CN101888206A - 一种永磁同步直线电机驱动器 - Google Patents

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杨炯
张�杰
徐佳琳
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Abstract

本发明涉及一种永磁同步直线电机驱动器，其特征在于：包括有对单相市电进行滤波的第一滤波器(1)；将交流电转换成直流电的整流器(2)；对直流电进行平滑处理的第二滤波器(3)；把直流电转换成三相交流电驱动直线电机的逆变器(4)；对直线电机电流进行检测的电流检测装置(5)，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)，控制器(8)接收来自电流检测装置(5)的模拟信号和电源电压信号，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。与现有技术相比，本发明的优点在于：能够精确地控制直线电机的推力、速度及位置。

Description

一种永磁同步直线电机驱动器
技术领域
本发明涉及一种永磁同步直线电机驱动器。
背景技术
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。在许多工业领域中，被控对象的运动路径往往是直线形式。但遗憾的是，过去由于直线运动驱动器没有得到充分的发展，长期以来不得不借助于旋转电机的旋转运动，加上机械变换环节而获得最终的直线运动，或者单向位移或者双向往复位移。显然，这种获得直线运动的方式具有“间接”的性质。如果驱动器能给被控对象提供直线运动形式的推力，以获得单向或者双向的有限可控位移，那么两者在运动形式上就直接匹配一致了。
永磁同步直线电机能直接产生直线推力，行程长、推力大、响应快，是构成直接驱动直线伺服单元的首选电机类型。不断在许多领域得到了应用。例如垂直升降输送系统，高速地面运输系统，往复式空气压缩机等等。但由于其直接驱动的特点，由端部效应、齿槽效应、纹波效应产生的推力波动，由初次级吸引力及导轨预压而引入的摩擦力，以及运行时的负载力都会对其控制精度产生较大的影响，为此需精心设计适用于该类直线电机的伺服驱动器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够精确地控制直线电机运动的推力、速度及位置的永磁同步直线电机驱动器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该永磁同步直线电机驱动器，其特征在于：包括有对单相市电进行滤波的第一滤波器；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第二滤波器；把直流电转换成三相交流电驱动直线电机的逆变器；对直线电机电流进行检测的电流检测装置，执行直线电机精确控制、接收直线电机反馈信号的控制器，其中第一滤波器的输入端与市电相连，第一滤波器的输出端与整流器的输入端相连，整流器的输出端与第二滤波器的输入端相连，第二滤波器的输出端与逆变器的输入端相连，逆变器的输出端与直线电机的电源输入端相连，电流检测装置的输入端与直线电机的电源输入端相连，电流检测装置的输出端与控制器的第一信号输入端相连，控制器的第二信号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装置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。
具体的，所述控制器包括执行位置精确控制的位置控制器；执行速度精确控制的速度控制器；执行电流精确控制的电流控制器；进行二相dq轴到三相UVW轴变换运算的第一坐标变换单元；从三相电流坐标轴变换到二相dq轴的第二坐标变换单元；用于产生PWM信号的PWM调制单元；从两相电流Ia和Ib计算出第三相电流Ic的加法器；通过光栅尺信号计算直线电机动子的运动位置的位置电角度计算单元；通过光栅尺信号计算直线电机动子速度的速度计算单元；电压型逆变器；
其中，直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器后产生位置负反馈信号与位置控制器的位置信号输入端相连；直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器后与速度计算单元的输入端相连，速度计算单元的输出端产生速度负反馈信号，与速度控制器的第一输入端相连，位置控制器的输出端产生速度信号，与速度控制器的第一输入端相连；直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器后与位置电角度计算单元的输入端相连，位置电角度计算单元的输出端产生角度信号，与第二坐标变换单元的第一输入端相连；第二坐标变换单元的第一信号输出端和第二信号输出端分别产生Iq、Id电流负反馈信号，分别和速度控制器的第二输出端产生Iq电流信号和外界给出的Id电流信号汇合，再各自连接到电流控制器的第一电流信号输入端和第二电流信号输入端，电流控制器的第一电流信号输出端和第二电流信号输出端分别连接到第一坐标变换单元的第一电流输入端和第二电流信号输入端，第一坐标变换单元的第一信号输出端、第二信号输出端和第三信号输出端获得励磁轴的三个信号即：Sa、Sb、Sc信号，连接到PWM调制单元的三个输入端，PWM调制单元的三个输出端与一电压型逆变器的三个输入端相连，电压型逆变器的三个输出端与直线电机相连，而且电压型逆变器的二个输出端分别获得Ia、Ib电流信号，获得Ia、Ib电流信号分别连接到加法器的信号输入端，而加法器的信号输出端获得Ic电流信号，最后，电压型逆变器的二个输出端的Ia、Ib电流信号和法器的信号输出端Ic电流信号，连接到第二坐标变换单元的另外三个信号输入端。