CN102386833A - 低速大扭矩伺服控制器 - Google Patents

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Abstract

一种低速大扭矩伺服控制器，涉及一种数控机床专用控制器，包括：速度给定装置、数字信号处理器、显示模块、隔离及驱动模块、智能功率模块、电流传感器、低通滤波器、串行通讯模块、事件管理器、模数转换模块、中央处理器、速度给定装置输入***各项的给定值并由显示模块显示，电流采样装置通过电流传感器对永磁同步电机电流进行采样，将采样信号通过低通滤波器送到数字信号处理器，通过数字信号处理器中的滑模观测器计算得到速度，将计算所得速度值与速度给定装置输入的速度给定值相比较，然后进行PI调节。具有快速响应、对参数及外部扰动变化不敏感、无需***在线辨识，实现简单而且很适合计算机实现等优点。

Description

低速大扭矩伺服控制器
技术领域
本发明涉及一种数控机床专用控制器，特别是一种根据机床刀具在实际切削过程中的转矩变化自动调节电机转矩的变频调速伺服控制器。
背景技术
传统的永磁同步电机矢量控制技术存在许多缺陷和不足，如解耦复杂，对外部参数及外部扰动敏感等，同时传统的永磁同步电机有机械式的传感器存在，使得制造工艺复杂，增加了成本和维护费用，同时降低了***的可靠性；永磁同步电机是一个多输入多输出的非线性***，虽然它有比较固定的数学模型，但是具有非线性和参数时变等问题。
发明内容
为克服已有技术的缺点，满足机床加工需求，本发明的目的在于提供一种基于滑膜变结构的数控机床用的扭矩大、精度高、成本低的低速大扭矩伺服控制器。
解决已有技术的问题，本发明所采取的技术方案是：低速大扭矩伺服控制器，包括：速度给定装置、数字信号处理器、显示模块、隔离及驱动模块、智能功率模块、电流传感器、低通滤波器、串行通讯模块、事件管理器、模数转换模块、中央处理器、信号互锁电路、光耦、信号滤波电路、保护电路、偏置电路、低通滤波电路，速度给定装置输入***各项的给定值并由显示模块显示，电流采样装置通过电流传感器对永磁同步电机电流进行采样，将采样信号通过低通滤波器送到数字信号处理器，通过数字信号处理器中的滑模观测器计算得到速度，将计算所得速度值与速度给定装置输入的速度给定值相比较，然后进行PI调节，通过软件计算后输出路脉宽调制波给隔离及驱动模块，经过隔离及驱动模块隔离放大后驱动智能功率模块，母线电压提供能量给智能功率模块，智能功率模块驱动永磁同步电机完成调速，实现电流与速度的闭环控制。
所述的数字信号处理器，是通过串行通讯接口接收速度给定信号，并将此信号经过低通滤波器后反馈的电流采样数据，通过模数转换模块转换后的结果进行比较，比较结果通过中央处理器进行处理，然后再通过事件管理器向隔离及驱动模块发出控制信号，通过高速串行通讯模块将显示所需的数据发送给显示模块。
所述隔离及驱动模块，是控制信号经过信号互锁电路处理，互锁信号通过光耦隔离放大，隔离放大信号再经过信号滤波电路滤除干扰后输出智能功率模块控制信号，此信号与智能功率模块连接。
所述的智能功率模块，与隔离及驱动模块输出的智能功率模块控制信号连接，智能功率模块本身自带电源自举电路，同时智能功率模块本身带保护电路。
所述的低通滤波器内部设计了偏置电路，将电流采样信号经过2.5V的直流偏置以后将信号全部转换为正电压信号，该正电压信号经过由运算放大器组成的低通滤波电路后，输送给数字信号处理器的模数转换模块。
本发明的有益效果,是通过对电机的电流的实时采样，将采样结果送入数字信号处理器实现电流闭环控制，进而调节电机的输出频率，最终实现恒定速度控制，***采用矢量控制方式，采用滑模变结构观测器估算转子位置，同时采用SVPWM以提高直流母线电压利用率，拓宽***调速范围。采用无传感器的滑膜变结构控制，在去除了传感器的同时，具有快速响应、对参数及外部扰动变化不敏感、无需***在线辨识，实现简单而且很适合计算机实现等优点。
附图说明
附图1是本发明伺服控制器的结构框图；
附图2是本伺服驱动器的数字信号处理器电路框图；
附图3是本伺服驱动器的驱动电路框图；
附图4是本伺服驱动器的智能功率模块电路框图；
附图5是本伺服驱动器的低通滤波器电路框图。
图中所示：速度给定装置1、数字信号处理器2、显示模块3、隔离及驱动模块4、智能功率模块5、直流母线电压6、永磁同步电动机7、电流传感器8、
低通滤波器9、串行通讯接口10、串行通讯模块11、事件管理器12、模数转换模块13、中央处理器14、信号互锁电路15、光耦16、信号滤波电路17、电源自举电路18、保护电路19、偏置电路20、低通滤波电路21。
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
具体实施方式
如图1所示，伺服***由速度给定装置1、数字信号处理器2、显示模块3、隔离及驱动模块4，智能功率模块5、直流母线电压6、永磁同步电动机7、电流传感器8、低通滤波器9组成。速度给定装置1输入***各项的给定值并由显示模块3显示，电流采样装置通过电流传感器8对永磁同步电机7电流进行采样，将采样信号通过低通滤波器9送到数字信号处理器2，通过数字信号处理器2中的滑模观测器计算得到速度，将计算所得速度值与速度给定装置1输入的速度给定值相比较，然后进行PI调节，通过软件计算后输出6路脉宽调制波给隔离及驱动模块4，经过隔离及驱动模块4隔离放大后驱动智能功率模块5，母线电压6提供能量给智能功率模块5，智能功率模块5驱动永磁同步电机7完成调速，从而实现电流与速度的闭环控制。
数字信号处理器电路设计
    如图2所示，由所述的速度给定装置1发出速度给定信号，所述的数字信号处理器2通过串行通讯接口10接收速度给定信号，并将此信号与所述的电流传感器8经过低通滤波器9后反馈的电流采样数据通过模数转换模块13转换后的结果进行比较，并将比较结果通过所述的数字信号处理器2内部的中央处理器14中的软件算法进行处理，然后通过事件管理器12向所述的隔离及驱动模块4发出控制信号，同时通过高速串行通讯模块11将显示所需的数据发送给所述的显示模块3。
驱动电路设计：
如图3所示，由所述的数字信号处理器2发出控制信号，控制信号经过信号互锁电路15处理以保证功率器件不会同时导通，互锁信号通过光耦16隔离放大，隔离放大信号再经过信号滤波电路17滤除干扰后输出智能功率模块控制信号，此信号与所述的智能功率模块5连接，驱动智能功率模块正常工作。
智能功率模块电路设计:
如图4所示，由所述的隔离及驱动模块4输出的智能功率模块控制信号与所述的智能功率模块5连接，功率电路考虑到功率器件电源浮地问题，如果采用分离电源无疑会增加伺服驱动器成本，本伺服驱动器采用的智能功率模块5很好的解决了此问题，智能功率模块5本身自带电源自举电路18，使用时我们只需在外部连接电容即可，外部只需使用一路15V电源即可驱动6个功率器件正常工作，同时智能功率模块5本身带保护电路19，所述的保护电路19有过流保护和过温保护功能，在出现故障时能够保证在最短的时间内保护功率器件不受损坏，使得***能够正常稳定的运行。
低通滤波器电路的设计：
如图5所示，由所述的电流传感器8输出电流采样信号给所述的低通滤波器9，由于电流采样信号是交流正弦信号不能直接接入到所述的数字信号处理器2的模数转换模块13，因此所述的低通滤波器9中内部设计了偏置电路20，将电流采样信号经过2.5V的直流偏置以后将信号全部转换为正电压信号，然后此正电压信号经过由运算放大器组成的低通滤波电路21后输入给所述的数字信号处理器2的模数转换模块13。
***软件
滑模观测估算算法实现是以数字信号处理器2为控制核心，滑模观测器作为一种无传感器的控制方法，它以电机结构为基础，通过分析永磁同步电机的数学模型，让获得的电流估计值和实际测量值做偏差，用这个误差不断的修正，以此来估算转子位置和转速。

