專利名稱:一種雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，包括控制模塊，以及與所述控制模塊連接的第一伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)和第二伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)；所述控制模塊包括：數(shù)字信號處理器、第一位置解碼電路、第二位置解碼電路、通信模塊、第一旋變激勵電路、第二旋變激勵電路、第一全橋逆變器、隔離驅(qū)動電路、第二全橋逆變器以及用于提供電源且與所述第一全橋逆變器和第二全橋逆變器連接的直流供電電源。本實用新型相對傳動伺服系統(tǒng)省去了輸出軸角度傳感器的安裝和使用，由于電機(jī)輸出軸和滾珠絲杠是同軸一體成型，提高了系統(tǒng)電路集成度、減少了系統(tǒng)體積、提高了控制精度、節(jié)約了角度傳感器件，具有高小型化、低成本、精度高的有益效果。
【專利說明】一種雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于伺服【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]交流永磁無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)是電機(jī)學(xué)、交流電動機(jī)變頻調(diào)速理論、自動控制理論、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)等學(xué)科的有機(jī)結(jié)合與交叉應(yīng)用。隨著這些科學(xué)技術(shù)的日漸成熟，加之交流電機(jī)在體積、重量、維修量、可靠性、效率等方面優(yōu)于直流電機(jī)，目前伺服系統(tǒng)正處在從傳統(tǒng)電機(jī)向交流永磁同步電機(jī)的過渡階段。
[0003]該電機(jī)伺服控制方案采用永磁同步電機(jī)矢量控制理論，它是以磁場定向為控制核心，即在轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中對勵磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq分別進(jìn)行解耦控制，通過PI線性控制器轉(zhuǎn)換后按照經(jīng)典的線性控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計，電機(jī)控制量(Uf)經(jīng)解調(diào)輸出給逆變器開關(guān)，信號控制采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，即通過快速交替輸出逆變器的開關(guān)矢量從而引導(dǎo)定子磁鏈形成準(zhǔn)圓形的磁鏈軌跡，從而推動電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0004]由于電機(jī)在高速的旋轉(zhuǎn)過程中，控制系統(tǒng)需要在極短的時間內(nèi)實時地檢測解調(diào)轉(zhuǎn)子旋變位置信號，同時對檢測的相電流信號進(jìn)行一系列復(fù)雜的解耦轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并綜合以上運(yùn)算數(shù)據(jù)再發(fā)出控制指令，輸出SVPWM脈寬調(diào)制開關(guān)信號，再經(jīng)隔離、放大后控制逆變器控制電機(jī)有規(guī)律地運(yùn)轉(zhuǎn)。此過程需要系統(tǒng)具備快速而且豐富的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，而對于多路通道電機(jī)伺服系統(tǒng)而言，電路電磁環(huán)境相對復(fù)雜，對核心處理器芯片及其外圍電路有更高的要求。
[0005]近年來，隨著基礎(chǔ)工業(yè)水平以及現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，伺服系統(tǒng)正朝著長壽命、高效率、免維護(hù)、機(jī)電一體化設(shè)計方向發(fā)展，交流永磁同步伺服系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，相對于傳統(tǒng)有刷電機(jī)和直流電機(jī)具有更優(yōu)越的動態(tài)輸出特性、電功率特性以及控制性能，成為主要的發(fā)展趨勢。
實用新型內(nèi)容
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實用新型提供了一種雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，其目的在于提高多通道系統(tǒng)的集成度，減少伺服機(jī)構(gòu)體積，減少對傳感器件依賴提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，由此解決集成化、小型化、高精度和低成本之間共存的技術(shù)問題。
