CN103997268A - 一种用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法，在机器人启动之前，向机器人的驱动电机施加两次电压脉冲，根据电流传感器检测到的电流变化率求出响应的电感值，随后根据电机位置角与电感值的函数关系，并结合电机转子磁极的判断方法，得出机器人在启动之前的驱动电机转子位置角。机器人运行之后，电机驱动采用SVPWM控制技术，其每一次PWM周期中都有三种不同的电压矢量，其中每一种电压矢量，对应着不同的相电流变化值，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值，并结合电压值获取反电动势，最后实时获取机器人驱动电机的动子位置，本发明可以准确、有效的获取机器人驱动电机的位置信息。

Description

一种用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法，采用基于SVPWM控制技术的反电势法，可以准确、有效的获取机器人驱动电机的位置信息。

背景技术

目前，在各种结构的机器人系统中，由于采用永磁同步电机(PMSM)的方案效率较高，因此这种方案具有着重要的地位。特别是在电力机器人和小型机器人中，PMSM由于这些优点而得到了更多的应用。但是，一般情况下，机器人的驱动电机采用机械式位置传感器来检测电机的转速和动子位置，如光电编码器和旋转变压器。然而，机械式传感器的存在带来了很多弊端：1)电机与控制器之间的连接元件增多，坑干扰能力变差，降低了系统可靠性；2)加大了电机空间尺寸和体积，减少了功率密度，增加了系统的硬件成本和维护成本；3)在高温与强腐蚀环境中，将使传感器性能变差、甚至失效，导致电机驱动系统无法正常工作。

而能否对转子初始位置进行准确估计是永磁同步发电机高性能控制策略(矢量控制或直接转矩)和无位置传感器运行实现的前提条件，也是关系到机器人是否顺利起动，以及能否实现最大转矩起动的关键问题；因此，转子初始位置检测一直是工程技术界研究的热点和难点问题之一，尤其在电力机器人中，因为机器人所进行的操作为基本为高压操作，检测的线路非常危险，如果转子初始位置检测不准确，会造成电力机器人的反响转动，结果有可能因为误操作破坏整个电力线路和机器人，严重的甚至会造成高压短路。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法，采用基于SVPWM控制技术的反电势法，可以准确、有效的获取机器人驱动电机的位置信息，无需机器式传感器，同时克服了传统反电动势法无法在电机静止时无法获取转子位置的信息；通过向机器人的驱动电机施加两次电压脉冲，并结合磁极判断的方法，最终得出机器人在启动之前的驱动电机转子位置角，可以提高电力机器人的稳定性、精确度和动态响应能力。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法，采用基于SVPWM控制技术的反电势法获取机器人驱动电机的位置信息，可以准确、有效的获取机器人驱动电机的位置信息，具体包括如下步骤：

(1)在机器人启动前，向电机施加两次电压脉冲，两次电压脉冲的作用时间分别为T₁和T₂，在此阶段要求机器人不能因电压脉冲的注入而产生晃动，因此要求T₁，T₂都小于电机时间常数；利用电流传感器检测T₁和T₂时刻电机在X-Y轴坐标系下所对应的电流变化率△i_x1/T₁、△i_y1/T₁、△i_x1/T₂和△i_y1/T₂，随后根据这四个变化率和已知的电压矢量，通过计算得到与转子位置构成函数关系的电感值，最后根据电感值，初步推导出初始位置角；

(2)初步推导出的初始位置角没有判断转子磁极的极性，因此在此基础上，向电机施加等宽电压脉冲，结合电机铁心的饱和效应，利用磁场饱和引起的响应电流幅值的变化来估计出转子的磁极极性，同时结合初步推导出的初始位置角，判断出转子初始位置角，最终得到机器人启动前的转子位置角；

(3)机器人运行后，采用基于SVPWM(空间矢量脉宽调制技术)的反电动势法对转子位置信息进行实时检测，每一次PWM周期中都有三种V_m、V_n和V_l不同的电压矢量，其中每一种电压矢量对应一种相电流变化值，V_m、V_n和V_l分别对应着相电流变化值△i_m、△i_n和△i_l，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值率，获取反电动势，最后求出机器人驱动电机的位置角。

