專利名稱：：直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于工業(yè)測試
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種直線電機(jī)，尤其涉及一種直線電機(jī)伺服系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：目前，直線電機(jī)及其驅(qū)動器的生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家正處于發(fā)展階段，并作為一種嶄新的進(jìn)給方式呈現(xiàn)出極大的生命力，西方國家已有十多個著名的公司生產(chǎn)不同種類和型號的直線電機(jī)及驅(qū)動器。美國Anorad公司是世界上最大的直線電機(jī)供應(yīng)商之一，從二十世紀(jì)八十年代初開始研制直線電機(jī)，主導(dǎo)產(chǎn)品是正弦波永磁交流直線電機(jī)和方波無刷直流直線電機(jī)，其應(yīng)用的典型實(shí)例是二十世紀(jì)九十年代為美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心HVM800和X.Y.Z軸均采用永磁式同步直線伺服電動機(jī)驅(qū)動的HVM600.其最大進(jìn)給速度為76.2m/min，加速度為5g。這轟動了當(dāng)時的國際機(jī)床界，被譽(yù)為世界機(jī)床技術(shù)的新高峰。美國的Kollmorgen公司是世界上著名的工業(yè)運(yùn)動控制廠家，其提供的永磁式直線伺服電機(jī)有兩大類型.一種是動子無鐵心結(jié)構(gòu)，具有極高的動態(tài)性能，在速度低于60um/min時仍然能平滑運(yùn)動。另一種是動子有鐵心結(jié)構(gòu)，可獲得高達(dá)8000N推力。由于永磁體采用了模塊化設(shè)計(jì)，定子的長度可根據(jù)用戶需要加長，可達(dá)到1000mm以上，最高速度可達(dá)300m/min。日本三井精機(jī)公司生產(chǎn)的高速工具磨床，采用直線電機(jī)驅(qū)動Z軸，其上下移動的頻率可達(dá)400次/min(行程為25mm)，最高加速度為2.3g。日本sodick公司將直線電機(jī)應(yīng)用于電火花機(jī)床，推出了裝配直線電機(jī)的AQ系列電火花成形機(jī)和線切割機(jī)。可在0.0001mm的控制當(dāng)量的條件下將軸的運(yùn)動速度提高到36m/min，最大加速度達(dá)到1.2g。這樣的技術(shù)指標(biāo)使新一代的電火花成形機(jī)兼具了高速度和精加工的綜合條件，使電火花成形加工的性能有了較大的提高，在電加工界引起了很大反響。德國的Siemens公司的永磁式直線同步電機(jī)最大移動速度可達(dá)200m/min，最大推力可達(dá)6600N，最大位移504mm，適用于高速銑床、曲軸車床、超精密車床、磨床、激光車床等。直線電機(jī)直接驅(qū)動的飛速發(fā)展使一些不生產(chǎn)直線電機(jī)控制系統(tǒng)和驅(qū)動裝置的廠家與電機(jī)制造廠進(jìn)行合作，開發(fā)生產(chǎn)直線電機(jī)配套系統(tǒng)的驅(qū)動裝置.例如Fanuc公司和美國電機(jī)制造廠AnoardInc之間的合作關(guān)系。另外一些公司，如美國Anorad公司和德國Siemens公司合作，他們專門定義了CNC和伺服系統(tǒng)與直線電機(jī)的性能和接口特性。德國Indramat公司在其數(shù)字化智能直線電機(jī)伺服驅(qū)動器中引進(jìn)了先進(jìn)的國際化、開放式SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem)接口標(biāo)準(zhǔn)，使得位置閉環(huán)控制在驅(qū)動器內(nèi)部完成。總的來說，作為高速加工中心的新一代的直線電機(jī)伺服技術(shù)，在國外已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。但國內(nèi)直線電機(jī)的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，大多數(shù)研究停留在仿真和試驗(yàn)階段，試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限，缺乏對比資料和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，與國外相比差距很大。由于關(guān)鍵的直線電機(jī)伺服技術(shù)主要掌握在少數(shù)直線電機(jī)和伺服控制裝置制造商手中，并視為商業(yè)機(jī)密，技術(shù)封鎖和技術(shù)保密使能夠查閱的資料少之又少；要發(fā)展我國的高速加工中心和高速運(yùn)輸，建立相關(guān)產(chǎn)業(yè)，就必須走自己研究開發(fā)的道路。因此，直線電機(jī)及其測試裝置及測試方法的自主研發(fā)勢在必行。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，可完成對直線電機(jī)的驅(qū)動控制，且成本較低。