專利名稱：大功率永磁無刷伺服電機(jī)的電子控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提供一種驅(qū)動永磁無刷伺服電機(jī)的電子控制裝置。
目前一般的伺服控制器普遍采用測速發(fā)電機(jī)做為速度反饋單元，為了與數(shù)控系統(tǒng)組成位置閉環(huán)，又要安裝光電編碼器，這樣使系統(tǒng)投資增加，另外，為防止電機(jī)制動時產(chǎn)生的高壓，往往采用制動電阻將制動產(chǎn)生的能量泄放，在伺服電機(jī)功率較小時是簡便合理的，但當(dāng)伺服電機(jī)功率較大時，制動產(chǎn)生的大量的熱量，不僅浪費(fèi)電能，而且對設(shè)備散熱提出很高要求，有時很難應(yīng)用。
本實(shí)用新型的目的提供一種適用于大功率、頻繁啟制動、精度高的永磁無刷伺服電機(jī)的電子控制裝置。


圖1為光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖圖2光電編碼器輸出信號圖圖3電流解析器電路圖圖4導(dǎo)通電流信號波形圖圖5電機(jī)控制單元框圖圖6速度反饋框圖圖7逆變控制單元電路圖8逆變側(cè)基極驅(qū)動信號與電網(wǎng)電壓關(guān)系圖圖9系統(tǒng)主回路圖，摘要附圖本實(shí)用新型是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的，本裝置的速度信號取自與電機(jī)同軸聯(lián)接的光電編碼器，該特制光電編碼器可輸出A、B兩組相差90°的增量式脈沖信號，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)由調(diào)速精度決定，一般采用每轉(zhuǎn)2500個脈沖，當(dāng)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動時(從電機(jī)軸端看，以下同)A脈沖超前B脈沖90°，電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動時，B超前A90°，根據(jù)A、B的相位關(guān)系即可判定電機(jī)轉(zhuǎn)向，根據(jù)A、B脈沖頻率就可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測定。另外光電編碼器還輸出三組與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置相對應(yīng)的相位檢測信號φ1、φ2、φ3，圖1為光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為增量式光柵，2為光電轉(zhuǎn)換器，3為磁極位置檢測光柵。圖2為編碼器輸出信號(逆時針轉(zhuǎn)動時)，φ1、φ2、φ3為磁極位置檢測信號，A、B為增量式信號。光電編碼器輸出的與電極磁極位置相對應(yīng)的φ1、φ2、φ3信號在控制器內(nèi)經(jīng)過圖3所示的電流解析器電路，將速度調(diào)節(jié)器輸出的電流信號＋I(xiàn)g、－Ig通過模擬開關(guān)的開合切換，得到U、W兩相的導(dǎo)通電流信號Igu、Igw，(Igu、Igw信號波形見圖4)而第三相V相電流則在V相電流調(diào)節(jié)器中由U、W兩相相加得到，這樣就保證了三相電流平衡，使電機(jī)中無直流分量存在，保證系統(tǒng)的運(yùn)行特性，電流信號經(jīng)電流調(diào)節(jié)器和PWM調(diào)制單元形成PWM調(diào)制信號，通過基極驅(qū)動器驅(qū)動大功率三極管工作，帶動電機(jī)。電機(jī)控制單元框圖見圖5所示。由光電編碼器輸出的A、B脈沖信號經(jīng)過可編程邏輯陣列PAL16R4(IC1)做方向鑒別并做四倍頻后，分兩路輸出脈沖，分別對應(yīng)電機(jī)正、反向，正向有信號脈沖時反向無信號，反向有信號脈沖時正向無信號。脈沖頻率與A、B頻率成線性關(guān)系，兩路脈沖信號分別經(jīng)過F／V變換后形成與轉(zhuǎn)速成正比的反饋電壓，這兩路電壓各自采用獨(dú)立的運(yùn)算放大器IC5、IC6放大(見圖6)，采用兩獨(dú)立運(yùn)算放大器可使正反向反饋強(qiáng)度可分別調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)元件一致性要求降低，輸出一致性好，可很好提高系統(tǒng)工作特性。
