CN105490608B - 一种永磁电梯门机控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种永磁电梯门机控制器及其控制方法。该永磁电梯门机控制器包括与电机相连的编码器，还包括电机驱动单元SVPWM、电流检测单元、CPU控制单元，所述CPU控制单元包括高频注入转换单元、编码器检测单元、滑模观测器单元；所述高频注入转换单元分别与所述电机驱动单元SVPWM、电流检测单元、编码器检测单元和滑模观测器单元相连，所述编码器检测单元与所述编码器相连。本发明具有降低电机温度，提高电机角度自适应能力的作用。

Description

一种永磁电梯门机控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电梯门机控制器，特别是公开一种永磁电梯门机控制器及其控制方法。

背景技术

当今电梯门门机的舒适性与安全性越来越重要，其中电机的力矩动要求非常小，所以门机一般采用表贴式永磁同步电机，且这种电机的凸极率不是很高。

永磁门机在使用前，需要对电机进行磁极学习，通常是通过人工干预进行学习，这种学习需要脱开负载，否则会影响学习精度，因此调试不方便；如果直接使用门机，可以通过高频注入进行辨识初始位置，但需要电机具有明显的凸极特性或饱和特性，否则无法辨识角度；另一方面，永磁门机因要求其力矩平稳、安全可靠，凸极特性非常小，而电机自身的饱和特性也不明显。如果设计出可以进行辨识凸极特性非常小且饱和特性不明显的电机初始角度辨识方法，成为当今门机电机的重点研究课题。

另外电机磁极角度如果学习初始角度偏差较大，使电机发热，如果过热门机控制器会进行温度保护，进而进入故障状态。如何提高电机角度辨识精度或在线补偿角度的偏差，进而提高电机效率降低电机发热也成为门机电机的重点课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的饱和特性的表贴永磁同步电机无法通过脉振电压识别N/S极且静止学习磁极的问题，提供一种基于大幅度高频脉振电压注入识别表贴电机的初始位置，并能过编码器的微动距离来辨识N/S极，通过运行中的滑模观测器单元来辨识电机旋转角度，以补偿角度偏差值的永磁电梯门机控制器及其控制方法。

本发明是这样实现的：一种永磁电梯门机控制器，包括与电机相连的编码器，其特征在于：还包括电机驱动单元SVPWM、电流检测单元、CPU控制单元，所述CPU控制单元包括高频注入转换单元、编码器检测单元、滑模观测器单元；

所述高频注入转换单元分别与所述电机驱动单元SVPWM、电流检测单元、编码器检测单元和滑模观测器单元相连，所述编码器检测单元与所述编码器相连；所述高频注入转换单元通过所述电机驱动单元SVPWM向所述电机注入高频脉振电压信号并提取电机转子的电机辨识角度 ；通过所述编码器检测单元检测来自编码器的电机微动距离信息，获得电机转子的旋转方向、并结合所述电机辨识角度获得电机实际旋转角度；通过所述滑模观测器单元修正电机实际旋转角度获得电机修正角度。

所述高频注入转换单元包括Clark变换单元、Park变换单元、IPark变换单元、PLL锁相环、高频注入模块；所述Clark变换单元分别与所述电流检测单元、Park变换单元、滑模观测器单元相连，所述Park变换单元还分别与所述IPark变换单元、PLL锁相环、编码器检测单元相连，所述高频注入模块、IPark变换单元、电机驱动单元SVPWM依次相连；所述IPark变换单元还分别与所述滑模观测器单元、编码器检测单元相连，所述滑模观测器单元与所述PLL锁相环相连。

所述高频注入模块将高频脉振电压信号发送给所述IPark变换单元，所述IPark变换单元将高频脉振电压信号经IPark变换后，通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；所述Clark变换单元、Park变换单元将来自电流检测单元的高频反馈电流信号转换后经PLL锁相环获得电机转子旋转角度，所述电机转子旋转角度包括初始电机辨识角度 _初、电机辨识角度、电机实际旋转角度、电机修正角度。

一种永磁电梯门机控制器的控制方法，包括如下步骤：

1）在电机处于静止时，所述CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入高频脉振电压信号，并预设电机旋转角度 _预为注入角度，通过电机驱动单元SVPWM将高频脉振电压信号注入到电机上产生高频反馈电流；所述电流检测单元检测来自电机的高频反馈电流，高频反馈电流经过高频注入转换单元的Clark变换、Park变换后，通过PLL锁相环获取电机转子的电机辨识角度；

