CN103427749A - 一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机伺服控制技术领域，具体涉及一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法。这种方法采用标幺值设计方法和矢量控制系统：对永磁同步电机的的各物理量和电机参数进行标幺化处理，通过标幺值使各种容量的电机物理量进行归一化；在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，外环为位置环，其输出作为转速环的指令值；转速环的反馈量为速度传感器的采样值，其输出为电机电磁转矩的指令值；内环是d轴和q轴的两个电流调节器，根据矢量算法得到相应的脉宽调制策略，来控制逆变器发出期望的电压，驱动电机产生相应的电磁转矩，实现对电机转速和位置等的精确控制，从而实现位置控制模式、转速控制模式、转矩控制模式。

Description

一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法

技术领域

本发明属于电机伺服控制技术领域，具体涉及一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法。 

背景技术

随着电力电子学、微电子学、传感器技术、电机永磁材料和控制理论的发展，交流伺服系统的研究已经取得了举世瞩目的成就，其动静态特性已经完全可以与直流伺服系统相媲美。在交流传动领域内，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motors,PMSM）具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率密度大等众多优点，同时交流永磁伺服系统在技术上已经趋于成熟，使得交流永磁伺服系统已经成为交流伺服系统的主流。 

但是，目前常用的永磁同步电机伺服控制方法通常具有复杂的参数设置手册，根据电机参数及使用条件的不同需要对参数进行反复修改，才能达到满意的控制效果。这样无疑增加了调试过程的工作量及难度。一旦参数配置不合理，伺服控制方法将无法正常工作，甚至对控制器硬件电路产生损坏。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具备参数自适应能力的基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法，使其不必根据电机参数和使用条件进行反复修改，减小调试过程的工作量，避免伺服控制方法因为频繁调整参数配置可能带来的故障。 

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法，采用标幺值处理和矢量控制： 

⑴对永磁同步电机的的各物理量和电机参数进行标幺化处理，通过标幺值使各种容量的电机物理量进行归一化；在星型接法的交流永磁同步电机中，电压、电流的基准值U_B、I_B选取为相电压及相电流额定值的幅值，频率的基准值选取为电机的额定频率ω_B，u_B为输出电压的瞬时值，其他的标幺值如下： 

磁链的基值： ${\mathrm{\ψ}}_B=\frac{U_B}{{\mathrm{\ω}}_B},$

时间的基值： $t_B=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_B},$

电阻的基值： $R_B=\frac{U_B}{I_B},$

感抗和容抗的基值同电阻的基值， 

功率的基值：P_B＝U_B·I_B， 

转矩的基值： $T_B=\frac{P_B}{{\mathrm{\ω}}_B},$

机械惯量的基值： $J_B=\frac{T_B\·t_B}{{\mathrm{\ω}}_B};$

⑵在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，首先确定坐标系，常用的三种坐标系：静止三相坐标系（a-b-c），静止两相坐标系（α-β），同步旋转坐标系(d-q)；其中静止三相坐标系的三个坐标轴分别为a-x、b-y、c-z三相绕组的轴线，正方向为在a、b、c三相绕组中分别通入正向的直流电时所产生的磁场方向；静止两相坐标系的α轴和a轴重合，把α轴逆时针旋转90度即得到β轴；坐标系设置在转子上，相对于定子以同步频率在旋转，同步旋转坐标系中d轴相对于α轴的角度记为θ，其旋转速度为转子电角速度ω，同步旋转坐标系的d轴定向在转子永磁体产生的磁场幅值处； 

⑶在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，其中涉及的基本物理方程包括： 

①电机定子绕组为星形（Y型）连接时，定子三相绕组的电压方程为： 

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=R\·i_a+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sa}}}{\mathrm{dt}}\\ u_b=R\·i_b+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sb}}}{\mathrm{dt}}\\ u_c=R\·i_c+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sc}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

R为定子绕组的相电阻，u_a、u_b、u_c为定子三相绕组的相电压值，ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc为与定子三相绕组交联的磁链瞬时值； 

②永磁同步电机的定子电压方程为： 

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& R\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{L}_d& 0\\ 0& L_q\end{array}\right]\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\mathrm{\ω}\left[\begin{array}{cc}0& -L_q\\ L_d& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+{\mathrm{\ω\ψ}}_d\·\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right];$