[0007]本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，包括控制模塊，以及與所述控制模塊連接的第一伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)和第二伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)；所述控制模塊包括:數(shù)字信號處理器、第一位置解碼電路、第二位置解碼電路、通信模塊、第一旋變激勵電路、第二旋變激勵電路、第一全橋逆變器、隔離驅(qū)動電路、第二全橋逆變器以及用于提供電源且與所述第一全橋逆變器和第二全橋逆變器連接的直流供電電源；所述通信模塊的第一輸入端用于接收第一位置輸入信號UF1，所述通信模塊的第二輸入端用于接收第二位置輸入信號UF2 ;所述數(shù)字信號處理器的第一控制輸入端連接至所述通信模塊的第一輸出端，所述數(shù)字信號處理器的第二控制輸入端連接至所述通信模塊的第二輸出端；所述數(shù)字信號處理器的第一輸入端連接至所述第一位置解碼電路的輸出端，所述數(shù)字信號處理器的第二輸入端連接至所述第二位置解碼電路的輸出端；所述第一位置解碼電路的輸入端連接至所述第一旋變激勵電路的基準(zhǔn)信號輸出端，所述第二位置解碼電路的輸入端連接至所述第二旋變激勵電路的基準(zhǔn)信號輸出端；所述隔離驅(qū)動電路的第一輸入端和第二輸入端分別連接至所述數(shù)字信號處理器的第一輸出端和第二輸出端；所述第一全橋逆變器的輸入端連接至所述隔離驅(qū)動電路的第一輸出端，所述第二全橋逆變器的輸入端連接至所述隔離驅(qū)動電路的第二輸出端；所述第一伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括依次連接在所述第一全橋逆變器的輸出端的第一永磁同步電機(jī)、第一動力傳輸機(jī)構(gòu)和第一輸出軸；所述第一永磁同步電機(jī)的第一輸入端與所述第一全橋逆變器的輸出端連接，所述第一永磁同步電機(jī)的第二輸入端連接至所述第一旋變激勵電路的余弦激勵信號輸出端，所述第一永磁同步電機(jī)的第三輸入端連接至所述第一旋變激勵電路的正弦激勵信號輸出端，所述第一永磁同步電機(jī)的第一輸出端與所述第一動力傳輸機(jī)構(gòu)連接，所述第一永磁同步電機(jī)的第二輸出端與所述數(shù)字信號處理器的第三輸入端連接，所述第一永磁同步電機(jī)的第三輸出端與所述第一位置解碼電路的第一反饋端鏈連接，所述第一永磁同步電機(jī)的第四輸出端與所述第一位置解碼電路的第二反饋端鏈連接；所述第二伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括依次連接在所述第二全橋逆變器的輸出端的第二永磁同步電機(jī)、第二動力傳輸機(jī)構(gòu)和第二輸出軸；所述第二永磁同步電機(jī)的第一輸入端與所述第二全橋逆變器的輸出端連接，所述第二永磁同步電機(jī)的第二輸入端連接至所述第二旋變激勵電路的余弦激勵信號輸出端，所述第二永磁同步電機(jī)的第三輸入端連接至所述第二旋變激勵電路的正弦激勵信號輸出端，所述第二永磁同步電機(jī)的第一輸出端與所述第二動力傳輸機(jī)構(gòu)連接，所述第二永磁同步電機(jī)的第二輸出端與所述數(shù)字信號處理器的第四輸入端連接，所述第二永磁同步電機(jī)的第三輸出端與所述第二位置解碼電路的第一反饋端鏈連接，所述第二永磁同步電機(jī)的第四輸出端與所述第二位置解碼電路的第二反饋端鏈連接。
[0008]更進(jìn)一步地，所述數(shù)字信號處理器包括第一加法器G1、第二加法器G2、第三加法器G3、位置轉(zhuǎn)換器、位置調(diào)節(jié)器、速度轉(zhuǎn)換器、速度調(diào)節(jié)器、相電流解耦變換器、電流調(diào)節(jié)器、磁場定向控制器和空間矢量脈寬調(diào)制控制器；所述位置轉(zhuǎn)換器的輸入端用于接收轉(zhuǎn)子角度信號Θ，所述第一加法器Gl的第一輸入端用于接收位置輸入信號，所述第一加法器Gl的第二輸入端連接至所述位置轉(zhuǎn)換器的輸出端，所述位置調(diào)節(jié)器的輸入端連接至所述第一加法器Gl的輸出端；所述速度轉(zhuǎn)換器的輸入端用于連接轉(zhuǎn)子角度信號Θ，所述第二加法器G2的第一輸入端連接至所述位置調(diào)節(jié)器的輸出端，所述第二加法器G2的第二輸入端連接至所述速度轉(zhuǎn)換器的輸出端；所述速度調(diào)節(jié)器的輸入端連接至所述第二加法器G2的輸出端，所述相電流解耦變換器的輸入端用于連接相電流檢測信號，所述電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接至所述相電流解耦變換器的輸出端，所述第三加法器G3的第一輸入端連接至所述速度調(diào)節(jié)器的輸出端，所述第三加法器G3的第二輸入端連接至所述電流調(diào)節(jié)器的輸出端；所述磁場定向控制器的第一輸入端用于接收轉(zhuǎn)子角度信號Θ，所述磁場定向控制器的第二輸入端連接至所述第三加法器G3的輸出端，所述空間矢量脈寬調(diào)制控制器的輸入端連接至所述磁場定向控制器的輸出端，所述空間矢量脈寬調(diào)制控制器的輸出端用于輸出6路SVPWM控制信號。
[0009]更進(jìn)一步地，所述第一動力傳輸機(jī)構(gòu)和所述第二動力傳輸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，包括:滾珠絲杠、滾動螺母、漸開搖臂和輸出軸，電機(jī)輸出軸和滾珠絲杠同軸一體輸出，與絲杠同軸的滾動螺母通過滾珠絲杠的正反向旋轉(zhuǎn)，帶動螺母在絲杠上來回滑動，滾動螺母在滑動的過程中帶動漸開搖臂做圓形弧線傳動，確保搖臂到伺服輸出軸力矩的平滑和位移轉(zhuǎn)換關(guān)系的恒定，由于絲杠導(dǎo)程恒定、漸開搖臂傳動力臂恒定，電機(jī)輸出與伺服機(jī)構(gòu)輸出軸之間有固定的傳動減速比。
[0010]更進(jìn)一步地，所述第一輸出軸與所述第一動力傳輸機(jī)構(gòu)中的滾珠絲杠為一體化成型，所述第二輸出軸與所述第二動力傳輸機(jī)構(gòu)中的滾珠絲杠為一體化成型。