2）所述CPU控制单元在d轴上注入与所述电机辨识角度相差90度的幅值固定的电压信号正负向量，通过所述编码器检测单元检测来自编码器的电机微动距离信息来识别电机的N/S极，获得电机实际旋转角度；

3）在电机运行时，所述滑模观测器单元设定电流估计值，所述电流检测单元检测来自电机的反馈电流，经过Clark变换得到静止坐标上的定子实际流量，所述滑模观测器单元将所述静止坐标上的定子实际流量与设定的电流估计值进行比较，并对比较所得的误差进行实时修正，得到反电动势，将得到的反电动势送入所述PLL锁相环中，经PLL锁相环得到电机修正角度；

4）将电机修正角度代替电机实际旋转角度，以校正电机辨识角度的偏差。

所述步骤1）具体包括如下步骤：

1.1）在电机处于静止时，CPU控制单元生成 _dsi=V_icosω_it；并预设电机旋转角度 _预，

其中， _dsi为高频脉振电压信号的电压值，

V_i为高频脉振电压信号的幅值，

ω_i为高频脉振电压信号的角频率，ω_i=2f_hi，f_hi是高频脉振电压信号的频率，

t为时间；

1.2）CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述高频脉振电压信号 _dsi，注入角度为电机旋转角度 _预，q轴上不注入；通过IPark变换单元将高频脉振电压信号经IPark变换、并通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；所述功率信号在电机上产生高频反馈电流；电流检测单元检测来自电机的高频反馈电流信号ia、ib、ic，依次经过高频注入转换单元的Clark变换和Park变换得到两相旋转估计坐标系上的电机定子分量电流id、iq，所述CPU控制单元将电机定子分量电流iq乘以sinω_it后，经过高频注入转换单元的PLL锁相环，得到初始电机辨识角度 _初；

1.3）重复步骤1.2），其中，每重复一次，将重复一次得到的初始电机辨识角度 _初作为下一次CPU控制单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述 _dsi时的注入角度；当高频注入转换单元的PLL锁相环稳定时，得到数值稳定的电机辨识角度。

步骤1.1）和1.2）中所述CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述高频脉振电压信号 _dsi，注入的高频脉振电压信号的频率f_hi为100~200Hz，注入的高频脉振电压信号的幅值V_i占总幅度的50%~80%。

所述步骤2）具体包括如下内容：

2.1）在步骤1）完成时，CPU控制单元在d轴的电机辨识角度+π角度上，施加幅值固定的电压信号向量dsi=V₁；

2.2）CPU控制单元通过IPark变换单元将电压信号向量dsi=V₁经IPark变换、并通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；

2.3）CPU控制单元通过编码器检测单元得到电机的位置与方向信号，如果检测到电机正向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度 ，如果电机反向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度+π；

2.4）施加dsi= -V₁负电压向量，重复步骤2.1）、2.2）、2.3），如果检测到电机正向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度+π，如果电机反向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度；

2.5）如果步骤2.3）、2.4）得到角度一致，即可确定电机实际旋转角度值，否则重复以上步骤2.1）~2.4）。

所述步骤3具体包括如下内容：

3.1）在电机正常运行时，CPU控制单元采集电机定子分量电流id、iq、IPark单元以及电机驱动单元SVPWM的电压值与电流值；

3.2）CPU控制单元将步骤3.1）得到的电压值与电流值送入滑模观测器单元，得到电流估计值，并将电流估计值与静止坐标上的定子实际流量值相比较，将差值送入饱和函数进行实时修正，得到反电动势；

3.3）将所得的反电动势送入PLL锁相环，经过锁相环得到电机角度。

本发明的有益效果是：通过所述CPU控制单元，使用脉振高频电压信号的注入来辨识电机转子的电机辨识角度；在d轴上施加与电机辨识角度相差90度的正负电压向量，通过编码器的微动来识别电机的N/S极；当门电机正常运行时，通过滑模观测器单元来辨识角度，进而补偿前边学习的电机实际旋转角度的偏差，得到电机修正角度，从而降低电机温度，提高电机的角度自适应能力。

附图说明

图1是本发明结构方框示意图。

图2是本发明电机转子的电机辨识角度获得原理示意图。

图3是本发明滑模观测器单元获得电机修正角度的原理示意图。

图4是滑模观测器单元将估算所得的反电动势送入PLL锁相环中的原理示意图。

具体实施方式

根据图1，本发明一种永磁电梯门机控制器，包括与电机相连的编码器，还包括电机驱动单元SVPWM、电流检测单元、CPU控制单元，所述CPU控制单元包括高频注入转换单元、编码器检测单元、滑模观测器单元。