③永磁同步电机产生的电磁转矩为：T_em＝p_nψ_di_q+p_n(L_d-L_q)i_di_q； 

④在转子磁场定向的同步旋转坐标系(d-q)下，当永磁体产生的磁链和直、交轴电感确定后，电机的电磁转矩取决于定子电流的空间矢量i_s＝i_d+ji_q； 

⑷在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，确定了坐标系和基本物理方程后的主要步骤是： 

①通过安装在永磁同步电机转子上的机械传感器测量磁链位置； 

②通过位置传感器采样得到磁链位置的反馈量，结合其给定值进行比例计算，输出转速信号，作为转速环的指令值； 

③通过速度传感器采样得到转速的反馈量，经过转速调节器比例积分运算，得到电机的电磁转矩，作为电机电磁转矩的指令值输出； 

④按照i_d=0的电流控制策略，结合步骤⑶中的方程，计算得到d轴和q轴电流的指令值； 

⑤通过电流传感器采样得到电流的反馈量，结合d轴和q轴电流的指令值，经过d轴和q轴的两个电流调节器，计算得到d、q轴电压的指令值； 

⑥根据矢量算法得到脉宽调制策略，控制逆变器发出期望电压，驱动电机产生电磁转矩，实现对电机转速和位置等的精确控制。 

进一步的，如上所述的一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法，设置转速限定环节：步骤⑷的②中，转速限定值小于额定转速的120%。磁链位置的的给定值为控制器位置设定值或曲线。 

基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法具有位置控制、转速控制、转矩控制等多种工作模式。可以控制永磁同步电机可以在0到额定转速之间稳定运行，调速比可以达到1:5000。转矩电流和电磁转矩的响应速度为1ms，系统的响应频率大于500Hz。转速控制稳态误差小于1rpm，转速不均匀度小于5%；位置控制模式下，定位精度小于1个码盘脉冲。 

该装置充分考虑各类永磁同步电机使用条件，采用全数字化设计理念，达到了易维护，易调试，高可靠性，易操作，易推广的目的。 

基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法通过采用标幺值设计，利用不同容量的电机物理量以及控制系统中各个调节器的参数范围在标幺值系统中大致相同的特点，使控制器具有参数自适应能力。提高了控制器的通用性，简化了调试过程，方便用户使用。 

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。 

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法，采用标幺值设计方法，对永磁同步电机的数学模型中的各物理量和电机参数进行标幺化处理，在不改变电机方程的形式的基础上，利用标幺值系统简化软件算法，提高运算精度，而且通过标幺值使各种容量的电机物理量进行了归一化。各种不同容量的电机物理量以及控制系统中各个调 节器的参数范围在标幺值系统中大致相同（误差范围在20%以内）。从而，使控制器具有参数自适应能力。这就为控制软件的通用性和模块化带来了方便。 

在星型接法的交流永磁同步电机中，电压、电流的基准值U_B、I_B选取为相电压及相电流额定值的幅值，频率的基准值选取为电机的额定频率ω_B，其他的标幺值如下： 

磁链的基值： ${\mathrm{\ψ}}_B=\frac{u_B}{{\mathrm{\ω}}_B};$ 时间的基值： $t_B=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_B};$

电阻的基值： $R_B=\frac{U_B}{I_B};$ 感抗和容抗的基值同电阻的基值； 

功率的基值：P_B＝U_B·I_B；转矩的基值： $T_B=\frac{P_B}{{\mathrm{\ω}}_B};$ 机械惯量的基值： $J_B=\frac{T_B\·t_B}{{\mathrm{\ω}}_B}.$

本发明采用了转子磁场定向矢量控制技术实现电机的多模态控制方式，在以转子磁场定向的同步旋转坐标系下，将转子永磁体产生的磁场方向定为直轴(d轴)，逆时针旋转90度定为交轴(q轴)。在这样的定向方式下，显然转子永磁体产生的磁场在交轴上的分量为零。 

在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，其中涉及的基本物理方程包括： 

①电机定子绕组为星形（Y型）连接时，定子三相绕组的电压方程为： 

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=R\·i_a+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sa}}}{\mathrm{dt}}\\ u_b=R\·i_b+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sb}}}{\mathrm{dt}}\\ u_c=R\·i_c+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sc}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

R为定子绕组的相电阻，u_a、u_b、u_c为定子三相绕组的相电压值，ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc为与定子三相绕组交联的磁链瞬时值； 

②永磁同步电机的定子电压方程为： 

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& R\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{L}_d& 0\\ 0& L_q\end{array}\right]\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\mathrm{\ω}\left[\begin{array}{cc}0& -L_q\\ L_d& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+{\mathrm{\ω\ψ}}_d\·\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right];$