Claims (5)

1.一种低速大扭矩伺服控制器，包括：速度给定装置、数字信号处理器、显示模块、隔离及驱动模块、智能功率模块、电流传感器、低通滤波器、串行通讯模块、事件管理器、模数转换模块、中央处理器、信号互锁电路、光耦、信号滤波电路、保护电路、偏置电路、低通滤波电路，其特征在于：速度给定装置（1）输入***各项的给定值并由显示模块（3）显示，电流采样装置通过电流传感器（8）对永磁同步电机（7）电流进行采样，将采样信号通过低通滤波器（9）送到数字信号处理器（2），通过数字信号处理器（2）中的滑模观测器计算得到速度，将计算所得速度值与速度给定装置（1）输入的速度给定值相比较，然后进行PI调节，通过软件计算后输出（6）路脉宽调制波给隔离及驱动模块（4），经过隔离及驱动模块（4）隔离放大后驱动智能功率模块（5），母线电压(6)提供能量给智能功率模块(5），智能功率模块（5）驱动永磁同步电机（7）完成调速，实现电流与速度的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩伺服控制器，其特征在于：所述的数字信号处理器(2)，是通过串行通讯接口(10)接收速度给定信号，并将此信号经过低通滤波器(9)后反馈的电流采样数据，通过模数转换模块(13)转换后的结果进行比较，比较结果通过中央处理器(14)进行处理，然后再通过事件管理器(12)向隔离及驱动模块(4)发出控制信号，通过高速串行通讯模块(11)将显示所需的数据发送给显示模块(3)。
3.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩伺服控制器，其特征在于：所述隔离及驱动模块(4)，接收事件管理器(12)传送的控制信号，由信号互锁电路(15)处理，互锁信号通过光耦(16)隔离放大，隔离放大信号再经过信号滤波电路(17)滤除干扰后输出智能功率模块控制信号，此信号与智能功率模块(5)连接。
4.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩伺服控制器，其特征在于：所述的智能功率模块(5)，接收隔离及驱动模块(4)输出的智能功率模块控制信号，智能功率模块(5)本身带有电源自举电路(18)，同时带有保护电路(19)。
5.根据权利要求1所述的一种低速大扭矩伺服控制器，其特征在于：所述的低通滤波器(9)内部设计了偏置电路(20)，将电流采样信号经过2.5V的直流偏置以后将信号全部转换为正电压信号，该正电压信号经过由运算放大器组成的低通滤波电路(21)后，输送给数字信号处理器(2)的模数转换模块(13)。
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