CN102223132B - 一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法，以TMS320F2812 DSP为核心控制单元，利用DSP的EVA和EVB两个事件管理器模块分别产生两路SVPWM信号控制两组定子。特征是执行电机为多定子弧形电机，并且两路SVPWM信号的初始相位不同。控制程序主要包括电机位置测量与速度运算模块，定子绕组电流采集和保持模块，CLARKE和PARK变换模块，电流环和速度环PID计算模块，电压空间矢量计算模块。本发明可以在很大程度消除弧形电机由于边端效应造成的力矩波动，满足电机宽调速、高精度旋转。

Description

一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法

技术领域

本发明属于机电控制领域，特别涉及一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，现代光电探测设备的尺寸越来越大，如国外最新型的天文望远镜尺寸已经达到30-50m。以往的传动系统已经不能满足这些光电探测设备所需要的转动惯量和机械刚度。如果按照传统的望远镜设计方案，需要采用的直接驱动的力矩电机直径将达到10m以上。这将给电机的加工、运输带来很大的麻烦。针对这一问题，一种采用新型的多定子弧形电机驱动方式得到了应用。该种电机由多块弧形定子组成，每块定子和动子之间都相当于一台单元电机，整台电机可以看成是由多台单元电机构成的大电机。该种电机和望远镜构成机电一体化的设计，可以形成刚度很强的连接关系，可以大大提高望远镜的动态响应时间。除此之外当一块定子出现故障的时候，可以随时拆除维修，并不影响整台电机正常工作。但是该种电机存在力矩波动较大的问题。如果电机产生的力矩波动较大，将不利于望远镜实现精密跟踪。力矩波动造成的原因有很多种，其中最主要的原因就是该种电机存在较大的边端力和齿槽力。国内外的很多研究文献表明，一般情况下，边端力要比齿槽力大很多。边端力是由于定子铁心长度有限，在铁心的边端发生磁导突变，从而导致定子与动子的相互作用力发生改变。为了尽可能减小力矩波动，必须采用有效的方法来减小电机的边端力。

弧形电机从性质上来说，属于永磁同步电机。永磁同步电机的控制方法主要有：空间矢量控制(SVPWM)、直接转矩控制、滑模控制等。其中SVPWM是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。

发明内容

本发明技术解决问题：针对目前弧形电机存在较大的力矩波动的问题，提供一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法，从而达到减小力矩波动的目的。

本发明的技术解决方案：一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法，所述多定子弧形电机由四块定子组成，其中定子A和C为第一组，它们之间相差2kπ电角度，定子B和D为第二组，它们之间也相差2kπ电角度，第一组定子和第二组定子之间相差2kπ+π/2电角度；利用DSP的两个事件管理器模块EVA和EVB分别产生两路空间矢量控制SVPWM信号控制所述两组定子，分别对两组定子实现速度和电流的双闭环控制，保证整台电机平稳、高精度旋转，实现步骤如下：

(1)配置DSP中的各个控制寄存器，初始化DSP中各个模块；

(2)通过DSP的CAP/QEP(捕获单元模块/正交编码脉冲模块)对电机的位置测量系统进行数据采集与运算，得到电机转子的机械角度Φ和旋转速度v；

(3)通过DSP的A/D模块对两组定子绕组中电流进行采集和保持；

(4)对采集的电流数据进行CLARKE和PARK变换得到直轴电流I_d和交轴电流I_q；

(5)将计算得到的速度大小v和给定的速度v^*，计算得到的直轴电流I_d和给定的直轴电流I_d ^*，计算得到的交轴电流I_q和给定的交轴电流I_q ^*分别进行PID计算；

