CN102025316A - 一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统 - Google Patents

Abstract

一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，涉及一种机械控制系统，包括有逆变部分、电压、电流信号检测、控制模块及通讯部分，其特征在于逆变部分逆变器模块为智能IPM功率模块，其驱动电路、保护电路和制动电路内置；电压、电流信号检测，为霍尔三相电压、电流传感器采集电压和电流信号；控制模块控制部分为umac控制卡，为光纤通讯方式，输出信号形式:±10V模拟量,数字量，脉冲+方向,PWM脉宽调制，通用I/O接口；通讯部分为上位机通过网线对umac控制卡进行编程和控制。本发明用较少的元件实现直接转矩控制，大大缩短了研发时间。

Description

一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统

技术领域

本发明涉及一种机械控制系统，特别是涉及一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统。

背景技术

直接转矩控制避免了矢量控制中两次静止与旋转坐标系之间的变换，以及确定转子磁链大小与相位的复杂计算，而直接在静止的定子坐标系上，借助三相定子电压和电流，计算电机的磁链和转矩来直接控制，从而简化了控制系统，且克服了转子参数随温度变化所产生的影响，使控制系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，采用智能功率模块作为逆变器模块，三相电压、电流传感器输出逆变器输出的电压和电流，控制模块采用umac控制卡，上位机通过软件对控制卡进行编程，用较少的元件实现直接转矩控制，大大缩短了研发时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，包括有逆变部分、电压、电流信号检测、控制模块及通讯部分，其逆变部分逆变器模块为智能IPM功率模块，其驱动电路、保护电路和制动电路内置； 电压、电流信号检测，为霍尔三相电压、电流传感器采集电压和电流信号；控制模块控制部分为umac控制卡，为光纤通讯方式，输出信号形式:±10V模拟量,数字量，脉冲+方向,PWM脉宽调制，通用I/O接口；通讯部分为上位机通过网线对umac控制卡进行编程和控制。

所述的一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，其所述的逆变部分，IPM自身带有报警，警报信号输出到umac卡，并禁止PWM信号输出，使IPM停止工作起到对IPM的保护。

所述的一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，其所述的控制模块部分，采用Motorola DSP56303系列数字信号处理器集中控制的CPU， 为国际标准结构，

所述的一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，其所述的电主轴定子三相绕组嵌在定子铁心槽中，空间互差120度电角度，且固定不动。 

本发明的优点与效果是：

用较少的元件实现直接转矩控制，大大缩短了研发时间。

附图说明

图1为本发明的电主轴直接转矩控制原理图；

图2为本发明的电主轴直接转矩控制硬件系统原理图；

图3为本发明的磁链空间矢量示意图；

图4为本发明的磁链调节器框图；

图5为本发明的转矩调节器示意图；

图6为本发明的转矩调节过程时序图；

图7为本发明的具有容差限的圆形磁链轨迹示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。

本发明控制部分的逆变部分的逆变器模块使用智能IPM功率模块，其驱动电路、保护电路和制动电路内置，因而简化了片外的驱动电路，减少了系统的故障率。IPM自身带有报警功能，将警报信号输出到umac卡，禁止PWM信号输出，使IPM停止工作从而起到对IPM的保护。电压、电流信号检测，使用霍尔三相电压、电流传感器精确采集电压和电流信号。控制模块的控制部分使用umac控制卡，采用Motorola DSP56303系列数字信号处理器(80MHZ)，集中控制的CPU， 采用国际标准结构,可靠性强，具有光纤等通讯方式，输出信号形式:±10V模拟量,数字量，(脉冲+方向),PWM脉宽调制，可以独立工作，通用I/O接口等，本身的特点使其适合直接转矩控制器的要求。通讯部分上位机通过网线对umac控制卡进行编程和控制，安全、便捷。

本发明的控制原理：

1)三相到两相的转换

电主轴定子三相绕组都嵌在定子铁心槽中，空间互差120度电角度，且固定不动。跟据电机学原理，完全可以用空间上互相垂直的两个静止的绕组                                                

、

来代替电主轴三相定子绕组A、B、C的作用。在

与A轴重合的前提条件下，它们之间有固定的变换关系：

              电流转换

            电压转换

2)两相静止坐标系下定子磁链方程

3)磁链幅值运算器

磁链运算器的作用是利用定子磁链空间矢量在α-β坐标系上的两个分量、

计算得到磁链幅值。

、

与磁链幅值的关系如下图所示。

图3中，

为定子磁链矢量空间角。取

与a轴同向时，

=0。由图4-5可得定子磁链幅值计算式：

                                                        