③永磁同步电机产生的电磁转矩为：T_em＝p_nψ_di_q+p_n(L_d-L_q)i_di_q； 

④在转子磁场定向的同步旋转坐标系(d-q)下，当永磁体产生的磁链和直、交轴电感确定后，电机的电磁转矩取决于定子电流的空间矢量i_s＝i_d+ji_q； 

在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，确定了坐标系和基本物理方程后的主要步骤是： 

①通过安装在永磁同步电机转子上的机械传感器测量磁链位置； 

②通过位置传感器采样得到磁链位置的反馈量，结合其给定值进行比例计算，输出转速信号，作为转速环的指令值； 

③通过速度传感器采样得到转速的反馈量，经过转速调节器比例积分运算，得到电机的电磁转矩，作为电机电磁转矩的指令值输出； 

④按照i_d＝0的电流控制策略，结合步骤⑶中的方程，计算得到d轴和q轴电流的指令值； 

⑤通过电流传感器采样得到电流的反馈量，结合d轴和q轴电流的指令值， 

⑥经过d轴和q轴的两个电流调节器，计算得到d、q轴电压的指令值； 

⑦根据矢量算法得到脉宽调制策略，控制逆变器发出期望电压，驱动电机产生电磁转矩，达到对电机转速和位置等的精确控制，从而实现位置控制模式、转速控制模式、转矩控制模式。 

Claims (3)

1.一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法，其特征在于：采用标幺值处理和矢量控制：

⑴对永磁同步电机的的各物理量和电机参数进行标幺化处理，通过标幺值使各种容量的电机物理量进行归一化；在星型接法的交流永磁同步电机中，电压、电流的基准值U_B、I_B选取为相电压及相电流额定值的幅值，频率的基准值选取为电机的额定频率ω_B，u_B为输出电压的瞬时值，其他的标幺值如下：

磁链的基值： ${\mathrm{\ψ}}_B=\frac{u_B}{{\mathrm{\ω}}_B},$

时间的基值： $t_B=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_B},$

电阻的基值： $R_B=\frac{U_B}{I_B},$

感抗和容抗的基值同电阻的基值，

功率的基值：P_B＝U_B·I_B，

转矩的基值： $T_B=\frac{P_B}{{\mathrm{\ω}}_B},$

机械惯量的基值： $J_B=\frac{T_B\·t_B}{{\mathrm{\ω}}_B};$

⑵在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，首先确定坐标系，常用的三种坐标系：静止三相坐标系（a-b-c），静止两相坐标系（α-β），同步旋转坐标系(d-q)；其中静止三相坐标系的三个坐标轴分别为a-x、b-y、c-z三相绕组的轴线，正方向为在a、b、c三相绕组中分别通入正向的直流电时所产生的磁场方向；静止两相坐标系的α轴和a轴重合，把α轴逆时针旋转90度即得到β轴；坐标系设置在转子上，相对于定子以同步频率在旋转，同步旋转坐标系中d轴相对于α轴的角度记为θ，其旋转速度为转子电角速度ω，同步旋转坐标系的d轴定向在转子永磁体产生的磁场幅值处；

⑶在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，其中涉及的基本物理方程包括：

①电机定子绕组为星形（Y型）连接时，定子三相绕组的电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=R\·i_a+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sa}}}{\mathrm{dt}}\\ u_b=R\·i_b+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sb}}}{\mathrm{dt}}\\ u_c=R\·i_c+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sc}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

R为定子绕组的相电阻，u_a、u_b、u_c为定子三相绕组的相电压值，i_a、i_b、i_c为定子三相绕组的相电流值，ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc为与定子三相绕组交联的磁链瞬时值；

②永磁同步电机的定子电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& R\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{L}_d& 0\\ 0& L_q\end{array}\right]\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\mathrm{\ω}\left[\begin{array}{cc}0& -L_q\\ L_d& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+{\mathrm{\ω\ψ}}_d\·\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right];$

③永磁同步电机产生的电磁转矩为：T_em＝p_nψ_di_q+p_n(L_d-L_q)i_di_q；

④在转子磁场定向的同步旋转坐标系(d-q)下，当永磁体产生的磁链和直、交轴电感确定后，电机的电磁转矩取决于定子电流的空间矢量i_s＝i_d+ji_q；

⑷在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，确定了坐标系和基本物理方程后的主要步骤是：

①通过安装在永磁同步电机转子上的机械传感器测量磁链位置；

②通过位置传感器采样得到磁链位置的反馈量，结合其给定值进行比例计算，输出转速信号，作为转速环的指令值；

③通过速度传感器采样得到转速的反馈量，经过转速调节器比例积分运算，得到电机的电磁转矩，作为电机电磁转矩的指令值输出；

④按照i_d=0的电流控制策略，结合步骤⑶中的方程，计算得到d轴和q轴电流的指令值；

⑤通过电流传感器采样得到电流的反馈量，结合d轴和q轴电流的指令值，经过d轴和q轴的两个电流调节器，计算得到d、q轴电压的指令值；

⑥根据矢量算法得到脉宽调制策略，控制逆变器发出期望电压，驱动电机产生电磁转矩，实现对电机转速和位置等的精确控制。

2.如权利要求1所述的一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法，其特征在于：步骤⑷的②中，设置转速限定环节：转速限定值小于额定转速的120%。

3.如权利要求1所述的一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法，其特征在于：步骤⑷的②中，磁链位置的的给定值为控制器位置设定值或曲线。