CN106899249A - 力矩电机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种力矩电机的控制方法，属于电机设备领域。它解决了现有技术所存在容易受电网电压波动影响导致输出力矩不稳等的技术问题。包括以下步骤：S1：采用SVPWM闭环伺服控制对电机进行控制以减小力矩波动；SVPWM控制对电机进行控制过程还包括以下步骤：S2‑1：将静止坐标系变换为旋转坐标系来将两相进行完全解耦；S2‑2：将经电流调节器输出的旋转坐标系下的直流量进行坐标逆变换得到静止坐标系下的交流量；S2：采用母线电压采样电路对母线电压进行采样检测，并对输出电压进行电压补偿，以确保输出电压的准确性。本发明具有能够有效减小力矩波动，提高输出电压的准确性等优点。

Description

力矩电机的控制方法
技术领域
本发明属于电机设备领域，尤其涉及一种力矩电机的控制方法。
背景技术
力矩电机通常会被用于横机起底板的升降电机，但是传统的横机起底板升降电机即力矩电机工作在开环模式，容易受电网电压的波动导致输出力矩不稳定，影响编制质量的好坏；其次，由于母线电压很容易发生波动，最终造成电动机的波动，影响加工质量。
为解决上述技术问题，中国专利公开了一种电磁力矩电机及其控制方法[申请号：CN105024589A]，包括转子和定子，转子连接有相位检测机构，其特征在于：所述转子包括至少一组环形排列的中心永磁体2，定子包括至少一组环形排列的第一电磁铁1和一组环形排列的第二电磁铁3，第一电磁铁1和第二电磁铁3分别位于中心永磁体2的轴向两端，相邻中心永磁体2的极性相反设置，第一电磁铁1和第二电磁铁3交错设置。
上述技术方案虽然从力矩电机的结构方面达到节能、工作可靠，尽量稳定输出力矩的目的，但是该技术方案没有从控制方面考虑稳定问题，稳定改进效果有限，抗波动能力还存在很大的提升空间。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种力矩电机的控制方法；解决了现有技术所存在容易受电网电压波动影响导致输出力矩不稳等的技术问题。
本发明采用了下列技术方案：一种力矩电机的控制方法，包括以下步骤：
S1：采用SVPWM控制对电机进行控制以减小力矩波动；
S2：采用母线电压采样电路对母线电压进行采样检测，并对输出电压进行电压补偿，以确保输出电压的准确性。
通过上述技术方案，先采用SVPWM控制对电机进行控制，同时在电机工作的过程中对母线电压进行采样检测和电压补偿，从两个方面保证电压输出稳定，提高电压的输出质量。
在上述的力矩电机的控制方法中，在步骤S1中，所述的SVPWM控制采用的是SVPWM闭环伺服控制。
在上述的力矩电机的控制方法中，在步骤S1中，所述的SVPWM控制对电机进行控制过程还包括以下步骤：
S2-1：将静止坐标系变换为旋转坐标系来将两相进行完全解耦；
S2-2：将经电流调节器输出的旋转坐标系下的直流量进行坐标逆变换得到静止坐标系下的交流量。
在上述的力矩电机的控制方法中，在步骤S1中，SVPWM控制通过控制基本电压空间矢量的作用时间，以及由基本电压空间矢量合成的合成电压空间矢量对电机进行控制。
在上述的力矩电机的控制方法中，所述的基本电压空间矢量的作用时间和合成电压空间矢量通过以下步骤进行控制：
S2-3；通过基本电压空间矢量的作用时间计算方法得到基本电压空间矢量的作用时间；
S2-4：通过合成电压空间矢量计算方法得到由合成电压空间矢量的运动轨迹确定的合成电压空间矢量。
在上述的力矩电机的控制方法中，在步骤S2-3中，在作用时间计算以前，先将原坐标系进行逆时针旋转45度的坐标变换以得到新坐标系。
在上述的力矩电机的控制方法中，在步骤S2-3中，所述的基本电压空间矢量的作用时间计算方法包括公式①,公式②，以及由公式①和②得出的包含基本电压空间矢量的作用时间的函数公式③，即
其中，t1：A相基本电压空间矢量V1的作用时间；
t2：B相基本电压空间矢量V2的作用时间；
Ts：换相周期；
uα：A相基本电压；
uβ：B相基本电压；
ud：对应的输出电压。
在上述的力矩电机的控制方法中，在步骤S2-4中，所述的合成电压空间矢量计算方法为公式④，即
其中，
Us：合成电压空间矢量
RsIs：电机绕组压降，忽略；
磁链圆，表示合成电压空间矢量的运动轨迹；
定子磁链矢量的空间角度；