[0011]更進(jìn)一步地，所述第一伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)和第二伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相對傳動伺服系統(tǒng)省去了輸出軸角度傳感器的安裝和使用，由于電機(jī)輸出軸和滾珠絲杠是同軸一體成型，電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子位置即為當(dāng)前絲杠位置，永磁轉(zhuǎn)子的位置及位移累計量可由旋變解碼電路解調(diào)完成，由于電機(jī)輸出與伺服輸出軸傳動減速比關(guān)系恒定，只要檢測電機(jī)轉(zhuǎn)動方向、累計圈數(shù)及傳動減速比就可以實時檢測伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的實際角度。
[0012]更進(jìn)一步地，漸開搖臂內(nèi)設(shè)置有一個滾動軸承。其中，滾動軸承的外端通過軸承蓋緊固，所述滾動軸承的內(nèi)端通過絲杠軸螺紋緊固。
[0013]總體而言，通過本實用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于提高了系統(tǒng)電路集成度、減少了系統(tǒng)體積、提高了控制精度、節(jié)約了角度傳感器件，具有高小型化、低成本、精度高有益效果。

【附圖說明】

[0014]圖1是本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的原理框圖；
[0015]圖2是本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中數(shù)字信號處理器的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016]圖3是本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中數(shù)字信號處理器的具體電路及其引腳配置示意圖；
[0017]圖4是本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中旋變激勵電路和位置解碼電路的具體電路圖；
[0018]圖5是本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中隔離驅(qū)動電路的具體電路圖。

【具體實施方式】
[0019]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0020]圖1示出了本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的原理框圖，為了便于說明，僅示出了與本實用新型相關(guān)的部分，詳述如下:
[0021]本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)包括控制模塊1，以及與控制模塊I連接的第一伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)2和第二伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)3 ;控制模塊I包括:數(shù)字信號處理器11、第一位置解碼電路12、第二位置解碼電路13、通信模塊14、第一旋變激勵電路15、第二旋變激勵電路16、第一全橋逆變器17、隔離驅(qū)動電路18、第二全橋逆變器19以及用于提供電源且與第一全橋逆變器17和第二全橋逆變器19連接的直流供電電源10 ;通信模塊14的第一輸入端用于接收第一位置輸入信號UF1，通信模塊14的第二輸入端用于接收第二位置輸入信號UF2 ;數(shù)字信號處理器11的第一控制輸入端連接至通信模塊14的第一輸出端，數(shù)字信號處理器11的第二控制輸入端連接至通信模塊14的第二輸出端；數(shù)字信號處理器11的第一輸入端連接至第一位置解碼電路12的輸出端，數(shù)字信號處理器11的第二輸入端連接至第二位置解碼電路13的輸出端；第一位置解碼電路12的輸入端連接至第一旋變激勵電路15的基準(zhǔn)信號輸出端，第二位置解碼電路13的輸入端連接至第二旋變激勵電路16的基準(zhǔn)信號輸出端；隔離驅(qū)動電路18的第一輸入端和第二輸入端分別連接至數(shù)字信號處理器11的第一輸出端和第二輸出端；第一全橋逆變器17的輸入端連接至隔離驅(qū)動電路18的第一輸出端，第二全橋逆變器19的輸入端連接至隔離驅(qū)動電路18的第二輸出端；第一伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)2包括依次連接在所述第一全橋逆變器17的輸出端的第一永磁同步電機(jī)21、第一動力傳輸機(jī)構(gòu)22和第一輸出軸23 ;第一永磁同步電機(jī)21的第一輸入端與第一全橋逆變器17的輸出端連接，第一永磁同步電機(jī)21的第二輸入端連接至第一旋變激勵電路15的余弦激勵信號輸出端，第一永磁同步電機(jī)21的第三輸入端連接至第一旋變激勵電路15的正弦激勵信號輸出端，第一永磁同步電機(jī)21的第一輸出端與第一動力傳輸機(jī)構(gòu)22連接，第一永磁同步電機(jī)21的第二輸出端與所述數(shù)字信號處理器11的第三輸入端連接，第一永磁同步電機(jī)21的第三輸出端與第一位置解碼電路12的第一反饋端鏈連接，第一永磁同步電機(jī)21的第四輸出端與第一位置解碼電路12的第二反饋端鏈連接；第二伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)3包括依次連接在第二全橋逆變器19的輸出端的第二永磁同步電機(jī)31、第二動力傳輸機(jī)構(gòu)32和第二輸出軸33 ;第二永磁同步電機(jī)31的第一輸入端與第二全橋逆變器19的輸出端連接，第二永磁同步電機(jī)31的第二輸入端連接至第二旋變激勵電路16的余弦激勵信號輸出端，第二永磁同步電機(jī)31的第三輸入端連接至第二旋變激勵電路16的正弦激勵信號輸出端，第二永磁同步電機(jī)31的第一輸出端與第二動力傳輸機(jī)構(gòu)32連接，第二永磁同步電機(jī)31的第二輸出端與數(shù)字信號處理器11的第四輸入端連接，第二永磁同步電機(jī)31的第三輸出端與第二位置解碼電路13的第一反饋端鏈連接，第二永磁同步電機(jī)31的第四輸出端與第二位置解碼電路13的第二反饋端鏈連接。
[0022]本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)可以同時接收兩路伺服位置控制指令(Ufl，Uf2)作為輸入，兩路電機(jī)控制系統(tǒng)以共用的一個DSP芯片為核心，將接收的位置指令(β*)、轉(zhuǎn)子角度(Θ)和相電流信號(i)經(jīng)一系列控制策略和算法轉(zhuǎn)換得出相應(yīng)電機(jī)控制信號，最終以兩通道各6路SVPWM脈寬調(diào)制波的形式輸出，信號經(jīng)隔離、驅(qū)動放大后驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)，從而分別控制雙電機(jī)有效運(yùn)行
[0023]在本實用新型中，雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的工作原理如下:伺服系統(tǒng)通過接收位置給定信號作為系統(tǒng)輸入，檢測來自于旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片的位置解調(diào)信號和電流傳感器相電流信號，控制系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器為核心，經(jīng)運(yùn)算輸出控制信號，信號經(jīng)隔離驅(qū)動等電路輸送給逆變器開關(guān)，旋變解碼芯片輸出旋變激勵，同時將反饋回的位置模擬信號解碼傳送數(shù)字信號處理器中閉環(huán)運(yùn)算。
[0024]在本實用新型中，第一動力傳輸機(jī)構(gòu)22和第二動力傳輸機(jī)構(gòu)32的結(jié)構(gòu)相同，包括:滾珠絲杠、滾動螺母和漸開搖臂，其中電機(jī)輸出軸和滾珠絲杠同軸一體輸出，與絲杠同軸的滾動螺母通過滾珠絲杠的正反向旋轉(zhuǎn)，帶動螺母在絲杠上來回滑動，滾動螺母在滑動的過程中帶動漸開搖臂做圓形弧線傳動，確保搖臂到伺服輸出軸力矩的平滑和位移轉(zhuǎn)換關(guān)系的恒定，由于絲杠導(dǎo)程恒定、漸開搖臂傳動力臂恒定，電機(jī)輸出與伺服機(jī)構(gòu)輸出軸之間有固定的傳動減速比。
[0025]其中第一輸出軸與第一動力傳輸機(jī)構(gòu)中的滾珠絲杠為一體化成型，所述第二輸出軸與所述第二動力傳輸機(jī)構(gòu)中的滾珠絲杠為一體化成型，可以確保絲杠與電機(jī)軸、絲杠與滾動螺母同軸度。
[0026]執(zhí)行機(jī)構(gòu)中交流永磁同步電機(jī)、滾珠絲杠副、滾動螺母、漸開式搖臂輸出軸設(shè)計時與控制電路融合在一個空間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)動經(jīng)過滾珠絲杠減速器后通過搖臂帶動輸出軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)角度輸出。滾珠絲杠與電機(jī)一體化設(shè)計可以實現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速及力矩對面進(jìn)行直接的輸出控制，同時避免了電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)構(gòu)帶來的能量損失及過渡機(jī)構(gòu)傳動間隙對控制系統(tǒng)造成的影響。
[0027]由于伺服系統(tǒng)設(shè)計采用一體化設(shè)計，輸出軸輸出指標(biāo)主要為轉(zhuǎn)速、力矩及偏轉(zhuǎn)角度，保證輸出滿足設(shè)計要求，減速器采用一級減速，電機(jī)輸出軸和滾珠絲杠副一體化設(shè)計，確保絲杠與電機(jī)軸、絲杠與滾動螺母同軸度，滾動螺母與搖臂圓跳動要求，絲杠螺母通過鋼套帶動撥叉轉(zhuǎn)動，使機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便。
[0028]本實用新型中提供的全數(shù)字化伺服機(jī)構(gòu)具有體積小、效率高、可靠性好、精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。