(6)将PID计算后得到的旋转坐标系下的交轴电流和直轴电流进行逆PARK变化，得到静止坐标系下的交轴电流I_α和I_β；

(7)将得到的交轴电压U_α和U_β经过SVGEN模块(电压空间矢量模块)计算得到SVPWM控制方式中三相驱动电路的开关时间T_a、T_b、T_c；

(8)DSP根据开关时间T_a、T_b、T_c产生相应的SVPWM信号控制智能功率模块驱动电机旋转。

2、上述步骤(1)中具体还包括以下步骤：

1)系统时钟的设定：DSP工作频率设定为150MHz；

2)I/O端口初始化：设定相应的GPIO/PWM端口为外设功能；

3)A/D转换器设定为单次转换模式；

4)事件管理器初始化：设定各通用定时器，设定CAP/QEP的工作模式；

5)中断管理初始化。

3、上述步骤(2)中具体还包括以下步骤：

1)使能中断CAPINT3，通过捕获单元CAP3捕获增量式光栅尺的零位，一旦发生中断，对光栅尺的计数脉冲立即清零；

2)位置测量系统采用的是RENISHA公司的RESM光栅尺，该光栅尺上有86400条刻痕，经过电路细分后角分辨率可以达到0.05″。通过DSP的QEP电路对光栅尺的脉冲进行计数，从而得到电机旋转的机械角度Φ；

3)在计数器1的下溢中断频率为20k，通过两次下溢中断函数中位置的差值乘以中断频率即可得到电机的旋转速度v。

4、上述步骤(7)中具体还包括以下步骤：

(7.1)判断U_α和U_β合成电压U_out所在扇区；

(7.2)计算相邻矢量的作用时间T1、T2；

(7.3)计算每个扇区开关作用时间Ta、Tb、Tc，其中Ta、Tb为每个扇区相邻矢量作用时间，Tc为零矢量作用时间。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在很大程度消除弧形电机由于边端效应造成的力矩波动，满足电机宽调速、高精度旋转。由于边端力是以永磁体极距为周期的周期函数，如果使两块定子之间的距离相差奇数倍的极距，那么两台单元电机的边端力就会相互抵消，从而在很大程度上减小电机整体的边端力。基于以上思路，本发明中采用的弧形电机由四块定子组成，其中定子A和C为第一组，它们之间相差2kπ电角度，定子B和D为第二组，它们之间也相差2kπ电角度，但是第一组定子和第二组定子之间相差2kπ+π/2电角度。这样当四块定子其它结构参数相同的情况下，第一组和第二组定子之间的边端力就会相互抵消，电机动子上的边端力将会大大减小，电机输出的力矩波动也将大大减小。由于两组定子的初始相位不同，相差(2kπ+π/2)，那么就不能才用同一信号来控制。本发明采用两组SVPWM控制信号对两组定子分别进行电流和速度双闭环控制，保证整台电机平稳、高精度旋转。

附图说明

图1本发明的控制过程原理图；

图2本发明涉及到的弧形电机控制硬件结构方框图；

图3本发明涉及到的弧形电机的整体结构图；

图4本发明的控制过程流程图；

图5本发明的电流、电压转化图；

图6本发明的PID模块框图；

图7本发明的三相逆变器原理图；

图8本发明的电压空间矢量扇区图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法主要包括：利用DSP的EVA和EVB两个事件管理器模块分别产生两路SVPWM信号控制智能功率模块(IPM模块)驱动两组定子，采用增量式光栅尺测量系统得到电机转子的位置信息，利用DSP的AD模块采集电机定子绕组电流大小，利用PID算法分别对两组定子实现速度和电流的双闭环控制，保证整台电机平稳、高精度旋转。

如图1所示两组定子组采用的控制方法相同，不同之处在于两组定子的位置信息不同，即定子组1比定子组2超前2kπ+π/2电角度。此处以定子组1为例说明整个控制过程。首先通过光栅尺位置测量系统得到电机的机械角度Φ，乘以中断函数的频率得到电机的旋转速度V_n ^*，将测量得到的速度V_n ^*和程序设定的速度V_n进行PID运算得到旋转坐标系交轴电流的理论值i_q ^*，将DSP的AD采集到的电机相电流i_a、i_b、i_c经过CLARK变换和PARK变换得到旋转坐标系下的交轴电流测量值i_q和直轴电流测量值i_d。将交轴电流的理论值i_q ^*和交轴电流测量值i_q，直轴电流的理论值i_d ^*和直轴电流测量值i_d，分别进行PID运算得到交轴电压U_q和直轴电压U_d。将得到的U_q和U_d经过SVPWM模块运算，得到三相逆变器即IPM模块的开关时间Ta、Tb、Tc从而控制IPM模块控制电机旋转。

