專利名稱：一種無刷直流電機及其控制裝置和使用它的液壓系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種無刷直流電機及其控制裝置以及一種使用所述無刷直流電 機的液壓系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有注塑機、壓鑄機中一般都采用液壓傳動、所述的液壓系統(tǒng)，主要包括動力裝 置、執(zhí)行裝置、控制裝置、液壓油及各種輔助元件，其中所述動力裝置采用液壓泵伺服電機， 根據(jù)液壓的特點，此時對驅(qū)動電機的一般要求其具有適應(yīng)高速大力矩工作狀態(tài)，定子繞組 散熱比較方便、慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性等特點。現(xiàn)在一般采用無刷直流電機，而現(xiàn) 有的無刷直流電機一般包括具有永磁體的轉(zhuǎn)子組件和具有用于多相的驅(qū)動線圈的定子組 件及其控制裝置，同時這種無刷直流電機的控制裝置的主控部分一般是采用單一的CPU的 數(shù)據(jù)處理及控制模式，造成處理速度相對較慢，不能滿足產(chǎn)品的較繁復(fù)工作和及時的數(shù)據(jù) 處理的需求，而且這種控制裝置的電機位置及轉(zhuǎn)速的檢測一般是通過光柵編碼器來實現(xiàn) 的，但因光柵編碼器存在安裝復(fù)雜、可靠性較低、適用環(huán)境差的缺點，使得其使用效果不是 十分理想，不能滿足日益進(jìn)步的社會需要。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對上述問題的存在，提供一種具有多CPU并行處理能力， 并能在環(huán)境較為苛刻(如高溫、高濕、灰塵、空間狹小等)條件下工作且安裝簡單方便，可靠 性高的無刷直流電機及其控制裝置和使用它的液壓系統(tǒng)。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種無刷直流電機控制裝置，包括輸入及顯示模塊、通信模塊、CPU控制模塊、方波 及正弦波發(fā)生器模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、整流三相逆變及IGBT驅(qū)動保護(hù)模 塊，其特征在于所述CPU控制模塊由一個主控CPU和多個副CPU組成，其中輸入及顯示模 塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、方波及正弦波發(fā)生器模塊分別設(shè)置有各自獨立的副 CPU,且各副CPU在主控CPU的控制和協(xié)調(diào)下對所有的事件進(jìn)行并行處理以提高運行速度和 響應(yīng)速度。其中為更好地保證其電機位置及轉(zhuǎn)速檢測的可靠性，上述霍爾傳感器檢測及運算 處理模塊包括用于檢測電機轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的通過線路板嵌入在電機轉(zhuǎn)子中的二對或二 對以上按極性間序排列呈圓周分布霍爾傳感器；用于將各霍爾傳感器檢測到的信號進(jìn)行放大處理的放大器；用于將各放大器輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換電路；用于對各A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出信號進(jìn)行運算處理而生成電機的模擬位置信號的 數(shù)字信號處理器DSP ；其中，各霍爾傳感器檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)依序連接的放大器，A/D轉(zhuǎn)換電 路數(shù)字信號處理器DSP處理后輸出到上述主控CPU、輸入及顯示模塊、方波及正弦波發(fā)生器模塊、通信模塊與給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運算并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，該控制信號再輸出整流三 相逆變及IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊輸出所期望的電流及電壓來控制驅(qū)動電機。一種具有上述無刷直流電機控制裝置的無刷直流電機，該無刷直流電機包括具有 永磁體的轉(zhuǎn)子組件和具有用于多相的驅(qū)動線圈的定子組件，其特征在于所述定子組件和轉(zhuǎn) 子組件為少槽多極結(jié)構(gòu)。其中，上述定子組件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽 或14槽或16槽或18槽或20槽或22槽或24槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子組件為6極或8極或10極或12 極或14極或16極或18極或20極結(jié)構(gòu)；上述定子組件為12槽結(jié)構(gòu)，上述轉(zhuǎn)子組件為10極 或14極結(jié)構(gòu)。