4)磁链空间角运算器

定子磁链空间矢量

的空间角

主要用于判定的空间位置，确定所处扇区，为电压空间矢量的合理选取提供依据。可得磁链空间角

的计算式：

                                                            

5)磁链调节器

由于模型参数改变、不同控制电压影响等因素，磁链很难在不加调节的情况下保持正确的轨迹，因此必须加入磁链调节器以闭环控制磁链幅值。采用施密特触发器，如图4所示，容差宽度为，将磁链幅值对于给定值限定在允许波动的范围内。磁链调节器的输入信号是磁链幅值偏差(磁链给定值与反馈值

)，输出值为磁链调节信号。

当定子磁链幅值

下降至

-

时，调节器的输入达到允许上限

，调节器的输出信号

变为1，表明需增加磁链幅值。当磁链幅值

上升至

+

时，调节器的输入降至允许下限-

，调节器的输出信号

变为0,表明需减小磁链幅值。

6)转矩观测器

转矩观测器的任务是用状态检测量经转矩模型，完成电磁转矩的计算。电主轴在定子静止坐标系α、β上的数学模型中的电磁转矩方程

用作转矩观测器。

7)转矩调节器

转矩调节器的结构同磁链调节器一样，只是容差不同。转矩调节器的容差为，如图5所示。

图5中调节器的输入信号为转矩给定值和转矩观测器的输出值的偏差值

=

-

，调节器的输出信号为转矩调节信号

。它的基本调节过程见图6。

8)近圆形磁链控制

为了能准确地确定某一瞬时定子磁链的空间位置，把原六边形的磁链轨迹，按电压空间矢量的作用方向，分为六个区域，每个区域占π/3电角度，在准圆形磁链运动轨迹中，可定义磁链幅值：

显见，首先可以根据

和的正负即可判断磁链矢量端点所在坐标区间。分别标以θ（1）,θ（2），…，θ（6），即

 （N=1,2, …,6）                                

如图7所示，由图可见，图中的三个圆圈，虚线圆圈表示定子磁链幅值的给定值，用|Ψg|表示，两个实线圆圈表示定子磁链幅值的实际值，用|Ψf|表示，它们的半径之差△|Ψf|为允许误差。图中不难看出，通过适当选择各段时间里的输入电压空间矢量，就可使定子磁链矢量的幅值只在给定|Ψg|和允许的偏差△|Ψf|/2的范围内变化，即

|Ψg|－△|Ψf|/2≤|Ψf|≤|Ψg|＋△|Ψf|/2                                           

在电机旋转过程中，每一阶段如何施加电压空间矢量，既要根据磁链偏差的大小，同时还要考虑磁链的方向。

Claims (4)

1.一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，包括有逆变部分、电压、电流信号检测、控制模块及通讯部分，其特征在于逆变部分逆变器模块为智能IPM功率模块，其驱动电路、保护电路和制动电路内置； 电压、电流信号检测，为霍尔三相电压、电流传感器采集电压和电流信号；控制模块控制部分为umac控制卡，为光纤通讯方式，输出信号形式:±10V模拟量,数字量，脉冲+方向,PWM脉宽调制，通用I/O接口；通讯部分为上位机通过网线对umac控制卡进行编程和控制。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，其特征在于，所述的逆变部分，IPM自身带有报警，警报信号输出到umac卡，并禁止PWM信号输出，使IPM停止工作起到对IPM的保护。

3.根据权利要求1所述的一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，其特征在于，所述的控制模块部分，采用Motorola DSP56303系列数字信号处理器集中控制的CPU， 为国际标准结构。

4.根据权利要求1所述的一种数控机床陶瓷电主轴直接转矩控制系统，其特征在于，所述的电主轴定子三相绕组嵌在定子铁心槽中，空间互差120度电角度，且固定不动。

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