CN107834941A - 一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统 - Google Patents

一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，以提高光纤缠绕过程中直线电机的动态响应速度及控制精度，增大直线电机控制系统的幅值裕度和相角裕度，实现光纤绕环时的精密平稳排纤；本发明包括直线电机综合控制模块、直线电机功率变换模块、直线电机、直线电机控制系统通信接口模块、直线电机电源模块和直线电机信号反馈模块；本发明根据激光干涉仪采样的数据及光栅尺反馈的位置数据，得出直线电机位置误差补偿表，在直线电机运动过程中，能够实时对光栅尺反馈的位置数据做插补运算，保证位置检测精度，进而提高了直线电机的排纤精度；本发明设计合理、易于实现，适用于各种类型光纤缠绕机和绕线设备的直线电机精密排纤以及与多轴伺服电机联动协同控制，具有较高的应用价值。

Description

一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统
技术领域
本发明涉及一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，属于光纤陀螺技术领域。
背景技术
光纤陀螺主要用于测量敏感载体的空间运动姿态，对导航系统的性能发挥起着非常关键的作用；光纤环是光纤陀螺的核心部件，光纤环的绕制方式、缠绕时的外部条件以及缠绕时光纤上的张力是影响光纤陀螺性能的主要因素。在光纤缠绕过程中，直线电机会带动导纤装置实现精密排纤，直线电机和各轴伺服电机会频繁的启动、停止并进行多轴协同控制；如果直线电机的启动、停止控制不当，就会出现启动抖动和停止过冲的现象；如果直线电机的响应速度较慢，控制精度较低，不仅影响光纤绕环时的张力控制精度，严重时还会出现叠纤或者光纤匝间间隙过大的缺陷。目前工业中普遍使用的直线电机及驱动器，集成度较低，不能满足光纤缠绕机多轴电机联动协同控制的高性能要求。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，能够在不改变现有光纤缠绕机工作环境的前提下，提高直线电机的动态响应速度及控制精度，增大直线电机控制系统的幅值裕度和相角裕度，实现光纤绕环时的精密平稳排纤。
本发明一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统包括直线电机综合控制模块、直线电机功率变换模块、直线电机、直线电机控制系统通信接口模块、直线电机电源模块和直线电机信号反馈模块；所述直线电机综合控制模块由直线电机控制FPGA模块和直线电机控制DSP模块组成；所述直线电机功率变换模块由SVPWM信号生成模块、驱动隔离模块和IPM模块组成；所述直线电机电源模块由直线电机控制电源模块和直线电机驱动电源模块组成；所述直线电机信号反馈模块由直线电机电流采样模块、直线电机位置采样模块和直线电机速度估计模块组成；所述直线电机电流采样模块由电流传感器和电流信号处理模块组成；所述直线电机位置采样模块由光栅尺和光栅尺信号处理模块组成。
本发明与现有技术相比的优点是：
(1)本发明的直线电机控制系统集成了直线电机综合控制模块、直线电机功率变换模块等各个系统模块，适用于光纤缠绕机的直线电机与各轴伺服电机联动协同控制，集成度高，排纤精度高；
(2)本发明的直线电机控制FPGA模块接收来自直线电机控制系统通信接口模块的指令，发送给直线电机控制DSP模块进行电机电流环、速度环和位置环三环控制解算，将解算指令发送给直线电机功率变换模块；接收直线电机电流采样模块、直线电机位置采样模块和直线电机速度估计模块的反馈信号，并将信号发送给直线电机控制DSP模块用于三环闭环反馈控制；直线电机控制FPGA模块实现了多任务的实时综合调度，执行效率高；
(3)本发明的直线电机控制FPGA模块根据激光干涉仪采样的数据及光栅尺反馈的位置数据，得出直线电机位置误差补偿表，在直线电机运动过程中，能够实时对光栅尺反馈的位置数据做插补运算，保证位置检测精度，进而提高了直线电机的排纤精度；
(4)本发明的直线电机控制DSP模块根据直线电机控制FPGA模块发送的指令信号及反馈信号实时进行位置环、速度环和电流环的闭环控制，在三环控制解算过程中加入了陷波滤波器和双极滤波器，位置环和速度环的带宽高，直线电机的位置、速度控制精度高，动态响应快，稳定性好；
(5)本发明的直线电机功率变换模块根据直线电机控制FPGA模块发送的解算指令，实时生成SVPWM信号，通过驱动隔离模块和IPM模块的转换，驱动直线电机执行；该模块隔离了控制电与伺服驱动电，增强了直线电机控制系统的抗电磁干扰能力；该模块动作迅速，响应速度快，驱动能力强；