一種具有上述無刷直流電機的液壓系統(tǒng)，主要包括動力裝置、執(zhí)行裝置、控制裝 置、液壓油及各種輔助元件，其中所述動力裝置采用液壓泵伺服電機，其特征在于所述電機 采用上述無刷直流電機。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)想比，本實用新型具有以下有益效果(1) 一體化設(shè)計，集成度高，可靠性強。本實用新型集數(shù)據(jù)采集，數(shù)字信號處理，減 少了外部線路物理連接，具有很高的穩(wěn)定性。(2)采用多CPU結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在主控CPU模塊的控制和協(xié)調(diào)對所有的事件進(jìn)行并行 處理提高運行速度和響應(yīng)速度系統(tǒng)。在電機轉(zhuǎn)子的位置和速度檢測采用了霍爾傳感器檢測運算處理模塊與原來的光 柵編碼器比具有以下優(yōu)點A 輸出方式靈活多樣B :360°C可編程角度測量C:非接觸式，高可靠性D 體積小，易于安裝拆卸E 適合應(yīng)用于振動，高溫，粉塵等各種苛刻工業(yè)環(huán)境F:價位低，更適合工控領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用
以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實用新型的具體實現(xiàn)

圖1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的霍爾傳感器檢測及運算處理模 塊的結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖3是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的整流三相逆變有IGBT驅(qū)動保護(hù) 模塊的結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖4是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的主控CPU的結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖5-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Clarke變換結(jié)構(gòu)示意圖；圖5-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Clarke變換坐標(biāo)示意圖；圖6-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Clarke逆變換結(jié)構(gòu)示意圖；圖6-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Clarke逆變換坐標(biāo)示意圖；圖7-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Park變換結(jié)構(gòu)示意圖；圖7-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Park變換坐標(biāo)示意圖；[0034]圖8-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Park逆變換結(jié)構(gòu)示意圖；圖8-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的Park逆變換坐標(biāo)示意圖；圖9-1是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的基本空間矢量分布示意圖；圖9-2是本實用新型所述無刷直流電機控制裝置的平均空間矢量分布示意圖。
具體實施方式
如圖1 圖9-2所示，本實用新型所述的一種無刷直流電機控制裝置，包括輸入及 顯示模塊、通信模塊、CPU控制模塊、方波及正弦波發(fā)生器模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理 模塊、整流三相逆變及IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊，其特征在于所述CPU控制模塊由一個主控CPU 和多個副CPU組成，其中輸入及顯示模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、方波及正弦波 發(fā)生器模塊分別設(shè)置有各自獨立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和協(xié)調(diào)下對所有的 事件進(jìn)行并行處理以提高運行速度和響應(yīng)速度。