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)包括直線電機(jī)、用以驅(qū)動直線電機(jī)的直線電機(jī)驅(qū)動器；所述直線電機(jī)驅(qū)動器包括數(shù)字信號處理器DSP，用以控制直線電機(jī)的位置環(huán)路、速度換路、電流環(huán)路；開關(guān)電源，與所述數(shù)字信號處理器DSP連接；驅(qū)動電路，包括自動保護(hù)單元；電機(jī)反饋位置獲取單元，用以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置由編碼器送至接口電路，由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元，用以根據(jù)所述電機(jī)反饋位置獲取單元獲取的電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置、測量時間計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；電機(jī)反饋電流獲取單元，利用電阻采樣，通過線性光藕隔離送給AD轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后經(jīng)串行口送給DSP;位置環(huán)運(yùn)算單元，采用負(fù)反饋控制模式，電機(jī)位置脈沖指令和電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置作為輸入量參與比例調(diào)節(jié)器運(yùn)算，速度指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成位置環(huán)子程序的運(yùn)算；速度環(huán)運(yùn)算單元，采用負(fù)反饋控制模式，速度指令和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速作為輸入量參與比例積分調(diào)節(jié)器運(yùn)算，力矩指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成速度環(huán)子程序的運(yùn)算；矢量控制單元，其控制對象為同步電機(jī)，在Id=Iq轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對稱的情況下，永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與Id無關(guān)電磁轉(zhuǎn)矩Te=(l/")E。Iq;其中，E0為轉(zhuǎn)子磁極在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，Id、Iq為定子直交軸電流，Ld、Lq為定子直交軸電感，R為定子繞組電阻，"為同步角頻率。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述電機(jī)反饋位置獲取單元、電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元包括可編程器件。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述電機(jī)反饋位置獲取單元中，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置由編碼器送至專門的接口電路，并由硬件四倍頻，然后到16位加/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行記數(shù)，由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述電機(jī)反饋電流獲取單元中，獲取三相電流分量ia、ib、ic中的ia、ib，根據(jù)ia、ib值計(jì)算第三相電流ic值。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述DSP包括ALU計(jì)算單元、MAC計(jì)算單元、sHIFTER計(jì)算單元；ALU執(zhí)行代數(shù)和邏輯操作的標(biāo)準(zhǔn)系列；MAC執(zhí)行單周期的乘法，乘/加，乘/減操作；SHIFTER執(zhí)行邏輯的和算術(shù)的移位，標(biāo)準(zhǔn)的、非標(biāo)準(zhǔn)的和指數(shù)操作，SHIFTER用來作為有效的執(zhí)行數(shù)字元格式控制包括多字的和塊狀的浮點(diǎn)表示法。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述驅(qū)動電路是自動保護(hù)單元包括過壓保護(hù)單元、欠壓保護(hù)單元、過流保護(hù)單元、過熱保護(hù)單元；所述開關(guān)電源包括溫度保護(hù)單元、外部過電流保護(hù)單元、輸出過載保護(hù)單元、過壓保護(hù)單元、欠壓鎖定單元。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，電機(jī)位置脈沖指令共有若干種方式，根據(jù)參數(shù)不同切換不同的計(jì)數(shù)方式，由16位加/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行記數(shù)，并由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，在位置控制模式下，作為電機(jī)的位置脈沖指令參與位置環(huán)的計(jì)算；電機(jī)速度模擬指令由硬件通過加法器使雙極性變?yōu)閱螛O性，并由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，通過DSP的串行口讀入，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，在速度控制模式下，作為速度指令參與速度環(huán)的計(jì)算。