有益效果：本发明提供的用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法，相较于现有技术，具有如下优势：1、能够非常准确的检测电力机器人驱动电机的转子初始位置，可以实现机器人的顺利起动，并且可以实现最大转矩起动；2、克服了机械式传感器所带来的弊端，如：1)电机与控制器之间的连接元件增多，坑干扰能力变差，降低了系统可靠性；2)加大了电机空间尺寸和体积，减少了功率密度，增加了系统的硬件成本和维护成本；3)在高温与强腐蚀环境中，将使传感器性能变差、甚至失效，导致电机驱动系统无法正常工作；3、基于SVPWM调制控制，无需其他的额外硬件，且无需额外复杂的控制算法，使得成本很低，非常适合于工业应用中。

附图说明

图1为电力机器人驱动电机控制系统框图；

图2为电机模型和X-Y轴坐标系；

图3为电流传感器检测原理图；

图4为SVPWM控制策略相电流与电压矢量对应图；

图5为空间电压矢量分布；

图6为三相逆变器结构图；

图7为定子磁链和永磁体磁链方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法，在机器人启动前，向电机施加两次电压脉冲，两次电压脉冲的作用时间分别为T₁和T₂，在此阶段要求机器人不能因电压脉冲的注入而产生晃动，因此要求T₁，T₂都小于电机时间常数；利用电流传感器检测T₁和T₂时刻电机在X-Y轴坐标系下所对应的电流变化率△i_x1/T₁、△i_y1/T₁、△i_x1/T₂和△i_y1/T₂，随后根据这四个变化率和已知的电压矢量L₁₁、L₁₂、L₂₁和L₂₂，通过计算得到与转子位置构成函数关系的电感值，最后根据电感值，初步推导出初始位置角。

机器人驱动电机的数学模型如图3所示，在X-Y轴坐标系下的电压方程为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_o+L_1\cos 2\mathrm{\θ}& L_1\sin 2\mathrm{\θ}\\ L_1\sin 2\mathrm{\θ}& L_o-L_1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]p\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]\\ +w2(L_d-L_q)\left[\begin{array}{cc}-\sin 2\mathrm{\θ}& \cos 2\mathrm{\θ}\\ \cos 2\mathrm{\θ}& \sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]+w{\mathrm{\λ}}_m\left[\begin{array}{c}-\sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\end{array}---\left(1\right)$

其中，L_d，L_q分别表示d轴和q轴电感，w为电机速度，λ_m为反电动势系数，θ为转子位置角，V_x,V_y,i_x,i_y分别为电机在X-Y坐标系下的电压和电流值，L_o＝(L_d+L_q)/2，L₁＝(L_d-L_q)/2，当机器人处于静止状态时，w＝0，公式(1)可以写成简化为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_o+L_1\cos 2\mathrm{\θ}& L_1\sin 2\mathrm{\θ}\\ L_1\sin 2\mathrm{\θ}& L_o-L_1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]p\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}& L_{12}\\ L_{21}& L_{22}\end{array}\right]p\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]\end{array}---\left(2\right)$

由式(2)看出，转子位置角θ与电感信息L₁₁、L₁₂、L₂₁和L₂₂构成函数关系，由于电感信息未知，电压方程可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}& L_{12}\\ L_{21}& L_{22}\end{array}\right]p\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]---\left(3\right)$

如图5所示，V₁～V₆为6个线性无关的非零向量，其中像机器人驱动电机施加任意两个不同的非零电压矢量，其作用时间分别为T₁和T₂，且要求T₁，T₂都小于电机时间常数以保证机器人不发生晃动，因此根据两次不同的非零电压矢量和对应的电流变化率，结合式(2)、(3)可以得到：

$\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}& L_{12}\\ L_{21}& L_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{v}_{x1}& v_{x2}\\ v_{y1}& v_{y2}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\Δi}}_{x1}}{T_1}& \frac{{\mathrm{\Δi}}_{x2}}{T_2}\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_{y1}}{T_1}& \frac{{\mathrm{\Δi}}_{y2}}{T_2}\end{array}\right]}^{-1}---\left(4\right)$