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用三环的负反馈控制，能够精确地控制直线电机的推力、速度及位置，结构合理实用。
附图说明
图1为本发明实施例的硬件结构框图；
图2为本发明实施例中控制器的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示的永磁同步直线电机驱动器，包括有对单相市电进行滤波的第一滤波器1，将交流电转换成直流电的整流器2，对直流电进行平滑处理的第二滤波器3，把直流电转换成三相交流电驱动直线电机的逆变器4，对直线电机电流进行检测的电流检测装置5，执行直线电机6精确控制、接收直线电机6反馈信号的控制器8，其中第一滤波器1的输入端与市电相连，第一滤波器1的输出端与整流器2的输入端相连，整流器2的输出端与第二滤波器3的输入端相连，第二滤波器3的输出端与逆变器4的输入端相连，逆变器4的输出端与直线电机的电源输入端相连，电流检测装置5的输入端与直线电机相连，电流检测装置5的输出端与控制器8的信号输入端相连，控制器8的信号输出端与直线电机光栅尺7相连；控制器8接收来自电流检测装置5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7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6动子的运动位置和推力大小。
控制器8包括执行位置精确控制的位置控制器9，执行速度精确控制的速度控制器10，执行电流精确控制的电流控制器11，进行二相dq轴到三相UVW轴变换运算的第一坐标变换单元12，从三相电流坐标轴变换到二相dq轴的第二坐标变换单元16，用于产生PWM信号的PWM调制单元13，从两相电流Ia和Ib计算出第三相电流Ic的加法器18，通过光栅尺信号计算直线电机动子的运动位置的位置电角度计算单元17，通过光栅尺信号计算直线电机动子速度的速度计算单元15，电压型逆变器14；参见图2所示；其中，直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器20后产生位置负反馈信号与位置控制器9的位置信号输入端相连；直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器20后与速度计算单元15的输入端相连，速度计算单元15的输出端产生速度负反馈信号，与速度控制器10的第一输入端相连，位置控制器9的输出端产生速度信号，与速度控制器10的第一输入端相连；直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器20后与位置电角度计算单元17的输入端相连，位置电角度计算单元17的输出端产生角度信号，与第二坐标变换单元16的第一输入端相连；第二坐标变换单元16的第一信号输出端和第二信号输出端分别产生Iq、Id电流负反馈信号，分别和速度控制器10的第二输出端产生Iq电流信号和外界给出的Id电流信号汇合，再各自连接到电流控制器11的第一电流信号输入端和第二电流信号输入端，电流控制器11的第一电流信号输出端和第二电流信号输出端分别连接到第一坐标变换单元12的第一电流输入端和第二电流信号输入端，第一坐标变换单元12的第一信号输出端、第二信号输出端和第三信号输出端获得三相UVW轴的三个信号即：Sa、Sb、Sc信号，连接到PWM调制单元13的三个输入端，PWM调制单元13的三个输出端与一电压型逆变器14的三个输入端相连，电压型逆变器14的三个输出端与直线电机相连，而且电压型逆变器14的二个输出端分别获得Ia、Ib电流信号，获得Ia、Ib电流信号分别连接到加法器18的信号输入端，而加法器18的信号输出端获得Ic电流信号，最后，电压型逆变器14的二个输出端的Ia、Ib电流信号和法器18的信号输出端Ic电流信号，连接到第二坐标变换单元16的另外三个信号输入端。
控制器8通过采集直线电机光栅尺输出的电流信号反馈和位置信号反馈计算当前电机运行的电流、速度和正弦的电角度，然后通过位置电角度计算单元17和速度计算单元15来计算直线电机的位置和速度，通过位置控制器9、速度控制器10和电流控制器11精确控制直线电机的推力、速度及位置。整个控制由3个环路构成，内环控制电流(推力)，中间环控制速度，外环控制位置。同时，软件还提供硬件保护的功能。
其中位置控制器9根据直线电机加速度大的特性，在位置控制中加入前馈环节，用于克服电机带负载运行时由于惯性造成的定位精度下降问题。
电流控制器11，根据直线电机运行时反向电动势较低、的特性，加入电流控制环节以及适当的参数设置，对推力直接进行控制，减少了电机运行过程中的推力波动，有利于电机的平稳运行和精确定位。