其中為更好地保證其電機位置及轉(zhuǎn)速檢測 的可靠性，上述霍爾傳感器檢測及運算處理模塊包括用于檢測電機轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的通過 線路板嵌入在電機轉(zhuǎn)子中的二對或二對以上按極性間序排列呈圓周分布霍爾傳感器；用于將各霍爾傳感器檢測到的信號進(jìn)行放大處理的放大器；用于將各放大器輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換電路；用于對各A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出信號進(jìn)行運算處理而生成電機的模擬位置信號的 數(shù)字信號處理器DSP ；其中，各霍爾傳感器檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)依序連接的放大器，A/D轉(zhuǎn)換電 路數(shù)字信號處理器DSP處理后輸出到上述主控CPU、輸入及顯示模塊、方波及正弦波發(fā)生器 模塊、通信模塊與給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運算并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，該控制信號再輸出整流三 相逆變及IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊輸出所期望的電流及電壓來控制驅(qū)動電機。此時，1.輸入顯示模塊主要由LED數(shù)碼顯示器，按鍵和一個副CPU控制電路組成，主要負(fù) 責(zé)輸入各運行參數(shù)和顯示電機的運行狀態(tài)和工況。2.通信模塊主要采用RS-485，可通過RS-485使多臺電機同上位機進(jìn)行連接，上位 機可讀取各臺電機的運行狀態(tài)和工況，分別向各臺電機下發(fā)各控制命令和參數(shù)來改變電極 運行速度、方向、啟動時間等，從而實現(xiàn)多臺電機連動。3.霍爾傳感器檢測運算處理模塊通過在線路板中嵌入4個或8個呈圓周分布并反 極性間序排列的霍爾傳感器，采用安裝在電機軸正面的磁鋼沿直徑方向磁化的磁鐵，磁鐵 將在兩個成90度的線性霍爾傳感器中軸上方旋轉(zhuǎn)運動兩路輸出信號相位差90度，即提供 角度的一個正弦信號和一個余弦信號通過微分放大器起結(jié)合在一起正弦和余弦信號被兩 個ADC轉(zhuǎn)換器數(shù)字化并通過數(shù)字濾波器減少噪聲，DSP轉(zhuǎn)化正弦和余弦信號輸出角度和數(shù) 字量，其特點在于輸出方式靈活多樣可輸出U/V/W和A/B/Z信號，360°C可編程角度測量， 非接觸式，高可靠性體積小，易于安裝拆卸。適合應(yīng)用于各種苛刻工業(yè)環(huán)境。4.整流三相逆變和IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊主要包括IGBT驅(qū)動、過電流保護(hù)、欠壓過 壓保護(hù)、IGBT邏輯保護(hù)電路，整流及功率因素較正電路和三相逆變電路。5.主控CPU和PID控制模塊和方波及正弦波發(fā)生器模塊(1)單速度環(huán)PID控制主控CPU主要負(fù)責(zé)電機轉(zhuǎn)速的PID控制，在電機運行時，從轉(zhuǎn)速測量值中減去轉(zhuǎn)速給定值(期望轉(zhuǎn)速)，PID控制器對轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行處理，其輸出作為正弦波幅值的給定控制量?？赏ㄟ^電壓設(shè)定轉(zhuǎn)速給定值，而電機轉(zhuǎn)速測量值則根據(jù)霍爾效應(yīng)傳感器的反饋信 號來計算每隔1毫秒在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行一次PID轉(zhuǎn)速控制。該中斷服務(wù)程序?qū)τ蟹?號小數(shù)格式的給定轉(zhuǎn)速和電機當(dāng)前實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理。通過從存儲器中讀出給定轉(zhuǎn)速值減 去實際轉(zhuǎn)速值以確定轉(zhuǎn)速誤差值，該誤差值可確定電機應(yīng)升速還是減速。為確保電機能夠 平穩(wěn)運行，誤差值將被解析為比例、積分和微分分量以產(chǎn)生一個合成輸出控制量，該輸出量 用于補償轉(zhuǎn)速誤差。用于產(chǎn)生控制器輸出值的公式根據(jù)前三次中斷中獲取的三個誤差值當(dāng) 前的轉(zhuǎn)速誤差、前一次中斷轉(zhuǎn)速誤差(1ms前的)和前二次轉(zhuǎn)速誤差(2ms前的)進(jìn)行計算。(2)磁場定向PID控制通過一系列坐標(biāo)變換，可間接確定不隨時間變化的轉(zhuǎn)矩和磁通值，并可采用經(jīng)典 的PI控制環(huán)對其進(jìn)行控制?？刂七^程起始于3相電機電流的測量。實際應(yīng)用中，三個電流 值的瞬時和為零。這樣僅測量其中兩個電流即可得到第三個電流值。因此，可通過去除第 三個電流傳感器來降低硬件成本。第一次坐標(biāo)變換，稱為Clarke變換，它將一個3軸、2維 的定子坐標(biāo)系變換到2軸的定子坐標(biāo)系中如圖所示其中ia、ib和ic為各相電流現(xiàn)在，已使定子電流在一個兩坐標(biāo)軸分別標(biāo)為α、β的2軸正交系中得以表達(dá)。 