T₁、T₂分别为在非零电压矢量v_x、v_y的持续时间，△i_x1、△i_x2和△i_y1、△i_y2分别为在T₁、T₂时间内X-Y轴下的电流变化量。

因此根据式(4)所求电感值，初步求出转子的位置角，即：

$\tan 2\mathrm{\θ}=\frac{L_{12}+L_{21}}{L_{11}-L_{22}}---\left(5\right)$

本文加入N/S极性判定步骤，对2个区间进行区分。此步骤是利用铁心的饱和效应来完成，逆变器工作(如图6所示)原理如下：设定S＝0表示下桥臂导通，S＝1表示上桥臂导通，如S(abc)＝100表示a相上桥臂导通(T₁导通)，b和c相下桥臂导通(T₄、T₆导通)。

但式(5)无法判断转子磁极的极性，因此在初步辨识出转子位置角的基础上，向电机施加等宽电压脉冲，结合电机铁心的饱和效应，利用磁场饱和引起的响应电流幅值的变化来估计出转子的磁极极性，由图7(a)可以看出，当转子N极位于0°～60°时，向逆变器施加S(101)的脉冲信号，则绕组的合成磁势与转子磁势同向，磁场增强，磁路更加饱和，由于铁心磁化曲线的非线性特性，使磁导率减小，B相电感值减小，则电流响应速度加快。当向逆变器施加S(010)的脉冲信号时，如图7(b)所示，若转子N极仍位于0°～60°，则定、转子磁势反向削弱，b相绕组自感增大，电流响应的速度减慢。因此，当施加S(101)和S(010)的PWM脉冲宽度相同时，电流响应的峰值反之当转子N极位于180°～240°时，电压响应的峰值为具体等宽电压脉冲方法分配如图5所示，电流检测规则如下表所示：

表1电流检测规则

最后结合式(5)中初步判断的驱动电机转子位置角，最终得到机器人启动之前的驱动电机位置角。

机器人运行之后，采用SVPWM对其驱动电机进行控制。在SVPWM调制技术中，在一个PWM周期，每一次的PWM调制周期包括2个非零电压矢量和2个零电压矢量，标记下标l,m,n表示三次时间间隔中的电压和电流变化，在图4中，V_m＝V₆，V_n＝V₄和两个零电压矢量V_l1＝V₇，V_l2＝V₀，因为V₇和V₀为产生相同电流变化率的零电压矢量，因此这里把V₇和V₀看成一个电压矢量，图4中在电压矢量V₆的作用下，持续时间为△t_m，则电流变化量为△i_m，在电压矢量V₄的作用下，持续时间为△t_n，则电流变化量为△i_n，在零电压矢量V₇,V₀的作用下，持续时间为△t_l1+△t_l2，则电流变化量为△i_l1+△i_l2，如果这些电流变化量△i_m，△i_n和△i_l1+△i_l2可以被准确测量，则在电压矢量已知的情况下，通过电机数学模型便可求出与动子位置构成函数关系的电机电感值和反电动势值。具体的算法如下：

在永磁直线电机中，其d轴与永磁直线电机的动子永磁体的N极重合，且其q轴超前d轴90°。忽略定子电阻r_s，在X-Y坐标系下的电压方程为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_o+L_1\cos 2\mathrm{\θ}& L_1\sin 2\mathrm{\θ}\\ L_1\sin 2\mathrm{\θ}& L_o-L_1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]p\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]\\ +v2(L_d-L_q)\left[\begin{array}{cc}-\sin 2\mathrm{\θ}& \cos 2\mathrm{\θ}\\ \cos 2\mathrm{\θ}& \sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]+\\ v{\mathrm{\λ}}_m\left[\begin{array}{c}-\sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\end{array}---\left(6\right)$

其中L_d，L_q分别表示d轴和q轴电感，v为电机速度，λ_m为反电动势系数，V_x,V_y,i_x,i_y分别为电机在X-Y坐标系下的电压和电流值，L_o＝(L_d+L_q)/2，L₁＝(L_d-L_q)/2。从结构上，我们把电机分为两种，即隐极式永磁同步电机或内置式永磁同步电机，其实隐极式永磁直线电机其L_d＝L_q，对于内置式永磁直线电机其L_d≈L_q，因此不管是哪种类型的永磁同步电机，式(6)右半部分的第二项可以忽略，即式(6)可以写成：