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，在軟件初始化階段P麗信號送出以前，DSP先讀取ia、ib反饋電流值作為零電流值，以后所讀取的值均與此基準(zhǔn)值比較，即軟件調(diào)零；零電流值是一個很關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，為保證基準(zhǔn)值正確，在初始化階段讀取ia、ib值數(shù)次，并經(jīng)數(shù)字濾波處理，完成零電流值的正確讀取。AD轉(zhuǎn)換器與DSP的串行口相連，數(shù)據(jù)通過DSP的DMA通道直接進(jìn)入內(nèi)存，不中斷DSP程序的運(yùn)行。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)是一個集電源、驅(qū)動、控制一體的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)弱電控制信號混合，為防止強(qiáng)弱電、開關(guān)電源等各類信號之間的干擾，對印制線路板的布局進(jìn)行詳細(xì)周密考慮，采取一系列防干擾、抗干擾措施，在電源驅(qū)動板中，強(qiáng)弱電走線盡可能分隔遠(yuǎn)離，以及零線、接地線合理布局。本發(fā)明適合應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量的高速、實(shí)時的應(yīng)用場合，可以充分滿足直線電機(jī)所需的大數(shù)據(jù)量、高處理速度的需求。圖1為本發(fā)明直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的組成示意圖。圖2為本發(fā)明反饋電流采樣的示意圖。圖3為本發(fā)明鍵盤及顯示電路的組成示意圖。圖4為本發(fā)明驅(qū)動方法參數(shù)管理操作框圖。圖5為本發(fā)明驅(qū)動方法參數(shù)管理操作意義示意圖。圖6為本發(fā)明驅(qū)動方法參數(shù)設(shè)置操作框圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施例一請參閱圖1，本發(fā)明揭示了一種直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，包括直線電機(jī)20、直線電機(jī)驅(qū)動器IO。如圖1所示，直線電機(jī)驅(qū)動器10包括數(shù)字信號處理器1、開關(guān)電源2、電機(jī)反饋位置獲取單元3、電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元4、電機(jī)反饋電流獲取單元5、位置環(huán)運(yùn)算單元6、速度環(huán)運(yùn)算單元7、矢量控制單元8、驅(qū)動電路9。數(shù)字信號處理器1、開關(guān)電源2分別與其他單元連接。數(shù)字信號處理器DSP數(shù)字信號處理器DSP用以控制直線電機(jī)的位置環(huán)路、速度換路、電流環(huán)路。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。本實(shí)施例中，DSP采用三總線結(jié)構(gòu)外部數(shù)據(jù)總線，外部地址總線和DMA總線，內(nèi)部的程序內(nèi)存數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)總線共享一條外部數(shù)據(jù)總線；內(nèi)部的程序內(nèi)存地址總線和數(shù)據(jù)存儲器地址總線共享一條外部地址總線。此外，本實(shí)施例中，DSP支持新的指令，包括位元操作(位設(shè)置、位清除、位切換、位測試)新的算術(shù)邏輯部件常量，新的多功能操作和位移舍入。同時，DSP包括三個獨(dú)立的計(jì)算單元ALU、MAC、SHIFTER;ALU執(zhí)行代數(shù)和邏輯操作的標(biāo)準(zhǔn)系列；MAC執(zhí)行單周期的乘法，乘/加，乘/減操作(累積40位)；SHIFTER執(zhí)行邏輯的和算術(shù)的移位，標(biāo)準(zhǔn)的，非標(biāo)準(zhǔn)的和指數(shù)操作，SHIFTER可以用來作為有效的執(zhí)行數(shù)字元格式控制包括多字的和塊狀的浮點(diǎn)表示法。本實(shí)施例中，DSP能響應(yīng)13個中斷信號6個外部中斷(一個邊緣感應(yīng)，兩個電平感應(yīng)和三個可重置的)和7個內(nèi)部中斷，它們分別由定時器、串行端口、BDMA、P0WER-D0WN和復(fù)位電路產(chǎn)生。DSP提供13個常規(guī)用途的標(biāo)志引腳，SPR0T1中的輸入和輸出引腳可以設(shè)置成輸入標(biāo)志或輸出標(biāo)志。另外，有8個可編程的輸入/輸出標(biāo)志和3個輸出標(biāo)志。可編程的內(nèi)部定時器可以產(chǎn)生周期的中斷。開關(guān)電源在全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，需要多路控制電源，控制電源的可靠性在整個系統(tǒng)正常工作中非常關(guān)鍵，系統(tǒng)需要+5V、-5V電源，功率驅(qū)動中多路+15V電源。由于系統(tǒng)體積較小，電源的設(shè)計(jì)要求小型化，難度較高。此電源設(shè)計(jì)成開關(guān)電源，選用具有以下特點(diǎn)開關(guān)電源(1)、體積小、重量輕、成本低、內(nèi)置電流檢測MOSFET，具有自保護(hù)功能。(2)、門極驅(qū)動效率更高，可以減少開關(guān)損耗，最大占空比70%，可以減少傳輸損耗。(3)、所述開關(guān)電源包括溫度保護(hù)單元、外部過電流保護(hù)單元、輸出過載保護(hù)單元、過壓保護(hù)單元、欠壓鎖定單元。使得開關(guān)電源2具體有多種保護(hù)功能溫度保護(hù)，外部過電流保護(hù)，輸出過載保護(hù)，過壓保護(hù)，欠壓鎖定等功能。