如图3所示，本发明中的多定子弧形电机由四块定子组成，其中定子A和C为第一组，它们之间相差2kπ电角度，定子B和D为第二组，它们之间也相差2kπ电角度，但是第一组定子和第二组定子之间相差2kπ+π/2电角度。

如图4所示，本发明多定子弧形电机的控制方法包括以下步骤：TMS320F2812 DSP

(1)配置DSP中的各个控制寄存器，初始化DSP中各个模块。本系统初始化的主要工作有：

(1.1)系统时钟的设定：DSP工作频率设定为150MHz；

(1.2)I/O端口初始化：设定相应的GPIO/PWM端口为外设功能；

(1.3)A/D转换器设定为单次转换模式；

(1.4)事件管理器初始化：设定各通用定时器，设定CAP/QEP的工作模式；

(1.5)中断管理初始化；

(2)通过DSP的CAP/QEP模块对电机的位置测量系统进行数据采集与运算，得到电机转子的机械角度Φ和旋转速度v；

本发明在计数器1的下溢中断函数中对电机的位置进行采集，中断函数的中断周期为T，通过两次中断函数位置信息的差值就可以得出在该时间段电机转过的机械角Φ，从而得到该段时间电机运行的平均速度v。

本发明中位置测量系统采用的是增量式光栅尺，为了使电机每次旋转的角度有一个零位基准，在光栅尺上安装有零位传感器，通过DSP的捕获单元CAP3对电机旋转的零位进行捕捉，当零位到来时传感器输出一个脉冲，DSP捕捉到脉冲后将相应的位置脉冲计数器清零，设定此时为电机旋转的零位。

(3)通过DSP的A/D模块对两组定子绕组中电流进行采集和保持；

本发明中ADC模块需要转换4路信号，即定子组1逆变器两相电流i_a1，i_b1，定子组2逆变器两相电流i_a2，i_b2

由于逆变器输出的电流有正有负，而DSP的输入电压在0～3V。为了满足DSP输入电压的要求，本发明在电流转电压电路的基础上设计了电压偏置电路，使逆变器电流在-10A～10A的范围时输出电压为0.9V～2.1V。如图5所示。

(4)对采集的电流数据进行CLARKE和PARK变换得到直轴电流I_d和交轴电流I_q；

首先经过电流采样得到的两相绕组电流i_a、i_b(包括定子组1逆变器两相电流i_a1，i_b1和定子组2逆变器两相电流i_a2，i_b2)经过CLARKE变化得到静止坐标系下的交轴电流I_α和I_β：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

由i_a+i_b+i_c＝0可以得到

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}=i_a\\ i_{\mathrm{\β}}=({2i}_b+i_a)/\sqrt{3}\end{array}\right.$

其次经过PARK变换将静止坐标系下的交轴电流I_α和I_β变化为旋转坐标系下直轴电流I_d和交轴电流I_q：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

其中θ是电机的电角度，它和电机的机械角关系是θ＝2PΦ，其中P为电机的极对数。由于本发明以定子组1和动子之间的旋转角度为基准，则定子组1和动子之间的电角度即为θ，而定子组2和定子组1之间相差2kπ+π/2，则定子组2和动子之间的电角度为：

δ＝θ+2kπ

(5)将计算得到的速度大小v和给定的速度v^*，计算得到的直轴电流I_d和给定的直轴电流I_d ^*，计算得到的交轴电流I_q和给定的交轴电流I_q ^*分别进行PID计算；

本发明中PID计算采用模块化设计，如图6所示。通过调整模块的相应参数即可对定子组1和定子组2中的速度、直轴电流I_d、交轴电流I_q分别进行PID运算。

预饱和输出变量由以下公式得到：

u_presat(t)＝u_p(t)+u_i(t)+u_d(t)

比例分量为：

u_p(t)＝K_pe(t)

饱和校正后的积分分量为：

$u_i\left(t\right)=\frac{K_p}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\ζ}\right)\mathrm{d\ζ}+K_c(u\left(t\right)-u_{\mathrm{presat}}\left(t\right))$