[0029]如圖2所示，數(shù)字信號處理器11包括第一加法器G1、第二加法器G2、第三加法器G3、位置轉(zhuǎn)換器111、位置調(diào)節(jié)器112、速度轉(zhuǎn)換器113、速度調(diào)節(jié)器114、相電流解耦變換器115、電流調(diào)節(jié)器116、磁場定向控制器117和空間矢量脈寬調(diào)制控制器118 ;位置轉(zhuǎn)換器111的輸入端用于接收轉(zhuǎn)子角度信號Θ，第一加法器Gl的第一輸入端用于接收位置輸入信號，第一加法器Gl的第二輸入端連接至位置轉(zhuǎn)換器111的輸出端，位置調(diào)節(jié)器112的輸入端連接至第一加法器Gl的輸出端；速度轉(zhuǎn)換器113的輸入端用于連接轉(zhuǎn)子角度信號Θ，第二加法器G2的第一輸入端連接至位置調(diào)節(jié)器112的輸出端，第二加法器G2的第二輸入端連接至速度轉(zhuǎn)換器113的輸出端；速度調(diào)節(jié)器114的輸入端連接至第二加法器G2的輸出端，相電流解耦變換器115的輸入端用于連接相電流檢測信號，電流調(diào)節(jié)器116的輸入端連接至相電流解耦變換器115的輸出端，第三加法器G3的第一輸入端連接至速度調(diào)節(jié)器114的輸出端，第三加法器G3的第二輸入端連接至電流調(diào)節(jié)器116的輸出端；磁場定向控制器117的第一輸入端用于接收轉(zhuǎn)子角度信號Θ，磁場定向控制器117的第二輸入端連接至第三加法器G3的輸出端，空間矢量脈寬調(diào)制控制器118的輸入端連接至磁場定向控制器117的輸出端，空間矢量脈寬調(diào)制控制器118的輸出端用于輸出6路SVPWM控制信號。
[0030]數(shù)字信號處理器11生成的兩通道各六路SVPWM波形經(jīng)隔離、驅(qū)動等電路輸送給逆變器實現(xiàn)對兩個交流永磁同步電機(jī)的實時控制。數(shù)字信號處理器11中位置轉(zhuǎn)換器111將接收的第一位置解碼電路12和第二位置解碼電路13輸出的轉(zhuǎn)子角度信號(θ )進(jìn)行轉(zhuǎn)換后獲得輸出軸角度反饋信號(β)，第一加法器Gl將位置輸入信號(β*)與輸出軸角度反饋信號(β)進(jìn)行比較后輸出，位置調(diào)節(jié)器112將第一加法器Gl的輸出轉(zhuǎn)換為速度輸入信號(V*)，速度轉(zhuǎn)換器113將轉(zhuǎn)子角度信號(0 )轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(V)，第二加法器G2將速度輸入信號(V*)與電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(V)進(jìn)行比較后輸出，速度調(diào)節(jié)器114將第二加法器G2的輸出轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩電流輸入信號(iq*)，相電流解耦變換器115將相電流檢測信號轉(zhuǎn)換為id (磁阻電流分量)、iq (轉(zhuǎn)矩電流分量)，電流調(diào)節(jié)器116將id、iq轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩電流檢測信號(iqf)，第三加法器G3將轉(zhuǎn)矩電流輸入信號(iq*)與轉(zhuǎn)矩電流檢測信號(iqf)進(jìn)行比較后輸出，磁場定向控制器117根據(jù)第三加法器G3的輸出以及轉(zhuǎn)子角度信號(Θ)輸出控制指令(Uf)，空間矢量脈寬調(diào)制控制器118將控制指令(Uf)轉(zhuǎn)換為六路SVPWM脈寬調(diào)制信號發(fā)送出去。
[0031]旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號經(jīng)旋變解碼芯片處理后輸出為數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器進(jìn)行運(yùn)算，提高了伺服系統(tǒng)的抗干擾能力，實現(xiàn)了全數(shù)字化伺服位置閉環(huán)控制。旋變解碼芯片實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子角度解碼及為輸出軸位置的轉(zhuǎn)換計算提供了可能，取消了傳統(tǒng)角度傳感器的使用，同時解碼芯片還擔(dān)負(fù)著旋變激勵信號發(fā)生器的功能，為電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器提供一對互補(bǔ)正弦激勵信號，既提高了系統(tǒng)集成度也降低了器件消耗成本。
[0032]本實用新型提供的伺服系統(tǒng)是一種集交流永磁同步電機(jī)磁場定向控制策略、空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulat1n，SVPWM)、旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號解調(diào)等于一體的雙通道電機(jī)集成伺服系統(tǒng)，其特點是可以通過一個DSP主控芯片及兩路旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)芯片實現(xiàn)同時對兩路交流永磁同步電機(jī)的伺服控制。檢測伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸位置反饋信號(β )，先由旋轉(zhuǎn)變壓器位置解碼得到永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子相對位置及其累積量，再根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速比以及傳動關(guān)系計算出最終伺服輸出軸當(dāng)前實際位置角度(β )，從而減少了傳統(tǒng)伺服對角度傳感器及其信號調(diào)理采樣電路依賴，同時降低了在信號采樣過程中受到其它信號干擾的風(fēng)險，提高了對伺服系統(tǒng)控制精度。傳動裝置采用電機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲杠副傳動機(jī)構(gòu)輸出的傳動方式。方案中將滾珠絲杠副螺母帶動的搖臂輸出軸采用漸開線滑槽結(jié)構(gòu)，保證了傳動機(jī)構(gòu)在傳動過程中傳動比的恒定。滾珠絲杠副上的絲杠轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)換為螺母的直線運(yùn)動帶動漸開線式搖臂輸出軸旋轉(zhuǎn)角度。