(4)、輸入電壓范圍廣AC85V-AC265V。(5)、軟啟動功能。驅(qū)動電路在全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，功率驅(qū)動電路具有自動保護(hù)功能，本身帶有驅(qū)動的智能化IPM(IntelligentPowerModule)模塊。該模塊有過壓、欠壓、過流、過熱等自動保護(hù)功能，驅(qū)動接口只需高速光耦隔離驅(qū)動，大大簡化外圍電路，提高系統(tǒng)可靠性。在電源驅(qū)動板上選用的新器件均做了大量的試驗(yàn)，如連續(xù)運(yùn)行、過載運(yùn)行、高溫老化等，保證了這些新器件在產(chǎn)品上安全可靠地應(yīng)用。電機(jī)反饋位置獲取單元電機(jī)反饋位置獲取單元3用以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置由編碼器送至接口電路，由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，得到電機(jī)7轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。本實(shí)施例中，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置由編碼器送至專門的接口電路，并由硬件四倍頻，然后到16位加/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行記數(shù)，由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，根據(jù)測量時間值算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)位置脈沖指令共有三種方式，根據(jù)參數(shù)不同切換不同的計(jì)數(shù)方式，由16位加\減計(jì)數(shù)器進(jìn)行記數(shù)，并由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，在位置控制模式下，作為電機(jī)的位置脈沖指令參與位置環(huán)的計(jì)算。電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元4用以根據(jù)所述電機(jī)反饋位置獲取單元獲取的電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置、測量時間計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。速度模擬指令由硬件通過加法器使雙極性變?yōu)閱螛O性，并由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，通過DSP的串行口讀入，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，在速度控制模式下，作為速度指令參與速度環(huán)的計(jì)算。[OO58]電機(jī)反饋電流獲取單元電機(jī)反饋電流獲取單元5利用電阻采樣，通過線性光藕隔離送給AD轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后經(jīng)串行口送給DSP。本實(shí)施例中，利用電阻采樣后，通過線性光藕隔離送給AD轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后經(jīng)串行口送給DSP，零位由軟件自動調(diào)整設(shè)置，反饋系數(shù)亦可由參數(shù)靈活設(shè)置，這樣就省卻了模擬電路中的電位器及其它分立器件，充分利用數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)覺采用電阻采樣代替HALL元件，電機(jī)的實(shí)際電流更接近理想的電流波形，主要表現(xiàn)在跟蹤響應(yīng)更快，電流反饋回路遲滯時間更短，因而從理論上分析，其靜、動態(tài)性能應(yīng)更好。請參閱圖2，本實(shí)施例中，為了保證在不降低性能的前提下降低產(chǎn)品成本，所述電機(jī)反饋電流獲取單元5獲取三相電流分量ia、ib、ic中的ia、ib，而后根據(jù)ia、ib值通過軟件計(jì)算第三相電流ic值。這樣不僅能降低成本、減少硬件，還可以減少一個A/D通道以及讀取A/D通道的軟件開銷時間。位置環(huán)運(yùn)算單元位置環(huán)運(yùn)算單元6采用負(fù)反饋控制模式，電機(jī)位置脈沖指令和電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置作為輸入量參與比例調(diào)節(jié)器運(yùn)算，速度指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成位置環(huán)子程序的運(yùn)算。由于HALL元件成本較高，作為一種反饋元件，對其穩(wěn)定性、靈敏性及線性度均有較高的要求。本實(shí)施例中，位置環(huán)采用負(fù)反饋控制模式，為了提高動態(tài)響應(yīng)速度，還加入了前饋控制。電機(jī)位置脈沖指令和電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置作為輸入量參與比例調(diào)節(jié)器運(yùn)算(P模式)，速度指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成位置環(huán)子程序的運(yùn)算。