微分分量为：

$u_d\left(t\right)=K_p{T}_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

以上式中u(t)为总输出变量，u_presat(t)为预饱和输出变量，e(t)为参考量和返回量之间的误差，K_p为比例系数，T_i为积分时间，T_d为微分时间，K_c为积分修正系数。通过修改以上参数可以用PID模块计算不同的输入变量。

为了防止在特殊情况下积分模块会把输出结果无限放大，本发明在PID模块的输出加载了饱和限幅措施，即输出结果不能超过规定的上下限值。

(6)将PID计算后得到的旋转坐标系下的交轴电流和直轴电流进行逆PARK变化，得到静止坐标系下的交轴电流I_α和I_β；

逆PARK变化公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]$

(7)将得到的交轴电压U_α和U_β经过SVGEN模块计算得到SVPWM控制方式中三相驱动电路的开关时间T_a、T_b、T_c；

电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)中的空间矢量既具有空间分布上的正弦性，同时对于在每个确定位置的空间矢量又具有时间上的正弦性。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。三相电压源型逆变器由六个功率开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成(如图7所示)，对应的控制信号分别为a，a’，b，b’，c，c’。因为逆变器的上桥臂和下桥臂开关状态互补，故可以用三个上桥臂的功率器件的开关状态来描述逆变器的工作状态，记功率器件开通状态为“1”，关断状态为“0”，则上桥臂Q1、Q3、Q5的开关状态有八种组合，可用矢量[a，b，c]表示，分别为[000]，[001]，[010]，[011]，[100]，[101]，[110]，[111]，如图8所示。

由于定子组1和定子组2初始相位不同，同一时刻的SVPWM波形也不相同，本发明中SVPWM波的产生采用模块化设计，分别利用EVA和EVB两个事件管理器产生两路不同的SVPWM波来驱动两组定子。SVGEN模块的设计主要包括以下步骤：

1)判断合成电压所在扇区

在判断合成电压所在扇区前，需要对电压U_αU_β作如下变换：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_a=U_{\mathrm{\β}}\\ U_b=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\α}}-U_{\mathrm{\β}}}{2}\\ U_c=\frac{-\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\α}}-U_{\mathrm{\β}}}{2}\end{array}\right.$

通过对Ua、Ub、Uc的极性进行判断，可以得到合成矢量所在的扇区，令：

$A=\left\{\begin{array}{cc}1& U_a>0\\ 0& U_a\≤0\end{array}\right.,B=\left\{\begin{array}{cc}1& U_b>0\\ 0& U_b\≤0\end{array}\right.,C=\left\{\begin{array}{cc}1& U_c>0\\ 0& U_c\≤0\end{array}\right.$

设N＝A+2B+4C，则扇区与N的对应关系如下表所示。

2)计算X、Y、Z

为计算6个扇区两个相邻矢量的作用时间T1、T2，定义变量X、Y、Z为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\β}}T}{U_{\mathrm{dc}}}\\ Y=\frac{(\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\β}}+{3U}_{\mathrm{\α}})T}{{2U}_{\mathrm{dc}}}\\ Y=\frac{(\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\β}}-{3U}_{\mathrm{\α}})T}{{2U}_{\mathrm{dc}}}\end{array}\right.$

上式中U_α、U_β为静止坐标系下的交轴电压，U_dc为母线电压，T为采样周期。

3)计算相邻矢量的作用时间T1、T2

对于不同的扇区，相邻电压矢量作用时间T1、T2与X、Y、Z的对应关系如下表所示。

扇区

I

II

III

IV

V

VI

T1

-Z

Z

X

-X

-Y

Y

T2

X

Y

-Y

Z

-Z

-X

对于求得的T1、T2还需要进行饱和判断，当T1+T2＞T时，应取T1＝T1×T/(T1+T2)，T2＝T2×T/(T1+T2)。

4)计算开关作用时间

根据相邻电压矢量作用时间T1、T2和逆变桥开关的切换规则，考虑到扇区的不同，开关作用时间Ton1、Ton2、Ton3可以通过以下3个值来计算：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{con}1}=\frac{(T-T1-T2)}{4}\\ T_{\mathrm{con}2}=T_{\mathrm{con}1}+\frac{T1}{2}\\ T_{\mathrm{con}3}=T_{\mathrm{con}2}+\frac{T2}{2}\end{array}\right.$