[0033]本實用新型主要是針對雙通道數(shù)字交流永磁伺服系統(tǒng)電路設(shè)計，將數(shù)字化控制系統(tǒng)進(jìn)行融合，同時將電機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)、控制器一體化設(shè)計，充分利用滾珠絲杠副、滾動螺母、漸開式搖臂輸出軸緊湊精確的傳動設(shè)計，在滿足同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求下，具有縮小了伺服系統(tǒng)的體積、降低元器件消耗成本、提高伺服系統(tǒng)集成度的特點。
[0034]在本實用新型中，由于大部分電路為高頻信號處理電路，因此要特別注意器件的布局及信號間干擾問題的處理。數(shù)字信號處理器11可以采用32位定點DSP芯片，可在最高150ΜΗΖ主頻下工作，利用其兩個事件管理模塊EVA和EVB，每個事件管理器包括通用定時器、全比較器PWM單元，EVA和EVB兩個模塊具有相同的外設(shè)，每個事件管理器可以獨(dú)立地輸出六路PWM波形控制一組三相全橋逆變器，圖3示出了本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中數(shù)字信號處理器的具體電路及其引腳配置。
[0035]圖4示出了本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中旋變激勵電路和位置解碼電路的具體電路；在本實用新型中，旋變激勵電路和位置解碼電路可以集成于一體。電機(jī)自帶無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是包含電機(jī)轉(zhuǎn)軸當(dāng)前位置正弦和余弦信號的模擬信號。旋變數(shù)字解碼電路采用了旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，它集成旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦激勵信號發(fā)生和電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號解調(diào)于一體。跟蹤速率最高可達(dá)到3125rps (1bit)，分辨率(10、12、14、16bit)，并口 /串口數(shù)據(jù)傳送絕對位置信號和速度信號(可設(shè)置為單一輸出)，內(nèi)含故障檢測電路，與DSP和SPI接口兼容，集成可編程振蕩器可為旋轉(zhuǎn)變壓器提供兩路差分勵磁信號，其具體電路如圖4所示。
[0036]圖5示出了本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中隔離驅(qū)動電路的具體電路；隔離驅(qū)動電路18可以采用集成驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動控制，芯片是用于電機(jī)驅(qū)動控制的高壓集成芯片，具有完整的軟停機(jī)的電機(jī)驅(qū)動保護(hù)，能夠探測欠飽和狀態(tài)或電源欠壓，并向控制器發(fā)送故障信息，軟過電流關(guān)閉避免了功率節(jié)點過高或過低，保護(hù)開關(guān)器件免遭損傷，還有專用引腳來設(shè)置開通、關(guān)斷和軟關(guān)閉開關(guān)時間，可以對開關(guān)器件起到很好的保護(hù)功能。
[0037]本實用新型提供的雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中漸開線搖臂結(jié)構(gòu)；為提高伺服系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性，以及系統(tǒng)控制規(guī)律呈線性變化，將伺服傳動機(jī)構(gòu)的搖臂輸出軸上的滑道設(shè)計為呈漸開線變化規(guī)律，使伺服機(jī)構(gòu)在運(yùn)動至不同角度時的傳動比保持恒定值。同時，為保證滾珠絲杠副螺母上的支耳在漸開線搖臂的滑道內(nèi)靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，在漸開線搖臂的滑道內(nèi)安裝一個滾動軸承。絲杠在運(yùn)動過程中既有徑向載荷又有軸向載荷，電機(jī)輸出軸使用角接觸軸承支撐，考慮到絲杠因受熱伸長，對于角接觸軸承，補(bǔ)償間隙留在軸承內(nèi)部。滾動軸承外端用軸承蓋緊固，內(nèi)端用絲杠軸螺紋緊固。