速度環(huán)運(yùn)算單元速度環(huán)運(yùn)算單元7采用負(fù)反饋控制模式，速度指令和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速作為輸入量參與比例積分調(diào)節(jié)器運(yùn)算，力矩指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成速度環(huán)子程序的運(yùn)算。本實(shí)施例中，速度環(huán)也采用負(fù)反饋控制模式。速度指令和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速作為輸入量參與比例積分調(diào)節(jié)器運(yùn)算(PI模式)，力矩指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成速度環(huán)子程序的運(yùn)算。為減小速度超調(diào)，在速度環(huán)子程序的運(yùn)算中采用帶積分分離的PI調(diào)節(jié)器。設(shè)定速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分分離點(diǎn)，當(dāng)速度誤差超過設(shè)置值，速度調(diào)節(jié)器由PI調(diào)節(jié)器變成P調(diào)節(jié)8器。矢量控制單元矢量控制單元8其控制對象為同步電機(jī)，在Id=I,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對稱的情況下，永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與Id無關(guān)電磁轉(zhuǎn)矩Te=(1/")E。I"其中，E。為轉(zhuǎn)子磁極在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，Id、Iq為定子直交軸電流，Ld、Lq為定子直交軸電感，R為定子繞組電阻，"為同步角頻率。由于控制對象為同步電機(jī)，在Id=I,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對稱的情況下，永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與Id無關(guān)電磁轉(zhuǎn)矩Te二(l/")E。Iq。其中，EO為轉(zhuǎn)子磁極在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢；Id、I,為定子直交軸電流；Ld、L,為定子直交軸電感；R為定子繞組電阻；"為同步角頻率。由于定子直軸電流不影響永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而可以控制Id二O，使其定子電流中不產(chǎn)生勵磁分量，只產(chǎn)生力矩分量，照樣可以保持氣隙磁通恒定。這樣，在相同電磁轉(zhuǎn)矩情況下，最小的定子電流能夠獲得，即Iq流，其定子電壓有以下關(guān)系式I，I為電機(jī)電U=V(E0+IR)2+(coIqLq)=V(E0+IR)2+(wILq)2矢量控制原理在許多專著中均有論述，這里只給出三相電流分接變換式，其中92為轉(zhuǎn)子瞬時角位cos^2_sin62cos((92-120°)-sin(6>2_120。)(e2+120。)-sin(6>2+120。)ia、ib、ic的直COS對于e=90°的自控式(本系統(tǒng)采用)，0，I"L為電機(jī)電^1L請參閱圖1、圖3，本發(fā)明的直線電機(jī)驅(qū)動器還包括鍵盤及顯示電路，鍵盤及顯示電路充分利用DSP的串行口結(jié)構(gòu)，利用二片串-并芯片，直接用軟件完成對鍵盤及顯示器的定時掃描，通過矩陣掃描讀取鍵值及顯示數(shù)據(jù)，省去了專用的鍵盤及顯示器件，使硬件結(jié)構(gòu)簡潔、可靠。以上介紹了本發(fā)明揭示的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，本發(fā)明在揭示上述直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的同時還揭示直線電機(jī)伺服系統(tǒng)驅(qū)動器的驅(qū)動方法。該驅(qū)動方法主要包括如下步驟步驟A、電機(jī)反饋位置獲取單元獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置由編碼器送至接口電路，由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；步驟B、電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元根據(jù)所述電機(jī)反饋位置獲取單元獲取的電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置、測量時間計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；步驟C、電機(jī)反饋電流獲取單元利用電阻采樣，通過線性光藕隔離送給AD轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后經(jīng)串行口送給DSP;步驟D、位置環(huán)運(yùn)算單元采用負(fù)反饋控制模式，電機(jī)位置脈沖指令和電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置作為輸入量參與比例調(diào)節(jié)器運(yùn)算，速度指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成位置環(huán)子程序的運(yùn)算；步驟E、速度環(huán)運(yùn)算單元采用負(fù)反饋控制模式，速度指令和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速作為輸入量參與比例積分調(diào)節(jié)器運(yùn)算，力矩指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成速度環(huán)子程序的運(yùn)算；步驟F、矢量控制單元的控制對象為同步電機(jī)，在Id二Iq轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對稱的情況下，永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與Id無關(guān)電磁轉(zhuǎn)矩Te=(l/")E。