[发明专利]直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器

说明书

技术领域

本发明属于电机自动控制领域，具体涉及一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器。

背景技术

永磁直线音圈电机具有高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点，其用于要求高加速度、高频响、快速和高精度定位运动系统。因此近年来，数百赫兹以上高频响大流量直驱伺服阀几乎都采用直线音圈电机直接驱动结构。要实现这些优良的性能，对永磁直线音圈电机的驱动控制器的运算精度和运算速度提出了更高要求。同时工业应用时，还要求驱动控制器具有更高的集成度，以提高可靠性和降低成本，且要求驱动控制器由功能升级和可扩展能力，以适应各种不同的需求。

现有方案采用单片机或定点DSP组成，由于受控制器计算速度及计算精度的限制，其普遍采用数模混合的驱动控制方式。即位置环数字控制，而电流环仍采用传统的模拟控制方式。该其存在模拟控制所固有的一些缺点，如调试不方便、存在温漂、无法与其它数字控制器直接实现接口。随着高性能的浮点DSP和现场可编程逻辑器件FPGA的出现和广泛应用，使采用全数字方式来完成对永磁直线音圈电机的驱动控制成为可能。数字控制器具有可编程实现、对环境变化不敏感、精确的行为、可实现复杂算法、可增加附属功能的优点，是当前电机的驱动控制器方展的主要方向。

发明内容

本发明一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，采用高性能的32位浮点DSP(TMS320VC33)和现场可编程逻辑器件FPGA(EP2C35)，该浮点DSP的运算速度可达75MIPS，该FPGA具有35000可编程逻辑单元(LE)，功率主电路采用智能功率模块IPM来构成H桥电路，信号检测部分包括用于对永磁直线音圈电机的绕组电流和动圈位置进行采样的14位逐次比较型A/D转换电路，四通道模拟开关，电流传感器采用霍尔式电流传感器，动圈位置传感器采用非接触式的电涡流位移传感器，以及模拟信号的放大及有源滤波电路，实现对直接驱动阀用永磁直线音圈电机的高性能全数字驱动控制，其既有控制精度高、响应快、系统可靠性高等优点。

本发明的目的在于提供一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，它采用高性能的32位浮点DSP和现场可编程逻辑器件FPGA及高性能的控制算法，目的是获得永磁直线音圈电机动圈的高速、高精度往复运动的控制效果，实现对直接驱动阀用永磁直线音圈电机的高频响、高精度的位置控制。

为实现上述发明目的，本发明提供一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其由数字控制器、功率电路、信号检测电路三部分组成。

所述的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其数字控制器电路包括：32位浮点DSP，其具有SPI接口、SCI接口，5倍频的锁相环时钟发生器，2个独立的32bit硬件定时器；现场可编程逻辑器件FPGA，其作为DSP的一个协处理器，负责完成对A/D的采样控制，PWM信号的产生，与DSP的数据通信，电流环控制，电流过流保护等功能，并且FPGA中的各个功能模块均采用模块化设计，便于系统功能的扩展和升级；外部Flash ROM，用于存储DSP的程序。数字控制器作用是利用位置指令和位置反馈信号和电机绕组电流反馈信号通过电流环以及位置环的控制算法产生控制永磁直线音圈电机驱动所需的控制信号。

DSP作为主控制器，负责整个系统的任务调度。首先，DSP通过SPI接口或SCI接口读取上位机发送的给定动圈位置的数字量，并通过读取在FPGA内部实现的双端口RAM得到动圈位置的数字量，利用先进的位置环控制算法通过计算得到电流环的电流给定值并将电流环的电流给定值发送给在FPGA内部实现的双端口RAM。该位置环控制算法采用了基于负载扰动观测器的前馈控制和非线性PID控制相结和的复合控制算法。其中，负载扰动观测器是通过采用现代控制理论中的龙博格(Luenberger)观测器来实现的。利用该负载扰动观测器来估计负载扰动，并用前馈的方式加以补偿，可以很好的减少负载扰动对系统控制性能的影响。利用非线性PID控制，其具有“小偏差，大增益；大偏差，小增益”的特点，因而可以很好的解决传统PID控制中快速性与超调之间的矛盾，使系统的稳、动态性能大为提高。

非线性PID：