[0038]本實用新型中，伺服系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的控制策略，通過給定的位置信號和伺服機(jī)構(gòu)反饋信號比較后形成位置環(huán)，產(chǎn)生位置偏差信號作為速度環(huán)的速度參考值，與無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)輸出的速度信號綜合后形成速度環(huán)，產(chǎn)生的速度偏差信號作為電流環(huán)的電流參考值，與電機(jī)電樞電流綜合形成電流環(huán)，電流環(huán)產(chǎn)生電流偏差信號經(jīng)數(shù)字信號處理器綜合運(yùn)算，輸出SVPWM脈寬調(diào)制控制波形，作為控制功率管開關(guān)信號，通過驅(qū)動放大電路后驅(qū)動交流同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直接帶動滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動，利用滾珠絲杠副運(yùn)動轉(zhuǎn)化的多樣性，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為絲杠螺母的直線運(yùn)動，輸出直線位移帶動搖臂實現(xiàn)輸出軸角度變化輸出。角度偏轉(zhuǎn)位置信號由旋轉(zhuǎn)變壓器累積得到并實時計算通過電機(jī)轉(zhuǎn)子位置所得到的輸出軸位置反饋信號，最終實現(xiàn)位置、速度、電流三閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0039]由于緊湊的傳動設(shè)計保證傳動機(jī)構(gòu)在傳動過程中傳動比的恒定，電機(jī)轉(zhuǎn)子角度位置經(jīng)解碼芯片解調(diào)并得到不斷累積的數(shù)字量，通過實時計算得到當(dāng)前輸出軸的位置角度。
[0040]在伺服控制系統(tǒng)中，許多被控對象隨著負(fù)載變化和干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或機(jī)構(gòu)發(fā)生改變。使控制系統(tǒng)不能保持在最精確范圍內(nèi)，極大的影響了控制性能。隨著控制理論的發(fā)展，人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息存入控制器知識庫中，然后控制器根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。將位置參考與反饋進(jìn)行綜合控制放大，輸出位置控制量，同時通過位置控制量換算為電機(jī)轉(zhuǎn)速參考信號并傳遞到速度環(huán)。
[0041]轉(zhuǎn)速的計算與調(diào)節(jié)，為提高伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，速度調(diào)節(jié)器采用了 P控制算法，位置環(huán)將計算得到的速度參考信號傳遞到速度環(huán)，與電機(jī)實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器輸出速度控制量，同時計算交軸電流給定值并傳遞給電流環(huán)。
[0042]電流調(diào)節(jié)和空間矢量開關(guān)時間計算，電流環(huán)的計算是在CPU定時中斷服務(wù)程序中進(jìn)行，具體工作是:電流采樣與變換、電流調(diào)節(jié)器的計算和電流控制量的輸出到主程序中，進(jìn)行SVPWM控制信號生成，從而完成對伺服控制系統(tǒng)的控制。
[0043]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙通道交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于，包括控制模塊(I)，以及與所述控制模塊連接的第一伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)(2)和第二伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)(3); 所述控制模塊(I)包括:數(shù)字信號處理器(11)、第一位置解碼電路(12)、第二位置解碼電路(13)、通信模塊(14)、第一旋變激勵電路(15)、第二旋變激勵電路(16)、第一全橋逆變器(17)、隔離驅(qū)動電路(18)、第二全橋逆變器(19)以及用于提供電源且與所述第一全橋逆變器(17)和第二全橋逆變器(19)連接的直流供電電源(10)； 所述通信模塊(14)的第一輸入端用于接收第一位置輸入信號UF1，所述通信模塊(14)的第二輸入端用于接收第二位置輸入信號UF2 ;所述數(shù)字信號處理器(11)的第一控制輸入端連接至所述通信模塊(14)的第一輸出端，所述數(shù)字信號處理器(11)的第二控制輸入端連接至所述通信模塊(14)的第二輸出端；所述數(shù)字信號處理器(11)的第一輸入端連接至所述第一位置解碼電路(12)的輸出端，所述數(shù)字信號處理器(11)的第二輸入端連接至所述第二位置解碼電路(13)的輸出端；所述第一位置解碼電路(12)的輸入端連接至所述第一旋變激勵電路(15)的基準(zhǔn)信號輸出端，所述第二位置解碼電路(13)的輸入端連接至所述第二旋變激勵電路(16)的基準(zhǔn)信號輸出端；所述隔離驅(qū)動電路(18)的第一輸入端和第二輸入端分別連接至所述數(shù)字信號處理器(11)的第一輸出端和第二輸出端；所述第一全橋逆變器(17)的輸入端連接至所述隔離驅(qū)動電路(18)的第一輸出端，所述第二全橋逆變器(19)的輸入端連接至所述隔離驅(qū)動電路(18)的第二輸出端； 