所述高频注入转换单元分别与所述电机驱动单元SVPWM、电流检测单元、编码器检测单元和滑模观测器单元相连，所述编码器检测单元与所述编码器相连；所述高频注入转换单元通过所述电机驱动单元SVPWM向所述电机注入高频脉振电压信号并提取电机转子的电机辨识角度；通过所述编码器检测单元检测来自编码器的电机微动距离信息，获得电机转子的旋转方向、并结合所述电机辨识角度获得电机实际旋转角度；通过所述滑模观测器单元修正电机实际旋转角度获得电机修正角度。

所述高频注入转换单元包括Clark变换单元、Park变换单元、IPark变换单元、PLL锁相环、高频注入模块；所述Clark变换单元分别与所述电流检测单元、Park变换单元、滑模观测器单元相连，所述Park变换单元还分别与所述IPark变换单元、PLL锁相环、编码器检测单元相连，所述高频注入模块、IPark变换单元、电机驱动单元SVPWM依次相连；所述IPark变换单元还分别与所述滑模观测器单元、编码器检测单元相连，所述滑模观测器单元与所述PLL锁相环相连。

所述高频注入模块将高频脉振电压信号发送给所述IPark变换单元，所述IPark变换单元将高频脉振电压信号经IPark变换后，通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；所述Clark变换单元、Park变换单元将来自电流检测单元的高频反馈电流信号转换后经PLL锁相环获得电机转子旋转角度，所述电机转子旋转角度包括初始电机辨识角度 _初、电机辨识角度、电机实际旋转角度、电机修正角度。

根据图2~图4，结合图1，一种永磁电梯门机控制器的控制方法，包括如下步骤：

1）在电机处于静止时，所述CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入高频脉振电压信号，并预设电机旋转角度 _预为注入角度，通过电机驱动单元SVPWM将高频脉振电压信号注入到电机上产生高频反馈电流；所述电流检测单元检测来自电机的高频反馈电流，高频反馈电流经过高频注入转换单元的Clark变换、Park变换后，通过PLL锁相环获取电机转子的电机辨识角度。

所述步骤1）具体包括如下内容：

1.1）在电机处于静止时，CPU控制单元生成 _dsi=V_icosω_it；并预设电机旋转角度 _预，

其中， _dsi为高频脉振电压信号的电压值，

V_i为高频脉振电压信号的幅值，

ω_i为高频脉振电压信号的角频率，ω_i=2f_hi，f_hi是高频脉振电压信号的频率，

t为时间；

1.2）CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述高频脉振电压信号 _dsi，注入角度为电机旋转角度 _预，q轴上不注入；通过IPark变换单元将高频脉振电压信号经IPark变换、并通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；所述功率信号在电机上产生高频反馈电流；电流检测单元检测来自电机的高频反馈电流信号ia、ib、ic，依次经过高频注入转换单元的Clark变换和Park变换得到两相旋转估计坐标系上的电机定子分量电流id、iq。

所述CPU控制单元将电机定子分量电流iq乘以sinω_it后，经过高频注入转换单元的PLL锁相环，得到初始电机辨识角度 _初；

1.3）重复步骤1.2），其中，每重复一次，将重复一次得到的初始电机辨识角度 _初作为下一次CPU控制单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述 _dsi时的注入角度；当高频注入转换单元的PLL锁相环稳定时，得到数值稳定的电机辨识角度。

步骤1.1）和1.2）中所述CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述高频脉振电压信号 _dsi，注入的高频脉振电压信号的频率f_hi为100~200Hz，注入的高频脉振电压信号的幅值V_i占总幅度的50%~80%。

2）所述CPU控制单元在d轴上注入与所述电机辨识角度相差90度的幅值固定的电压信号正负向量 _dsi=V₁，通过所述编码器检测单元检测来自编码器的电机微动距离信息来识别电机的N/S极，获得电机实际旋转角度。

所述步骤2）具体包括如下内容：

2.1）在步骤1）完成时，CPU控制单元在d轴的电机辨识角度+π角度上，施加幅值固定的电压信号向量dsi=V₁；

2.2）CPU控制单元通过IPark变换单元将电压信号向量dsi=V₁经IPark变换、并通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；

2.3）CPU控制单元通过编码器检测单元得到电机的位置与方向信号，如果检测到电机正向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度 ，如果电机反向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度+π；

2.4）施加dsi= -V₁负电压向量，重复步骤2.1）、2.2）、2.3），如果检测到电机正向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度+π，如果电机反向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度；