Iq;其中，E0為轉(zhuǎn)子磁極在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，Id、Iq為定子直交軸電流，Ld、Lq為定子直交軸電感，R為定子繞組電阻，"為同步角頻率；步驟G、數(shù)字信號處理器DSP控制直線電機(jī)的位置環(huán)路、速度換路、電流環(huán)路。綜上所述，本發(fā)明提出的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)是一個集電源、驅(qū)動、控制一體的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)弱電控制信號混合，為防止強(qiáng)弱電、開關(guān)電源等各類信號之間的干擾，對印制線路板的布局進(jìn)行詳細(xì)周密考慮，采取一系列防干擾、抗干擾措施，在電源驅(qū)動板中，強(qiáng)弱電走線盡可能分隔遠(yuǎn)離，以及零線、接地線合理布局。本發(fā)明適合應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量的高速、實(shí)時的應(yīng)用場合，可以充分滿足直線電機(jī)所需的大數(shù)據(jù)量、高處理速度的需求。實(shí)施例二本實(shí)施例中，為了能讀取動子的位置和速度，在直線電機(jī)定子側(cè)安裝了HEIDENHAIN的增量式光柵尺LS1378C，信號周期為lum，即lmm的動子行程可以反饋1000個脈沖。直線電機(jī)的極距為32mm，則一個電距離就對應(yīng)32000個脈沖。為了能在上電狀態(tài)能夠讀取動子的初始停留狀態(tài)，在動子側(cè)還安裝了和動子線圈機(jī)械位置相對固定的霍爾器件。速度檢測一般有M法、T法，M/T法及變M/T法四種，其中尤以最后一種檢測方法精度最高。變M/T法即不但測取編碼器的脈沖Ml和高頻時鐘脈沖M2，而且測量時間TC也是在變化的，目的是始終保持TC是完整的編碼器脈沖信號周期之和，因此，無論在低速和高速段，均都能獲得較好的精度，但需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持一些邏輯判斷。若采用M法，則n=60*ml/P*Tc，單位米/分其中P=106為行進(jìn)1米所接收到的脈沖數(shù)在實(shí)際程序中，取Tc=50*10-6秒作為中斷采樣周期時間，也是電流環(huán)的中斷周期時間，從而保證對電機(jī)電流和動子位置的實(shí)時控制和計(jì)算。本發(fā)明應(yīng)用大規(guī)模邏輯電路FPGA，利用其靈活、軟件化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)固化于其中，并與軟件相結(jié)合，完成了對速度的高精度的檢測。實(shí)施例三請參閱圖3-圖6，本實(shí)施例與以上實(shí)施例的區(qū)別在于，本實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)包括參數(shù)的管理模塊。伺服驅(qū)動器參數(shù)分為用戶參數(shù)(表1為本實(shí)施例的用戶參數(shù)表)、系統(tǒng)參數(shù)和開發(fā)參數(shù)，通過密碼管理不同的級別。高級別密碼除可以觀察和修改本級別參數(shù)外，還可以對低級別參數(shù)進(jìn)行同樣操作。10<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>序號<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表1參數(shù)管理，共有5種模式參數(shù)寫入，表示將內(nèi)存中的參數(shù)寫入EEPROM的參數(shù)區(qū)。用戶修改了參數(shù)，僅使內(nèi)存中參數(shù)值改變了，下次上電又會恢復(fù)成原來的數(shù)值。如果想永久改變參數(shù)值，就需要執(zhí)行參數(shù)寫入操作，將內(nèi)存中參數(shù)寫入到EEPROM的參數(shù)區(qū)中，以后上電就會使用修改后的參數(shù)。參數(shù)讀取，表示將EEPROM的參數(shù)區(qū)的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中。這個過程在上電時會自動執(zhí)行一次，開始時，內(nèi)存參數(shù)值與EEPROM的參數(shù)區(qū)中是一樣的。但用戶修改了參數(shù)，就會改變內(nèi)存中參數(shù)值，當(dāng)用戶對修改后的參數(shù)不滿意或參數(shù)被調(diào)亂時，執(zhí)行參數(shù)讀取操作，可將EEPROM的參數(shù)區(qū)中數(shù)據(jù)再次讀到內(nèi)存中，恢復(fù)成剛上電的參數(shù)。參數(shù)備份，表示將內(nèi)存中的參數(shù)寫入EEPROM的備份區(qū)。整個EEPROM分成參數(shù)區(qū)和備份區(qū)兩個區(qū)域，可以存儲兩套參數(shù)。