所述第一伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)(2)包括依次連接在所述第一全橋逆變器(17)的輸出端的第一永磁同步電機(jī)(21)、第一動力傳輸機(jī)構(gòu)(22)和第一輸出軸(23);所述第一永磁同步電機(jī)(21)的第一輸入端與所述第一全橋逆變器(17)的輸出端連接，所述第一永磁同步電機(jī)(21)的第二輸入端連接至所述第一旋變激勵電路(15)的余弦激勵信號輸出端，所述第一永磁同步電機(jī)(21)的第三輸入端連接至所述第一旋變激勵電路(15)的正弦激勵信號輸出端，所述第一永磁同步電機(jī)(21)的第一輸出端與所述第一動力傳輸機(jī)構(gòu)(22)連接，所述第一永磁同步電機(jī)(21)的第二輸出端與所述數(shù)字信號處理器(11)的第三輸入端連接，所述第一永磁同步電機(jī)(21)的第三輸出端與所述第一位置解碼電路(12)的第一反饋端鏈連接，所述第一永磁同步電機(jī)(21)的第四輸出端與所述第一位置解碼電路(12)的第二反饋端鏈連接； 所述第二伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)(3)包括依次連接在所述第二全橋逆變器(19)的輸出端的第二永磁同步電機(jī)(31)、第二動力傳輸機(jī)構(gòu)(32)和第二輸出軸(33);所述第二永磁同步電機(jī)(31)的第一輸入端與所述第二全橋逆變器(19)的輸出端連接，所述第二永磁同步電機(jī)(31)的第二輸入端連接至所述第二旋變激勵電路(16)的余弦激勵信號輸出端，所述第二永磁同步電機(jī)(31)的第三輸入端連接至所述第二旋變激勵電路(16)的正弦激勵信號輸出端，所述第二永磁同步電機(jī)(31)的第一輸出端與所述第二動力傳輸機(jī)構(gòu)(32)連接，所述第二永磁同步電機(jī)(31)的第二輸出端與所述數(shù)字信號處理器(11)的第四輸入端連接，所述第二永磁同步電機(jī)(31)的第三輸出端與所述第二位置解碼電路(13)的第一反饋端鏈連接，所述第二永磁同步電機(jī)(31)的第四輸出端與所述第二位置解碼電路(13)的第二反饋端鏈連接。2.如權(quán)利要求1所述的伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字信號處理器(11)包括第一加法器G1、第二加法器G2、第三加法器G3、位置轉(zhuǎn)換器(111)、位置調(diào)節(jié)器(112)、速度轉(zhuǎn)換器(113)、速度調(diào)節(jié)器(114)、相電流解耦變換器(115)、電流調(diào)節(jié)器(116)、磁場定向控制器(117)和空間矢量脈寬調(diào)制控制器(118); 所述位置轉(zhuǎn)換器(111)的輸入端用于接收轉(zhuǎn)子角度信號Θ，所述第一加法器Gl的第一輸入端用于接收位置輸入信號，所述第一加法器Gl的第二輸入端連接至所述位置轉(zhuǎn)換器(111)的輸出端，所述位置調(diào)節(jié)器(112)的輸入端連接至所述第一加法器Gl的輸出端； 所述速度轉(zhuǎn)換器(113)的輸入端用于連接轉(zhuǎn)子角度信號Θ，所述第二加法器G2的第一輸入端連接至所述位置調(diào)節(jié)器(112)的輸出端，所述第二加法器G2的第二輸入端連接至所述速度轉(zhuǎn)換器(113)的輸出端； 所述速度調(diào)節(jié)器(114)的輸入端連接至所述第二加法器G2的輸出端， 所述相電流解耦變換器(115)的輸入端用于連接相電流檢測信號，所述電流調(diào)節(jié)器(116)的輸入端連接至所述相電流解耦變換器(115)的輸出端，所述第三加法器G3的第一輸入端連接至所述速度調(diào)節(jié)器(114)的輸出端，所述第三加法器G3的第二輸入端連接至所述電流調(diào)節(jié)器(116)的輸出端； 所述磁場定向控制器(117)的第一輸入端用于接收轉(zhuǎn)子角度信號Θ，所述磁場定向控制器(117)的第二輸入端連接至所述第三加法器G3的輸出端，所述空間矢量脈寬調(diào)制控制器(118)的輸入端連接至所述磁場定向控制器(117)的輸出端，所述空間矢量脈寬調(diào)制控制器(118)的輸出端用于輸出6路SVPWM控制信號。3.如權(quán)利要求1所述的伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述第一動力傳輸機(jī)構(gòu)(22)和所述第二動力傳輸機(jī)構(gòu)(32)的結(jié)構(gòu)相同，包括:滾珠絲杠、滾動螺母、漸開搖臂和輸出軸； 所述輸出軸和所述滾珠絲杠同軸設(shè)置，與所述滾珠絲杠同軸設(shè)置的滾動螺母通過所述滾珠絲杠的正反向旋轉(zhuǎn)，帶動滾動螺母在滾珠絲杠上來回滑動，滾動螺母在滑動的過程中帶動漸開搖臂做圓形弧線傳動。4.如權(quán)利要求3所述的伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述第一輸出軸與所述第一動力傳輸機(jī)構(gòu)中的滾珠絲杠為一體化成型，所述第二輸出軸與所述第二動力傳輸機(jī)構(gòu)中的滾珠絲杠為一體化成型。5.如權(quán)利要求3所述的伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述漸開搖臂內(nèi)設(shè)置有一個滾動軸承。6.如權(quán)利要求5所述的伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述滾動軸承的外端通過軸承蓋緊固，所述滾動軸承的內(nèi)端通過絲杠軸螺紋緊固。
【文檔編號】H02P25-02GK204271961SQ201420770731
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