[发明专利]一种大功率长行程永磁同步直线电机的伺服驱动装置

说明书

技术领域

本发明涉及交流电机伺服控制技术领域，特别是涉及大功率、长行程永磁同步直线电机的伺服驱动装置。

背景技术

目前，因受到直线电机动子位置、速度检测方法及装置的限制，大功率、长行程永磁同步直线电机的控制大都采用V/F控制或无位置传感器的矢量控制。

V/F控制属于开环控制，以电机的稳态特性为基础，无法精确控制电磁推力，在负载突然变化时无法快速达到稳定。矢量控制属于闭环控制，以经三相电流解耦的电机动态数学模型为基础，能精确控制电机的电磁推力，电机响应速度快、稳定性好。采用矢量控制的永磁同步直线电机伺服驱动装置可以获得更好的动态性能。

直线电机实现矢量控制的前提是实现电机动子的位置检测。目前直线电机的位置检测主要有以下几种方法：(1)利用光栅尺、磁栅尺等直线位置检测设备进行检测。该方法的检测精度非常高，尤其适用于对位置精度要求很高的场合。但光栅尺、磁栅尺的价格昂贵，随着直线电机行程的扩大光栅尺、磁栅尺的成本会成倍提高。大功率、长行程永磁同步直线电机对位置的检测精度要求通常不高，用高精度的光栅尺、磁栅尺来检测其位置会导致资源浪费，且在电梯等超大行程场合使用光栅尺、磁栅尺是不可取的。(2)基于电感信息或电机定子齿槽信号的无位置传感器的位置检测法。该类方法算法复杂、实现困难，同时该类方法依赖于时变的电机参数，位置检测的稳定性、精度均较差。因此现有的位置检测方法均不适合于大功率长行程的直线电机系统。

同时，对于直线电机控制系统而言，目前大多数直线电机控制器的硬件结构都是基于DSP或者FPGA为控制核心的，有的甚至还应用单片机。单片机的运算能力显然不能满足矢量控制所需的大量运算的要求。FPGA虽然具有设计简单、操作方便、抗干扰性强等特点，但FPGA的运算速度较慢。DSP的运算速度快、控制灵活、智能化水平高，但单独使用让其完成所有的控制及逻辑处理等功能，导致DSP的利用率低，影响系统性能；同时需要增加大量的外围电路，这就不可避免的增加系统的成本，增加系统的复杂性，也不方便维护系统；此外，当系统需要升级或者功能扩展时，先前使用的外设及其接口电路可能不能满足需要而必须重新开发，增加开发成本，不利于系统升级和系统功能扩展。因此基于DSP或者基于FPGA的伺服控制系统都存在一些自身无法克服的缺点，必须采用其他的方法加以解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步直线电机伺服驱动装置，该装置不需要使用光栅尺、磁栅尺等昂贵的直线位置检测设备，具有成本低、可靠性高、动态性能好、启动力矩大、可扩展能力强的特性。

本发明提供了一种大功率长行程永磁同步直线电机的伺服驱动装置，包括整流模块24、开关电源模块17、过欠电压保护电路模块18、数字信号处理器12、智能功率模块14、霍尔电流传感器15、第一光耦组16、第二光耦组20、第三光耦组26；整流模块24的输出端分别连接智能功率模块14、开关电源模块17的输入端和过欠电压保护电路模块18的输入端，电源模块17的输出端分别连接智能功率模块14、数字信号处理器12、第一光耦组16、第二光耦组20和第三光耦组26，霍尔电流传感器15的输出端连接数字信号处理器12，其特征在于，还包括位置传感器4，增量式旋转光电编码器8、差分电路23和现场可编程门阵列13；

位置传感器4的输出端与数字信号处理器12连接，用于向数字信号处理器12传送包含电机动子3在360°电角度范围内相对于定子永磁体5位置信息的三相霍尔信号；

增量式旋转光电编码器8通过差分电路23与数字信号处理器12连接，用于向数字信号处理器12传送包含导滚轮2转角和转速信息的光电编码信号；

数字信号处理器12依次通过现场可编程门阵列13，第一光耦组16连接智能功率模块14，用于计算电机动子3的速度及电机动子3相对于定子永磁体5的位置，并根据该速度和位置计算脉宽调制信号的占空比，产生脉宽调制信号，传送给现场可编程门阵列13；

智能功率模块14还另外通过第二光耦组20连接现场可编程门阵列13，过欠压保护电路18的输出端通过第三光耦组26连接现场可编程门阵列13，电源模块17的输出端与现场可编程门阵列13相接。

作为本发明的进一步改进，所述位置传感器4包括三个霍尔位置传感器，用于产生包含电机动子3在360°电角度范围内相对于定子永磁体5位置信息的三相霍尔信号。