下一步將其變換到另一個正在隨著轉(zhuǎn)子磁通旋轉(zhuǎn)的2軸系統(tǒng)中。這種變換就是Park變換， 如圖所示，該2軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸稱為dq軸。使用三個PI環(huán)分別控制相互影響的三個變量。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分 別由單獨的PI模塊控制。PID控制器的P增益設(shè)定整個系統(tǒng)的響應(yīng)。在初次對控制器進(jìn)行參數(shù)整定時，將I 和D增益設(shè)置為0。隨后可增大P增益，直到系統(tǒng)能夠很好地響應(yīng)設(shè)定點的變化，不存在過 大超調(diào)或振蕩。使用較小的P增益值可較“松”地控制系統(tǒng)，而較大的值則會較“緊”地控制 系統(tǒng)。此時，系統(tǒng)將有可能不收斂到設(shè)定點。選取了合適的P增益后，可緩慢地增加I增益 以消除系統(tǒng)的誤差。對多數(shù)系統(tǒng)而言，只需較小的I增益。如果I增益取值過大，則可能會 抵消P項的作用，減緩整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)，并使系統(tǒng)在設(shè)定點附近振蕩。如果發(fā)生振蕩， 通過減小I增益并增大P增益通?？山鉀Q問題。本應(yīng)用中包含了限制積分飽和的項，當(dāng)積 分誤差使輸出參數(shù)飽和時會產(chǎn)生積分飽和。此時，再增加積分誤差將不會影響輸出。當(dāng)累 積誤差減小時，它必須減小(下降)到導(dǎo)致輸出飽和的值以下才能對輸出產(chǎn)生影響。Kc系 數(shù)用于限制這些不會影響輸出的累積誤差。對于大多數(shù)情況，該系數(shù)取值可與Ki相同。存 在三個相互關(guān)聯(lián)的PI控制環(huán)。外環(huán)控制電機轉(zhuǎn)速。兩個內(nèi)環(huán)分別控制變換后的電機電流 Id和Iq。如前所述，Id環(huán)控制磁通，而Iq值控制電機轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過PI迭代后，可獲得旋轉(zhuǎn)d_q坐標(biāo)系的電壓矢量的兩個分量。這時需要經(jīng)過逆 變換將其重新變換到3相電機電壓。首先，需從2軸旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系變換到2軸靜止α-β 坐標(biāo)系。該變換使用了 Park逆變換，如圖所示。下一步是將靜止2軸α _ β坐標(biāo)系變換到靜止3軸3相定子參考坐標(biāo)系。從數(shù)學(xué) 角度來看，該變換是通過Clarke逆變換來實現(xiàn)的，如圖所示。(3)正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器通過使用空間矢量調(diào)制，三相中每一相電壓信號的脈寬產(chǎn)生過程將 簡化為幾個簡單的公式。三個逆變器輸出中的任何一個都將處于以下兩個狀態(tài)之一連接 所有三相輸出全部連接至+母線或_母線的兩個狀態(tài)被認(rèn)為是無效狀態(tài)，因為在 任意兩相之間不存在線電壓。這兩個狀態(tài)對應(yīng)的空間矢量在SVM星型的原點繪出。其余的 六個狀態(tài)表示為六個空間互差60度的基本空間矢量，如圖所示空間矢量調(diào)制可采用相鄰兩個基本空間矢量的矢量和來表征任一合成矢量。在下 圖中，UOUT是期望的合成矢量。該矢量位于U60和UO之間的區(qū)間內(nèi)。如果在給定的PWM 周期T內(nèi)，UO的輸出時間為T1/T而U60的輸出時間為T2/T，則整個周期內(nèi)的平均矢量將為 UOUToTl和T2的值將從查找表中獲取。該表包含0至60電角度之間的172個小數(shù)正弦 值。因此，對于6個區(qū)間中的任何一個區(qū)間，將有一個軸與此對應(yīng)，另外兩個軸對稱分布在 該區(qū)間邊界。沿這兩個邊界軸的的矢量分量值等于Tl和T2。如下圖中所示，在PWM周期T 中，矢量Tl輸出時間為T1/T，矢量T2輸出時間為T2/T。在一個周期內(nèi)的剩余時間內(nèi)將輸
出空矢量。一種具有上述無刷直流電機控制裝置的無刷直流電機，該無刷直流電機包括具有 永磁體的轉(zhuǎn)子組件和具有用于多相的驅(qū)動線圈的定子組件，其特征在于所述定子組件和轉(zhuǎn) 子組件為少槽多極結(jié)構(gòu)。其中，上述定子組件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽 或14槽或16槽或18槽或20槽或22槽或24槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子組件為6極或8極或10極或12 極或14極或16極或18極或20極結(jié)構(gòu)；上述定子組件為12槽結(jié)構(gòu)，上述轉(zhuǎn)子組件為10極 或14極結(jié)構(gòu)。一種具有上述無刷直流電機的液壓系統(tǒng)，主要包括動力裝置、執(zhí)行裝置、控制 裝置、液壓油及各種輔助元件，其中所述動力裝置采用液壓泵伺服電機，其特征在于所述電 機采用上述無刷直流電機。