Claims (2)

1.一种永磁同步直线电机驱动器，其特征在于：包括有对单相市电进行滤波的第一滤波器(1)；将交流电转换成直流电的整流器(2)；对直流电进行平滑处理的第二滤波器(3)；把直流电转换成三相交流电驱动直线电机的逆变器(4)；对直线电机电流进行检测的电流检测装置(5)，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)，其中第一滤波器(1)的输入端与市电相连，第一滤波器(1)的输出端与整流器(2)的输入端相连，整流器(2)的输出端与第二滤波器(3)的输入端相连，第二滤波器(3)的输出端与逆变器(4)的输入端相连，逆变器(4)的输出端与直线电机的电源输入端相连，电流检测装置(5)的输入端与直线电机的电源输入端相连，电流检测装置(5)的输出端与控制器(8)的第一信号输入端相连，控制器(8)的第二信号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(8)接收来自电流检测装置(5)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。
2.根据权利要求1所述的永磁同步直线电机驱动器，其特征在于：所述控制器(8)包括执行位置精确控制的位置控制器(9)；执行速度精确控制的速度控制器(10)；执行电流精确控制的电流控制器(11)；进行二相dq轴到三相UVW轴变换运算的第一坐标变换单元(12)；从三相电流坐标轴变换到二相dq轴的第二坐标变换单元(16)；用于产生PWM信号的PWM调制单元(13)；从两相电流Ia和Ib计算出第三相电流Ic的加法器(18)；通过光栅尺信号计算直线电机动子的运动位置的位置电角度计算单元(17)；通过光栅尺信号计算直线电机动子速度的速度计算单元(15)；电压型逆变器(14)；
其中，直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器(20)后产生位置负反馈信号与位置控制器(9)的位置信号输入端相连；直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器(20)后与速度计算单元(15)的输入端相连，速度计算单元(15)的输出端产生速度负反馈信号，与速度控制器(10)的第一输入端相连，位置控制器(9)的输出端产生速度信号，与速度控制器(10)的第一输入端相连；直线电机光栅尺的输出端连接可逆计数器(20)后与位置电角度计算单元(17)的输入端相连，位置电角度计算单元(17)的输出端产生角度信号，与第二坐标变换单元(16)的第一输入端相连；第二坐标变换单元(16)的第一信号输出端和第二信号输出端分别产生Iq、Id电流负反馈信号，分别和速度控制器(10)的第二输出端产生Iq电流信号和外界给出的Id电流信号汇合，再各自连接到电流控制器(11)的第一电流信号输入端和第二电流信号输入端，电流控制器(11)的第一电流信号输出端和第二电流信号输出端分别连接到第一坐标变换单元(12)的第一电流输入端和第二电流信号输入端，第一坐标变换单元(12)的第一信号输出端、第二信号输出端和第三信号输出端获得三相UVW轴的三个信号即：Sa、Sb、Sc信号，连接到PWM调制单元(13)的三个输入端，PWM调制单元(13)的三个输出端与一电压型逆变器(14)的三个输入端相连，电压型逆变器(14)的三个输出端与直线电机相连，而且电压型逆变器(14)的二个输出端分别获得Ia、Ib电流信号，获得Ia、Ib电流信号分别连接到加法器(18)的信号输入端，而加法器(18)的信号输出端获得Ic电流信号，最后，电压型逆变器(14)的二个输出端的Ia、Ib电流信号和法器(18)的信号输出端Ic电流信号，连接到第二坐标变换单元(16)的另外三个信号输入端。
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