2.5）如果步骤2.3）、2.4）得到角度一致，即可确定电机实际旋转角度值，否则重复以上步骤2.1）~2.4）。

3）在电机运行时，所述滑模观测器单元设定电流估计值，所述电流检测单元检测来自电机的反馈电流，经过Clark变换得到静止坐标上的定子实际流量，所述滑模观测器单元将所述静止坐标上的定子实际流量与设定的电流估计值进行比较，并对比较所得的误差进行实时修正，得到反电动势，将得到的反电动势送入所述PLL锁相环中，经PLL锁相环得到电机修正角度。

所述步骤3）具体包括如下内容：

3.1）在电机正常运行时，CPU控制单元采集电机定子分量电流id、iq、IPark变换单元以及电机驱动单元SVPWM的电压值与电流值；

3.2）CPU控制单元将步骤3.1）得到的电压值与电流值送入滑模观测器单元，得到电流估计值，并将电流估计值与静止坐标上的定子实际流量值相比较，将差值送入饱和函数进行实时修正，得到反电动势。

3.3）将所得的反电动势送入PLL锁相环，经过锁相环得到电机角度。

4）将电机修正角度代替电机实际旋转角度，以校正电机辨识角度的偏差。

本发明应用的脉振高频注入方法的高频反馈电流为：

其中：Z_dh、Z_ah分别为d轴、q轴的高频阻抗，Zavg=（Z_dh+Z_ah）2，Z_diff = Z_dh-Z_ah。

利用Z_diff在不同电机辨识角度时值的差异而产生差异，当电机辨识角度与实际电机角度相同时Z_diff接近0，也接近0，从而辨识初始电机辨识角度 _初。但在N/S极辨识未使用差异来识别，因所使用的门电机在辨识N/S极时Z_diff差异非常小，无法可靠辨识。实际通过在d轴上注入与上述电机辨识角度相差90度的幅值固定的电压信号正负向量dsi=V₁，并通过检测来自编码器的电机微动距离信息来识别电机的N/S极，获得电机实际旋转角度。

在实际运行时，电机的电压及电流方程如下：

其中：为微分算子；、为反电动势；、为电流估计值。

利用上述公式及滑模算法可以得到电流估计值与定子实际流量值的差值，将得到的差值送入PLL锁相环便可以得到运行的估计角度。

滑模观测器计算时，是在上述脉振高频注入与编码器微动技术中得到且电机运行之后，此时实际的角度与偏差在允许范围内，从而滑模观测器是稳定的，可以很快获得估计角度，从而修正电机角度。

Claims (8)

1.一种永磁电梯门机控制器，包括与电机相连的编码器，其特征在于：还包括电机驱动单元SVPWM、电流检测单元、CPU控制单元，所述CPU控制单元包括高频注入转换单元、编码器检测单元、滑模观测器单元；

所述高频注入转换单元分别与所述电机驱动单元SVPWM、电流检测单元、编码器检测单元和滑模观测器单元相连，所述编码器检测单元与所述编码器相连；所述高频注入转换单元通过所述电机驱动单元SVPWM向所述电机注入高频脉振电压信号并提取电机转子的电机辨识角度 ；通过所述编码器检测单元检测来自编码器的电机微动距离信息，获得电机转子的旋转方向、并结合所述电机辨识角度获得电机实际旋转角度；通过所述滑模观测器单元修正电机实际旋转角度获得电机修正角度。

2.根据权利要求 1 所述的一种永磁电梯门机控制器，其特征在于：所述高频注入转换单元包括Clark变换单元、Park变换单元、IPark变换单元、PLL锁相环、高频注入模块；所述Clark变换单元分别与所述电流检测单元、Park变换单元、滑模观测器单元相连，所述Park变换单元还分别与所述IPark变换单元、PLL锁相环、编码器检测单元相连，所述高频注入模块、IPark变换单元、电机驱动单元SVPWM依次相连；所述IPark变换单元还分别与所述滑模观测器单元、编码器检测单元相连，所述滑模观测器单元与所述PLL锁相环相连。

3.根据权利要求2所述的一种永磁电梯门机控制器，其特征在于：所述高频注入模块将高频脉振电压信号发送给所述IPark变换单元，所述IPark变换单元将高频脉振电压信号经IPark变换后，通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；所述Clark变换单元、Park变换单元将来自电流检测单元的高频反馈电流信号转换后经PLL锁相环获得电机转子旋转角度，所述电机转子旋转角度包括初始电机辨识角度 _初、电机辨识角度、电机实际旋转角度、电机修正角度。