这样，在不同扇区中，开关的作用时间Ton1、Ton2、Ton3和Ta、Tb、Tc的对应关系如下表所示。

扇区

I

II

III

IV

V

VI

Ta

Tcon1

Tcon2

Tcon3

Tcon3

Tcon2

Tcon1

Tb

Tcon2

Tcon1

Tcon1

Tcon2

Tcon3

Tcon3

Tc

Tcon3

Tcon3

Tcon2

Tcon1

Tcon1

Tcon2

(8)DSP根据开关时间T_a、T_b、T_c产生相应的SVPWM信号控制智能功率模块驱动电机旋转。

总之，本发明以TMS320F2812 DSP为核心控制单元，利用DSP的EVA和EVB两个事件管理器模块分别产生两路SVPWM信号控制两组定子。特征是执行电机为多定子弧形电机，并且两路SVPWM信号的初始相位不同。控制程序主要包括电机位置测量与速度运算模块，定子绕组电流采集和保持模块，CLARKE和PARK变换模块，电流环和速度环PID计算模块，电压空间矢量计算模块。本发明可以在很大程度消除弧形电机由于边端效应造成的力矩波动，满足电机宽调速、高精度旋转。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (2)

1.一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法，其特征在于：所述多定子弧形电机由四块定子组成，其中定子A和C为第一组，它们之间相差2kπ电角度，定子B和D为第二组，它们之间也相差2kπ电角度，第一组定子和第二组定子之间相差2kπ+π/2电角度；利用DSP的两个事件管理器模块EVA和EVB分别产生两路空间矢量控制SVPWM信号控制所述两组定子，分别对两组定子实现速度和电流的双闭环控制，保证整台电机平稳、高精度旋转，实现步骤如下：

(1)配置DSP中的各个控制寄存器，初始化DSP中各个模块；

(2)通过DSP的CAP/QEP对电机的位置测量系统进行数据采集与运算，得到电机转子的机械角度Φ和旋转速度v；

(3)通过DSP的A/D模块对两组定子绕组中电流进行采集和保持；

(4)对采集的电流数据进行CLARKE和PARK变换得到直轴电流I_d和交轴电流I_q；

(5)将计算得到的速度大小v和给定的速度v^*，计算得到的直轴电流I_d和给定的直轴电流I_d ^*，计算得到的交轴电流I_q和给定的交轴电流I_q ^*分别进行PID计算；

(6)将PID计算后得到的旋转坐标系下的交轴电流和直轴电流进行逆PARK变化，得到静止坐标系下的交轴电流I_α和I_β；

（7）将给定的交轴电流I_q ^*和交轴电流I_q，直轴电流I_d和给定的直轴电流I_d ^*分别进行PID运算得到交轴电压U_q和直轴电压U_d；

(8)将得到的交轴电压U_α和U_β经过SVGEN模块，即电压空间矢量模块计算得到SVPWM控制方式中三相驱动电路的开关时间T_a、T_b、T_c；

(9)DSP根据开关时间T_a、T_b、T_c产生相应的SVPWM信号控制智能功率模块驱动电机旋转；

所述步骤(7)中SVGEN模块计算得到SVPWM控制方式中三相驱动电路的开关时间T_a、T_b、T_c步骤如下：

（7.1)判断U_α和U_β合成电压U_out所在扇区；

(7.2)计算相邻矢量的作用时间T1、T2；

(7.3)计算每个扇区开关作用时间Ta、Tb、Tc，其中Ta、Tb为每个扇区相邻矢量作用时间，Tc为零矢量作用时间。

2.根据权利要求1所述的用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法，其特征在于：所述步骤(1)具体实现如下：

(1.1)系统时钟的设定：DSP工作频率设定为150MHz；

(1.2)I/O端口初始化：设定相应的GPIO/PWM端口为外设功能；

(1.3)A/D模块设定为单次转换模式；

（1.4)事件管理器初始化：设定各通用定时器，设定CAP/QEP的工作模式；

(1.5)中断管理初始化。

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