系統(tǒng)上電、參數(shù)寫入和參數(shù)讀取操作使用EEPROM的參數(shù)區(qū)，而參數(shù)備份和恢復(fù)備份則使用EEPR0M的備份區(qū)。在參數(shù)設(shè)置過程中，如果用戶對一組參數(shù)比較滿意，但還想繼續(xù)修改，可以先執(zhí)行參數(shù)備份操作，保存內(nèi)存參數(shù)到EEPROM的備份區(qū)，然后再修改參數(shù)，如果效果變差，可以用恢復(fù)備份操作，將上次保存在EEPROM的備份區(qū)的參數(shù)讀到內(nèi)存中，然后可以再次修改或結(jié)束。另外，當(dāng)用戶設(shè)置好參數(shù)后，可以執(zhí)行參數(shù)寫入和參數(shù)備份兩個操作，使EEPROM的參數(shù)區(qū)和備份區(qū)的數(shù)據(jù)完全一樣，防止以后參數(shù)不慎被修改，還可以啟用恢復(fù)備份操作，將EEPROM的備份區(qū)的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中，再用參數(shù)寫入操作，將內(nèi)存參數(shù)寫入到EEPROM的參數(shù)區(qū)中?；謴?fù)備份，表示將EEPROM的備份區(qū)的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中。這個操作沒有執(zhí)行參數(shù)寫入操作，下次上電時還是EEPROM的參數(shù)區(qū)的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中。如果用戶想使永久使用EEPROM的備份區(qū)的參數(shù)，還需要執(zhí)行一次參數(shù)寫入操作?；謴?fù)缺省值，表示將所有參數(shù)的缺省值(出廠值)讀到內(nèi)存中，并寫入到EEPROM的參數(shù)區(qū)中，下次電將使用缺省參數(shù)。當(dāng)用戶將參數(shù)調(diào)亂，無法正常工作時，使用這個操作，可將所有參數(shù)恢復(fù)成出廠狀態(tài)。這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。1權(quán)利要求一種直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于，該伺服系統(tǒng)包括直線電機(jī)、用以驅(qū)動直線電機(jī)的直線電機(jī)驅(qū)動器；所述直線電機(jī)驅(qū)動器包括數(shù)字信號處理器DSP，用以控制直線電機(jī)的位置環(huán)路、速度換路、電流環(huán)路；驅(qū)動電路，包括自動保護(hù)單元；電機(jī)反饋位置獲取單元，用以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置由編碼器送至接口電路，由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元，用以根據(jù)所述電機(jī)反饋位置獲取單元獲取的電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置、測量時間計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；電機(jī)反饋電流獲取單元，利用電阻采樣，通過線性光藕隔離送給AD轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后經(jīng)串行口送給DSP；位置環(huán)運(yùn)算單元，采用負(fù)反饋控制模式，電機(jī)位置脈沖指令和電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置作為輸入量參與比例調(diào)節(jié)器運(yùn)算，速度指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成位置環(huán)子程序的運(yùn)算；速度環(huán)運(yùn)算單元，采用負(fù)反饋控制模式，速度指令和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速作為輸入量參與比例積分調(diào)節(jié)器運(yùn)算，力矩指令作為運(yùn)算結(jié)果輸出，完成速度環(huán)子程序的運(yùn)算；矢量控制單元，其控制對象為同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對稱，Id＝Iq，永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與Id無關(guān)電磁轉(zhuǎn)矩Te＝(1/ω)EoIq；其中，E0為轉(zhuǎn)子磁極在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，Id、Iq為定子直交軸電流，Ld、Lq為定子直交軸電感，R為定子繞組電阻，ω為同步角頻率；開關(guān)電源，與所述數(shù)字信號處理器DSP、驅(qū)動電路、電機(jī)反饋位置獲取單元、電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元、電機(jī)反饋電流獲取單元、位置環(huán)運(yùn)算單元、速度環(huán)運(yùn)算單元、矢量控制單元連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于所述電機(jī)反饋位置獲取單元、電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元包括可編程器件。