4.根据权利要求 1 所述的一种永磁电梯门机控制器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：1）在电机处于静止时，所述CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入高频脉振电压信号，并预设电机旋转角度 _预为注入角度，通过电机驱动单元SVPWM将高频脉振电压信号注入到电机上产生高频反馈电流；所述电流检测单元检测来自电机的高频反馈电流，高频反馈电流经过高频注入转换单元的Clark变换、Park变换后，通过PLL锁相环获取电机转子的电机辨识角度；

2）所述CPU控制单元在d轴上注入与所述电机辨识角度相差90度的固定幅度的电压信号正负向量，通过所述编码器检测单元检测来自编码器的电机微动距离信息来识别电机的N/S极，获得电机实际旋转角度；

3）在电机运行时，所述滑模观测器单元设定电流估计值，所述电流检测单元检测来自电机的反馈电流，经过Clark变换得到静止坐标上的定子实际流量，所述滑模观测器单元将所述静止坐标上的定子实际流量与设定的电流估计值进行比较，并对比较所得的误差进行实时修正，得到反电动势，将得到的反电动势送入所述PLL锁相环中，经PLL锁相环得到电机修正角度；

4）将电机修正角度代替电机实际旋转角度，以校正电机辨识角度的偏差。

5.根据权利要求 4所述的一种永磁电梯门机控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤1）具体包括如下步骤：

1.1）在电机处于静止时，CPU控制单元生成 _dsi=V_icosω_it；并预设电机旋转角度 _预，

其中， _dsi为高频脉振电压信号的电压值，

V_i为高频脉振电压信号的幅值，

ω_i为高频脉振电压信号的角频率，ω_i=2f_hi，f_hi是高频脉振电压信号的频率，

t为时间；

1.2）CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述高频脉振电压信号 _dsi，注入角度为电机旋转角度 _预，q轴上不注入；通过IPark变换单元将高频脉振电压信号经IPark变换、并通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；所述功率信号在电机上产生高频反馈电流；电流检测单元检测来自电机的高频反馈电流信号ia、ib、ic，依次经过高频注入转换单元的Clark变换和Park变换得到两相旋转估计坐标系上的电机定子分量电流id、iq，所述CPU控制单元将电机定子分量电流iq乘以sinω_it后，经过高频注入转换单元的PLL锁相环，得到初始电机辨识角度 _初；

1.3）重复步骤1.2），其中，每重复一次，将重复一次得到的初始电机辨识角度 _初作为下一次CPU控制单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述 _dsi时的注入角度；当高频注入转换单元的PLL锁相环稳定时，得到数值稳定的电机辨识角度。

6.根据权利要求5所述的一种永磁电梯门机控制器的控制方法，其特征在于：步骤1.1）和1.2）中所述CPU控制单元通过高频注入转换单元在电机两相旋转估计坐标系的d轴上注入所述高频脉振电压信号 _dsi，注入的高频脉振电压信号的频率f_hi为100~200Hz，注入的高频脉振电压信号的幅值V_i占总幅度的50%~80%。

7.根据权利要求4所述的一种永磁电梯门机控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤2）具体包括如下内容：

2.1）在步骤1）完成时，CPU控制单元在d轴的电机辨识角度+π角度上，施加幅值固定的电压信号向量dsi=V₁；

2.2）CPU控制单元通过IPark变换单元将电压信号向量dsi=V₁经IPark变换、并通过所述电机驱动单元SVPWM转化成功率信号后进入电机三相端；

2.3）CPU控制单元通过编码器检测单元得到电机的位置与方向信号，如果检测到电机正向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度 ，如果电机反向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度+π；

2.4）施加dsi= -V₁负电压向量，重复步骤2.1）、2.2）、2.3），如果检测到电机正向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度+π，如果电机反向旋转，则电机实际旋转角度 =电机辨识角度；

2.5）如果步骤2.3）、2.4）得到角度一致，即可确定电机实际旋转角度值，否则重复以上步骤2.1）~2.4）。

8.根据权利要求4所述的一种永磁电梯门机控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤3）具体包括如下内容：

3.1）在电机正常运行时，CPU控制单元采集电机定子分量电流id、iq、IPark单元以及电机驱动单元SVPWM的电压值与电流值；

3.2）CPU控制单元将步骤3.1）得到的电压值与电流值送入滑模观测器单元，得到电流估计值，并将电流估计值与静止坐标上的定子实际流量值相比较，将差值送入饱和函数进行实时修正，得到反电动势；

3.3）将所得的反电动势送入PLL锁相环，经过锁相环得到电机角度。