權(quán)利要求一種無刷直流電機控制裝置，包括輸入及顯示模塊、通信模塊、CPU控制模塊、方波及正弦波發(fā)生器模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、整流三相逆變及IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊，其特征在于所述CPU控制模塊由一個主控CPU和多個副CPU組成，其中輸入及顯示模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、方波及正弦波發(fā)生器模塊分別設(shè)置有各自獨立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和協(xié)調(diào)下對所有的事件進(jìn)行并行處理以提高運行速度和響應(yīng)速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電機控制裝置，其特征在于上述霍爾傳感器檢測及 運算處理模塊包括用于檢測電機轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的通過線路板嵌入在電機轉(zhuǎn)子中的二對 或二對以上按極性間序排列呈圓周分布霍爾傳感器；用于將各霍爾傳感器檢測到的信號進(jìn)行放大處理的放大器；用于將各放大器輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換電路；用于對各A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出信號進(jìn)行運算處理而生成電機的模擬位置信號的數(shù)字 信號處理器DSP ；其中，各霍爾傳感器檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)依序連接的放大器，A/D轉(zhuǎn)換電路 數(shù)字信號處理器DSP處理后輸出到上述主控CPU、輸入及顯示模塊、方波及正弦波發(fā)生器模 塊、通信模塊與給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運算并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，該控制信號再輸出整流三相 逆變及IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊輸出所期望的電流及電壓來控制驅(qū)動電機。
3.一種具有權(quán)利要求1至權(quán)利要求2任一權(quán)項所述無刷直流電機控制裝置的無刷直 流電機，該無刷直流電機包括具有永磁體的轉(zhuǎn)子組件和具有用于多相的驅(qū)動線圈的定子組 件，其特征在于所述定子組件和轉(zhuǎn)子組件為少槽多極結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無刷直流電機控制裝置的無刷直流電機，其特征在于上述定 子組件的4槽或6槽或8槽或9槽或10槽或12槽或14槽或16槽或18槽或20槽或22 槽或24槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子組件為6極或8極或10極或12極或14極或16極或18極或20極結(jié) 構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無刷直流電機控制裝置的無刷直流電機，其特征在于上述定 子組件為12槽結(jié)構(gòu)，上述轉(zhuǎn)子組件為10極或14極結(jié)構(gòu)。
6.一種具有權(quán)利要求3至權(quán)利要求5任一權(quán)項所述無刷直流電機的液壓系統(tǒng)，主要包 括動力裝置、執(zhí)行裝置、控制裝置、液壓油及各種輔助元件，其中所述動力裝置采用液壓泵 伺服電機，其特征在于所述電機采用上述無刷直流電機。
專利摘要一種無刷直流電機控制裝置，包括輸入及顯示模塊、通信模塊、CPU控制模塊、方波及正弦波發(fā)生器模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、整流三相逆變及IGBT驅(qū)動保護(hù)模塊，其特征在于所述CPU控制模塊由一個主控CPU和多個副CPU組成，其中輸入及顯示模塊、霍爾傳感器檢測及運算處理模塊、方波及正弦波發(fā)生器模塊分別設(shè)置有各自獨立的副CPU，且各副CPU在主控CPU的控制和協(xié)調(diào)下對所有的事件進(jìn)行并行處理以提高運行速度和響應(yīng)速度。本實用新型的目的是提供一種具有多CPU并行處理能力，并能在環(huán)境較為苛刻(如高溫、高濕、灰塵、空間狹小等)條件下工作且安裝簡單方便，可靠性高的無刷直流電機及其控制裝置和使用它的液壓系統(tǒng)。
文檔編號H02P6/08GK201667631SQ20102012916
公開日2010年12月8日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者趙勇杰 申請人:利德國際企業(yè)有限公司