(6)本发明的直线电机信号反馈模块实时反馈系统的电流、速度、位置参数，实现了闭环控制，提高了控制精度和系统的稳定性；光栅尺信号处理模块实现了光栅尺采样信号的四倍频，提高了光栅尺的采样精度，进而提高了直线电机控制系统的控制精度；
(7)本发明的直线电机控制系统设计合理、易于实现，适用于各种类型的光纤缠绕机和绕线设备的直线电机以及与多轴伺服电机联动协同控制，具有较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明直线电机控制系统原理框图。
图中：
1.直线电机综合控制模块 2.直线电机功率变换模块 3.直线电机
4.直线电机控制系统通信接口模块 5.直线电机电源模块 6.直线电机信号反馈模块
11.直线电机控制FPGA模块 12.直线电机控制DSP模块
21.SVPWM信号生成模块 22.驱动隔离模块 23.IPM模块
51.直线电机控制电源模块 52.直线电机驱动电源模块
61.直线电机电流采样模块 62.直线电机位置采样模块 63.直线电机速度估计模块
611.电流传感器 612.电流信号处理模块
621.光栅尺 622.光栅尺信号处理模块
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1所示，本发明一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统包括直线电机综合控制模块1、直线电机功率变换模块2、直线电机3、直线电机控制系统通信接口模块4、直线电源模块5和直线信号反馈模块6。
本发明中的直线电机综合控制模块1由直线电机控制FPGA模块11和直线电机控制DSP模块12组成；本发明中的直线电机功率变换模块2由SVPWM信号生成模块21、驱动隔离模块22和IPM模块23组成；本发明中的直线电机电源模块5由直线电机控制电源模块51和直线电机驱动电源模块52组成；本发明中的直线电机信号反馈模块6由直线电机电流采样模块61、直线电机位置采样模块62和直线电机速度估计模块63组成；本发明中的直线电机电流采样模块61由电流传感器611和电流信号处理模块612组成；本发明中的直线电机位置采样模块62由光栅尺621和光栅尺信号处理模块622组成。
本发明中的直线电机控制FPGA模块11接收来自直线电机控制系统通信接口模块4的指令，发送给直线电机控制DSP模块12进行电机电流环、速度环和位置环三环控制解算，将解算指令发送给直线电机功率变换模块2；本发明中的直线电机控制FPGA模块11接收直线电机电流采样模块61、直线电机位置采样模块62和直线电机速度估计模块63的反馈信号，并将信号发送给直线电机控制DSP模块12用于三环闭环反馈控制；直线电机控制FPGA模块11实现了多任务的实时综合调度，执行效率高。
本发明中的直线电机控制FPGA模块11根据激光干涉仪采样的数据及光栅尺621反馈的位置数据，得出直线电机3位置误差补偿表，在直线电机3运动过程中，能够实时对光栅尺621反馈的位置数据做插补运算，保证位置检测精度，进而提高了直线电机的排纤精度。
本发明中的直线电机控制DSP模块12根据直线电机控制FPGA模块11发送的指令信号及反馈信号实时进行位置环、速度环和电流环的闭环控制，在三环控制解算过程中加入了陷波滤波器和双极滤波器。
本发明中的直线电机功率变换模块2根据直线电机控制FPGA模块11发送的解算指令，实时生成SVPWM信号，通过驱动隔离模块22和IPM模块23的转换，驱动直线电机3执行动作；本发明中的驱动隔离模块22隔离了控制电与直线电机驱动电，增强了直线电机控制系统的抗电磁干扰能力。
本发明中的电流传感器611采样直线电机3的电流，通过电流信号处理模块612反馈给直线电机控制FPGA模块11；本发明中的光栅尺621采样直线电机3的位置信号，通过光栅尺信号处理模块622实现了位置信号的四倍频，反馈给直线电机控制FPGA模块11；本发明中的直线速度估计模块63根据四倍频的位置信号，解算直线电机3的速度，反馈给直线电机控制FPGA模块11。
本发明中的直线电机控制电源模块51为直线电机控制系统提供24V、4V以及3.3V控制电；本发明中的直线电机驱动电源模块52为直线电机控制系统提供220V动力电。
本发明中的直线电机控制系统集成了直线电机综合控制模块1、直线电机功率变换模块2等各个系统模块，可用于光纤缠绕机的直线电机3精密排纤以及与多轴伺服电机联动协同控制，集成度高，效率高；该系统能够实现两种形式的光纤精密排纤，其一是直线电机3匀速排纤，进动速度与收纤电机的转速相匹配，其二是直线电机3点动排纤，收纤电机每旋转一圈，直线电机3进动一个光纤线径的距离。