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于所述電機(jī)反饋位置獲取單元中，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置由編碼器送至專門的接口電路，并由硬件四倍頻，然后到16位加/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行記數(shù)，由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于所述電機(jī)反饋電流獲取單元中，獲取三相電流分量ia、ib、ic中的ia、ib，根據(jù)ia、ib值計(jì)算第三相電流ic值。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于所述DSP包括ALU計(jì)算單元、MAC計(jì)算單元、SHIFTER計(jì)算單元；ALU執(zhí)行代數(shù)和邏輯操作的標(biāo)準(zhǔn)系列；MAC執(zhí)行單周期的乘法，乘/加，乘/減操作；SHIFTER執(zhí)行邏輯的和算術(shù)的移位，標(biāo)準(zhǔn)的、非標(biāo)準(zhǔn)的和指數(shù)操作，SHIFTER用來作為有效的執(zhí)行數(shù)字元格式控制包括多字的和塊狀的浮點(diǎn)表示法。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動電路是自動保護(hù)單元包括過壓保護(hù)單元、欠壓保護(hù)單元、過流保護(hù)單元、過熱保護(hù)單元；所述開關(guān)電源包括溫度保護(hù)單元、外部過電流保護(hù)單元、輸出過載保護(hù)單元、過壓保護(hù)單元、欠壓鎖定單元。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于電機(jī)位置脈沖指令共有若干種方式，根據(jù)參數(shù)不同切換不同的計(jì)數(shù)方式，由16位加/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行記數(shù)，并由DSP通過數(shù)據(jù)總線定時讀取，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，在位置控制模式下，作為電機(jī)的位置脈沖指令參與位置環(huán)的計(jì)算；電機(jī)速度模擬指令由硬件通過加法器使雙極性變?yōu)閱螛O性，并由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，通過DSP的串行口讀入，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波以及分析處理，在速度控制模式下，作為速度指令參與速度環(huán)的計(jì)算。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，其特征在于在軟件初始化階段P麗信號送出以前，DSP先讀取ia、ib反饋電流值作為零電流值，以后所讀取的值均與此基準(zhǔn)值比較，即軟件調(diào)零；零電流值是一個很關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，為保證基準(zhǔn)值正確，在初始化階段讀取ia、ib值數(shù)次，并經(jīng)數(shù)字濾波處理，完成零電流值的正確讀取；AD轉(zhuǎn)換器與DSP的串行口相連，數(shù)據(jù)通過DSP的DMA通道直接進(jìn)入內(nèi)存，不中斷DSP程序的運(yùn)行。全文摘要本發(fā)明揭示一種直線電機(jī)伺服系統(tǒng)，包括直線電機(jī)、直線電機(jī)驅(qū)動器。所述直線電機(jī)驅(qū)動器包括DSP、開關(guān)電源、驅(qū)動電路、電機(jī)反饋位置獲取單元、電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元、電機(jī)反饋電流獲取單元、位置環(huán)運(yùn)算單元、速度環(huán)運(yùn)算單元、矢量控制單元。DSP控制直線電機(jī)的位置環(huán)路、速度換路、電流環(huán)路；電機(jī)反饋位置獲取單元獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置；電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速計(jì)算單元根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置、測量時間計(jì)算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；電機(jī)反饋電流獲取單元利用電阻采樣，通過線性光藕隔離送給AD轉(zhuǎn)換器，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后經(jīng)串行口送給DSP。本發(fā)明是一個集電源、驅(qū)動、控制一體的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)弱電控制信號混合，可防止強(qiáng)弱電、開關(guān)電源等各類信號之間的干擾。文檔編號H02P6/16GK101697466SQ20091019781公開日2010年4月21日申請日期2009年10月28日優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日發(fā)明者劉軍,齊亮申請人:上海電機(jī)學(xué)院;上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院;