[发明专利]一种基于高速数字控制结构的磁悬浮开关磁阻伺服电机控制系统

说明书

本发明公开了一种基于高速数字控制结构的磁悬浮开关磁阻伺服电机控制系统，其特征在于：其包括微处理器，所述微处理器采用双片复杂可编程逻辑器件组合来组成高速数字控制结构用于完成组合逻辑单元功能，所述微处理器连接主绕组功率变换器，通过主绕组PWM控制隔离与驱动，所述主绕组功率变换器连接磁悬浮开关磁阻伺服电机；所述复杂可编程逻辑器件连接悬浮绕组功率变换器，通过悬浮绕组PWM控制驱动和保护，所述悬浮绕组功率变换器连接所述磁悬浮开关磁阻伺服电机。本发明采用高速DSP芯片作为微处理器，采用复杂可编程逻辑门阵列（CPLD）来完成组合逻辑单元功能，构成复合数字控制系统，大大提高控制系统的速度。

技术领域

本发明涉及伺服电机控制系统技术领域，具体为一种基于高速数字控制结构的磁悬浮开关磁阻伺服电机控制系统。

背景技术

伺服控制系统是工业自动化的重要组成部分，是自动化行业中实现精确定位、精准运行的必要设备。随着科学技术的日益发展，伺服控制系统已广泛地应用于工业、农业、军事等领域，如数控机床、机器人控制、大规模集成电路制造、办公自动化、柔性制造系统FMS、雷达、载人宇宙飞船与各种军用武器跟随系统等。同时，人们对伺服控制系统的性能、功能等要求也越来越高，一场针对伺服控制的新技术革命逐渐在全球范围内展开。在此社会背景下，“中国制造 2025” 明确提出加快高档数控机床、增材制造等前沿技术和装备的研发。以提升可靠性、精度保持性为重点，开发高档数控系统、伺服电机、轴承、光栅等主要功能部件及关键应用软件，加快实现产业化。加强用户工艺验证能力建设。因此，研究开发以高性能、高可靠性的伺服控制系统，对提升我国关键领域的先进装备与制造水平具有极其重要的现实意义和实用价值。

最早的伺服控制系统主要采用的是电液位传运方式，这种方式虽然简单，但是工艺要求高、维护成本高、噪声大而且控制的灵活性也不好，因此在20世纪60年代被直流伺服控制系统所取代，直流伺服控制系统具有结构简单、调速范围宽、稳定性高等优势，但是其也有难以克服的缺点，如直流伺服电机转子绕组的发热大，采用机械换向会产生电火花，难以工作在易燃、易爆的工作场合，结构复杂，制造困难，成本高等。为了克服直流伺服电机的这些缺点，各国学者转向研究交流伺服控制系统，德国 MANNESMANN 的Rexroth 公司 1978年在汉诺威贸易博览会上正式推出 MAC 永磁交流伺服电动机和驱动控制系统，自80年代末以来的短短二十年间，取得了举世瞩目的发展，交流伺服控制系统己具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服控制系统相媲美，多年来的“交流伺服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实[2]。可以预见，交流伺服控制系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展。目前交流伺服控制系统主要有感应异步电机和开关磁阻电机交流伺服控制系统两大类。感应异步伺服电机制造容易、价格低，不需要作特殊得维护，在控制方法上一般都采用矢量控制、直接转矩控制等新型控制策略，很容易实现宽范围调速。但它的转子散热比较困难，电阻阻值受温度的影响较大，严重影响磁场定向和所建数学模型的准确性，限制伺服控制系统性能的提高。

为改善高速电机的轴承支撑特性，有学者研究了磁悬浮轴承，磁悬浮轴承是利用磁场力将转子浮于空间，实现转子和定子之间没有任何机械接触的一种轴承。与传统机械轴承相比，磁悬浮轴承具有如下优点：电机定转子不接触，因而无机械磨损，延长了设备使用寿命。摩擦损耗低，只有传统机械轴承的5~20%，大大提高了高速电机的效率。无需润滑、冷却，省去了庞大的润滑冷却装置，适合在特殊场合应用。且磁悬浮轴承可以承受很高的转速，目前已经实现的转速范围达到0~8×105rpm，其转速只受到转轴材料的限制。磁轴承的支撑特性由磁轴承本体及其控制系统共同决定，改变控制策略可调节磁轴承的支撑特性。实际工程应用中可以根据要求实时调整控制策略，对转轴工作状态进行在线检测和监控，使转轴处于最佳工作状态，从而大大提高系统的可靠性。