在整個系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)伺服驅(qū)動器最大的區(qū)別在于制動能量處理上，系統(tǒng)使用了逆變單元將電機(jī)制動產(chǎn)生的能量反饋電網(wǎng)。由于本裝置驅(qū)動電機(jī)功率大，達(dá)到13KW，制動時產(chǎn)生的能量大，采用傳統(tǒng)的電阻制動已很不現(xiàn)實(shí)，因此采用了圖7所示的逆變控制單元電路，這樣系統(tǒng)的主回路就成為圖9所示形式，左半部分TR11～TR16和電流檢測單元HL1、電壓檢測單元、C1構(gòu)成逆變單元，右半部TR21～TR26及電流檢測單元HLU、HLW、C2構(gòu)成電機(jī)控制單元，電阻R為上電時限流電阻，正常工作時接觸器C閉合，將R短接。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，逆變單元三極管封鎖，只有六只二極管做三相整流，為電機(jī)驅(qū)動單元提供高壓工作電源，帶動電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)制動時，直流母線上電壓升高，電壓檢測單元檢測到這一變化，經(jīng)狀態(tài)檢測電路打開封鎖2，此時HL1中無電流，封鎖1開放，驅(qū)動信號形成電路工作，產(chǎn)生基極驅(qū)動信號，經(jīng)基極驅(qū)動電路驅(qū)動TR11～TR16將直流母線上能量回饋電網(wǎng)，使母線電壓不致于升高，保證大功率三極管和電容等不致因過壓損壞，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行?；鶚O驅(qū)動信號與電網(wǎng)電壓關(guān)系見圖8所示，電流檢測單元HL1檢測逆變電流，當(dāng)電流超過三極管TR11～TR16所允許的安全工作電流時，封鎖1動作，暫時封鎖GTR基極驅(qū)動信號，經(jīng)0.5ms延時后去除封鎖1，此時如仍有過壓信號(封鎖2仍然打開)，系統(tǒng)恢復(fù)放電，這樣系統(tǒng)以最大允許電流將制動能量回饋電網(wǎng)。電路中保護(hù)、信號聯(lián)鎖用以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于采用光電編碼器信號，用大功率三極管做為控制元件，將電機(jī)制動能量回饋電網(wǎng)，節(jié)約能源。整個系統(tǒng)具有功率大(13KW)，調(diào)速精度高(△n＜5rpm)，調(diào)速范圍寬(調(diào)速度＞12000)，響應(yīng)快(＜40ms)的特點(diǎn)，適用于要求頻繁啟制動，精度要求高的場合，如大型數(shù)控機(jī)床、連軋快速電動活套、連鍛拉坯、小軋機(jī)壓下等。
權(quán)利要求一種大功率永磁無刷伺服電機(jī)的電子控制裝置，其特征在于(1)采用光電編碼器做為電機(jī)磁極位置檢測和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測；(2)采用電流解析器電路，將速度調(diào)節(jié)器輸出的電流信號通過模擬開關(guān)的開合切換，得到U、W兩相導(dǎo)通信號；(3)正機(jī)正反向速度反饋采用獨(dú)立電路；(4)采用大功率晶體管(GTR)做控制元件，將電機(jī)制動能量回饋電網(wǎng)。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種大功率永磁無刷伺服電動機(jī)的電子控制裝置，其特征是采用光電編碼器做為電機(jī)磁極位置檢測和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測；采用專門設(shè)計的電流解析器，將速度調(diào)節(jié)器輸出的電流給定信號，通過模擬開關(guān)的開合切換得到電機(jī)中U、W兩相導(dǎo)通電流信號；采用大功率三極管(GTR)做為控制元件，將電動制動產(chǎn)生的能量回饋電網(wǎng)。節(jié)約能源。整個系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，可用在大型數(shù)控機(jī)床，連軋快速活套，小型軋機(jī)壓下等。
文檔編號H02P6/00GK2204471SQ94218389
公開日1995年8月2日 申請日期1994年8月15日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月15日
發(fā)明者黃鵬才, 張偉, 沈士州, 秦曉平, 佟玉田, 蔡習(xí)正, 羅福洲, 張玉慶 申請人:冶金工業(yè)部自動化研究院