本发明提出了一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，该系统集成了直线电机综合控制模块、直线电机功率变换模块等各个系统模块，提高了直线电机的动态响应速度及控制精度，增大直线电机控制系统的幅值裕度和相角裕度，实现了光纤环的精密平稳排纤；本发明的直线电机控制系统设计合理、易于实现，适用于各种类型的光纤缠绕机和绕线设备的直线电机以及与多轴伺服电机联动协同控制，具有较高的应用价值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：由直线电机综合控制模块(1)、直线电机功率变换模块(2)、直线电机(3)、直线电机控制系统通信接口模块(4)、直线电源模块(5)和直线信号反馈模块(6)组成；
所述直线电机综合控制模块(1)由直线电机控制FPGA模块(11)和直线电机控制DSP模块(12)组成；所述直线电机功率变换模块(2)由SVPWM信号生成模块(21)、驱动隔离模块(22)和IPM模块(23)组成；所述直线电机电源模块(5)由直线电机控制电源模块(51)和直线电机驱动电源模块(52)组成；所述直线电机信号反馈模块(6)由直线电机电流采样模块(61)、直线电机位置采样模块(62)和直线电机速度估计模块(63)组成；所述直线电机电流采样模块(61)由电流传感器(611)和电流信号处理模块(612)组成；所述直线电机位置采样模块(62)由光栅尺(621)和光栅尺信号处理模块(622)组成。
2.根据权利要求1所述的一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：直线电机控制FPGA模块(11)接收来自直线电机控制系统通信接口模块(4)的指令，发送给直线电机控制DSP模块(12)进行电机电流环、速度环和位置环三环控制解算，将解算指令发送给直线电机功率变换模块(2)；直线电机控制FPGA模块(11)接收直线电机电流采样模块(61)、直线电机位置采样模块(62)和直线电机速度估计模块(63)的反馈信号，并将信号发送给直线电机控制DSP模块(12)用于三环闭环反馈控制；直线电机控制FPGA模块(11)实现了多任务的实时综合调度，执行效率高。
3.根据权利要求1所述的一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：直线电机控制FPGA模块(11)根据激光干涉仪采样的数据及光栅尺(621)反馈的位置数据，得出直线电机(3)位置误差补偿表，在直线电机(3)运动过程中，能够实时对光栅尺(621)反馈的位置数据做插补运算，保证位置检测精度，进而提高了直线电机的排纤精度。
4.根据权利要求1所述的一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：直线电机控制DSP模块(12)根据直线电机控制FPGA模块(11)发送的指令信号及反馈信号实时进行位置环、速度环和电流环的闭环控制，在三环控制解算过程中加入了陷波滤波器和双极滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：直线电机功率变换模块(2)根据直线电机控制FPGA模块(11)发送的解算指令，实时生成SVPWM信号，通过驱动隔离模块(22)和IPM模块(23)的转换，驱动直线电机(3)执行动作；驱动隔离模块(22)隔离了控制电与直线电机驱动电，增强了直线电机控制系统的抗电磁干扰能力。
6.根据权利要求1所述的一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：电流传感器(611)采样直线电机(3)的电流，通过电流信号处理模块(612)反馈给直线电机控制FPGA模块(11)；光栅尺(621)采样直线电机(3)的位置信号，通过光栅尺信号处理模块(622)实现了位置信号的四倍频，反馈给直线电机控制FPGA模块(11)；直线速度估计模块(63)根据四倍频的位置信号，解算直线电机(3)的速度，反馈给直线电机控制FPGA模块(11)。
7.根据权利要求1所述的一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：直线电机控制电源模块(51)为直线电机控制系统提供24V、4V以及3.3V控制电；直线电机驱动电源模块(52)为直线电机控制系统提供220V动力电。
8.根据权利要求1所述的一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：直线电机控制系统能够实现两种形式的光纤精密排纤；其一是直线电机(3)匀速排纤，进动速度与收纤电机的转速相匹配；其二是直线电机(3)点动排纤，收纤电机每旋转一圈，直线电机(3)进动一个光纤线径的距离。
9.根据权利要求1所述的一种适用于光纤缠绕机的直线电机控制系统，其特征在于：直线电机控制系统集成了直线电机综合控制模块(1)、直线电机功率变换模块(2)等各个系统模块，可用于光纤缠绕机的直线电机(3)精密排纤以及与多轴伺服电机联动协同控制，集成度高，效率高。
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