場可編程門陣列(13)，位置傳感器(4)的輸出端與數字信號處理器(12)連接，用于向數字信號處理器(12)傳送包含電機動子(3)在360°電角度范圍內相對于定子永磁體(5)位置信息的三相霍爾信號；增量式旋轉光電編碼器(8)通過差分電路(23)與數字信號處理器(12)連接，用于向數字信號處理器(12)傳送包含導滾輪(2)轉角和轉速信息的光電編碼信號；數字信號處理器(12)依次通過現場可編程門陣列(13)，第一光耦組(16)連接智能功率模塊(14)，用于計算電機動子(3)的速度及電機動子(3)相對于定子永磁體(5)的位置，并根據該速度和位置計算脈寬調制信號的占空比，產生脈寬調制信號，傳送給現場可編程門陣列(13)；智能功率模塊(14)還另外通過第二光耦組(20)連接現場可編程門陣列(13)，過欠壓保護電路(18)的輸出端通過第三光耦組(26)連接現場可編程門陣列(13)，電源模塊(17)的輸出端與現場可編程門陣列(13)相接。
2、根據權利要求1所述的一種大功率、長行程永磁同步直線電機的 伺服驅動裝置，其特征在于，所述位置傳感器(4)包括三個霍爾位置傳感 器，用于產生包含電機動子(3)在360°電角度范圍內相對于定子永磁體 (5)位置信息的三相霍爾信號。
3、 根據權利要求1所述的一種大功率、長行程永磁同步直線電機的 伺服驅動裝置，其特征在于，所述數字信號處理器(12)根據來自所述增 量式旋轉光電編碼器(8)的光電編碼器信號確定電機動子(3)的位移和 速度，并根據來自所述位置傳感器(4)的霍爾位置信號確定電機動子(3) 在360°電角度范圍內相對于定子永磁體(5)的某個位置，將其作為電機 動子基準位置，利用電機動子基準位置及電機動子(3)的位移實時計算直 線爭機動子(3)相對于定子永磁體5的位置。
4、 根據權利要求1或2或3所述的一種大功率、長行程永磁同步直 線電機的伺服驅動裝置，其特征在于，在所述整流模塊(24)與智能功率 模塊(14)之間接有軟啟動與制動電路(25)，用于保證在電機啟動前整 流模塊(24)的濾波電容預先有一較小充電電流，以及當電機處于發(fā)電狀態(tài) 下的能耗制動。
全文摘要
本發(fā)明提供一種大功率長行程永磁同步直線電機伺服驅動裝置，主要包括增量式旋轉光電編碼器、位置傳感器、數字信號處理器、現場可編程門陣列和智能功率模塊。增量式旋轉光電編碼器和位置傳感器與數字信號處理器相接，用于提供包含導滾輪轉角、轉速及電機動子基準位置信息的信號，數字信號處理器通過現場可編程門陣列連接智能功率模塊，用于執(zhí)行各種操作命令及矢量控制算法的計算，并產生脈寬調制信號傳送給智能功率模塊以完成電壓逆變。本發(fā)明不需要光柵尺、磁柵尺等昂貴的直線位置檢測設備，具有成本低、動態(tài)性能好、啟動力矩大、可擴展能力強等特點，尤其適用于由大功率、長行程永磁同步直線電機驅動的電梯、有軌運輸、工業(yè)提升設備等應用場合。
文檔編號H02P3/22GK101266497SQ20081004700
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月6日 優(yōu)先權日2008年3月6日
發(fā)明者傘曉剛, 農先鵬, 葉燚璽, 偉 姜, 曾理湛, 李小清, 賈文川, 陳學東 申請人:華中科技大學