$\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}& L_{12}\\ L_{21}& L_{22}\end{array}\right]p\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中，e_x(k)和e_y(k)为X-Y坐标系下的反电动势，在离散的形式下，上式可以转换成带有时间常数k的形式，即：

$\left[\begin{array}{c}{V}_x\left(k\right)\\ V_y\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}\left(k\right)& L_{12}\left(k\right)\\ L_{21}\left(k\right)& L_{22}\left(k\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δi}}_x/T_s\\ {\mathrm{\Δi}}_y/T_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_x\left(k\right)\\ e_y\left(k\right)\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中，T_s为采样周期。

其电感值L和反电动势值e，在一次PWM采样周期T_s内，为一恒定常数，由上述原理可知在一个SVPWM调制周期中，电压和电流都有三次变化，通过这三次变化，电感和反电动势值可以写成：

$\left[\begin{array}{c}{L}_{11}\left(k\right)\\ L_{12}\left(k\right)\\ e_x\left(k\right)\end{array}\right]=M^{-1}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{xl}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{xm}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{xn}}\left(k\right)\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{c}{L}_{21}\left(k\right)\\ L_{22}\left(k\right)\\ e_y\left(k\right)\end{array}\right]=M^{-1}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{yl}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{ym}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{yn}}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中M为电流变化矩阵，即：

$M=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{xl}}\left(k\right)}{{\mathrm{\Δt}}_l\left(k\right)}& \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{yl}}\left(k\right)}{{\mathrm{\Δt}}_l\left(k\right)}& 1\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{xm}}\left(k\right)}{{\mathrm{\Δt}}_m\left(k\right)}& \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{ym}}\left(k\right)}{{\mathrm{\Δt}}_m\left(k\right)}& 1\\ \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{xn}}\left(k\right)}{{\mathrm{\Δt}}_n\left(k\right)}& \frac{{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{yn}}\left(k\right)}{{\mathrm{\Δt}}_n\left(k\right)}& 1\end{array}\right]$

通过电流传感器，分别检测M中的各项电流参数，结合已知的电压矢量V_xl，V_xm，V_xn。通过公式(9)求出e_x和e_y，根据公式(6)和(7)，可以看出e_x＝-wλ_msinθ，e_y＝-wλ_mcosθ，因此可以看出位置θ与e_x和e_y构成函数关系，即：

$\tan (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{2})=\frac{e_y\left(k\right)}{e_x\left(k\right)}---\left(10\right)$

因此，根据公式(10)就可以求出机器人驱动电机转子位置θ。

补充：一相电流采样信号调理电路如图3，LSTR15-NP第10引脚是基准电压输入，默认值为2.5V，第9引脚是电压信号输出端。运放LM358对电压信号具有跟随和驱动的作用，与输出端并联的稳压管保证了输出电压不会超出板卡接收的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于变电站巡视机器人的无位置传感控制方法，其特征在于：采用基于SVPWM控制技术的反电势法获取机器人驱动电机的位置信息，具体包括如下步骤：

(1)在机器人启动前，向电机施加两次电压脉冲，两次电压脉冲的作用时间分别为T₁和T₂，要求T₁，T₂都小于电机时间常数；利用电流传感器检测T₁和T₂时刻电机在X-Y轴坐标系下所对应的电流变化率△i_x1/T₁、△i_y1/T₁、△i_x1/T₂和△i_y1/T₂，随后根据这四个变化率和已知的电压矢量，通过计算得到与转子位置构成函数关系的电感值，最后根据电感值，初步推导出初始位置角；

(2)向电机施加等宽电压脉冲，结合电机铁心的饱和效应，利用磁场饱和引起的响应电流幅值的变化来估计出转子的磁极极性，同时结合初步推导出的初始位置角，判断出转子初始位置角，最终得到机器人启动前的转子位置角；

(3)机器人运行后，采用基于SVPWM的反电动势法对转子位置信息进行实时检测，每一次PWM周期中都有三种V_m、V_n和V_l不同的电压矢量，其中每一种电压矢量对应一种相电流变化值，V_m、V_n和V_l分别对应着相电流变化值△i_m、△i_n和△i_l，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值率，获取反电动势，最后求出机器人驱动电机的位置角。