磁链Ψs的幅值；
ω1：旋转角速度。
在上述的力矩电机的控制方法中，所述的磁链圆通过采用基本电压空间矢量的组合得到：
在每一个TPWM期间内，改变相邻基本电压空间矢量的作用时间，并保证合成的合成电压空间矢量的幅值都相等，这样当TPWM足够小时，合成电压空间矢量的运动轨迹就是一个类圆形的正多边形。
在上述的力矩电机的控制方法中，步骤S2中，通过调整晶闸管的导通角以改变绕组的磁饱和度来进行电压补偿。
与现有的技术相比，的优点在于：采用SVPWM闭环伺服控制，避免电机在开环模式下更容易受电网电压波动影响的问题；将电机的控制问题转化为合成电压空间矢量运动轨迹的问题，按照磁链圆轨迹来控制电机工作，具有更好的控制效果。
附图说明
图1是本发明提供的SVPWM闭环伺服控制的驱动框图；
图2是本发明提供的基本电压空间矢量图；
图3是本发明提供的坐标变换图；
图4是本发明提供的合成电压空间矢量关系图；
图5是本发明提供的合成电压空间矢量图。
具体实施方式
实施例一
一种力矩电机的控制方法，包括以下步骤：
S1：采用SVPWM控制对电机进行控制以减小力矩波动；
优选地，SVPWM控制采用的是SVPWM闭环伺服控制，如图1所示，S所指的点为母线电压采样点，SVPWM闭环伺服控制由双H桥构成全桥逆变电路，Q1Q2Q3Q4为A相供电，Q5Q6Q7Q8为B相供电，两相相互独立，可以采用SVPWM控制。Q1Q4采用同一个PWM控制信号，而Q2Q3采用与Q1Q4相反的PWM控制，这样每相绕组需要两路PWM控制信号，两相绕组刚好4路PWM信号。
当Q1Q4导通时，Q2Q3关断，则A相绕组接正电压流过正电流。以A相为例，不同的开关组合对应的输出电压如下表所示：
表1输出电压
当(Q1,Q3)＝(0,1)时，(uα,uβ)＝(-ud,-ud)，由于Us＝uα+uβejγ，其中γ＝90°，则有根据图2可知，按照上述方式，同样可以得到其它基本电压空间矢量，幅值均为空间上相差如下表所示：
表2基本电压空间矢量
进一步地，SVPWM控制对电机进行控制过程还包括以下步骤：S2-1：由于电流相位差90°，只需将静止坐标系变换为旋转坐标系来将两相进行完全解耦，变换前后磁动势不变，各相绕组匝数依旧相同，如下式所示：
S2-2：在电流闭环中，经电流调节器输出的合成电压空间矢量为旋转坐标系下的直流量，所以需要将经电流调节器输出的旋转坐标系下的直流量进行坐标逆变换得到静止坐标系下的交流量，如下式所示：
SVPWM控制通过控制基本电压空间矢量的作用时间，以及由基本电压空间矢量合成的合成电压空间矢量对电机进行控制。
其中，基本电压空间矢量的作用时间和合成电压空间矢量通过以下步骤进行控制：
S2-3；通过基本电压空间矢量的作用时间计算方法得到基本电压空间矢量的作用时间；
优选地，为了便于计算，在作用时间计算以前，先进行一个简单的坐标变换，原坐标系α-β坐标系和新坐标系A—B坐标系如图3所示，A—B坐标系为α-β坐标系逆时针旋转45°，A轴与基本电压矢量V1重合，B轴与A轴垂直，得到期望合成电压空间矢量关系，如图4所示。
其中，由图可以得出公式又因为公式
所以可得
上式求解可得到公式
其中，t1：A相基本电压空间矢量V1的作用时间；
t2：B相基本电压空间矢量V2的作用时间；
Ts：换相周期；
uα：A相基本电压；
uβ：B相基本电压；
ud：对应的输出电压。
所以，可知基本电压空间矢量的作用时间计算方法包括公式①和公式②，以及由公式①和②得出的包含基本电压空间矢量的作用时间的函数公式③，即
S2-4：通过合成电压空间矢量计算方法得到由合成电压空间矢量的运动轨迹确定的合成电压空间矢量。
如图5所示，A、B表示静止的两相定子绕组，它们在空间相差90°，两相电压uα、uβ分别加在两相绕组上，则空间各矢量的表达式可以写成：
Us＝uα+uβejγ
Is＝iα+iβejγ
其中γ＝2π/3，当电机A、B绕组通入幅值为Um的两相对称电压时，则合成的电压空间电压矢量为
合成电压空间矢量以电源角速度ω1旋转，其幅值与相电压幅值相等，若其中一相电压达到最大值，合成电压空间矢量就与该轴线重合。
其中，在忽略电机绕组压降的时候，相电压可以用式
当电机通入两相对称电压时，其磁链空间矢量恒速旋转，且幅值为定值，运动轨迹程圆形，即磁链圆轨迹，可以表示为是定子磁链矢量的空间角度。
根据以上两个式子可以得到由合成电压空间矢量的运动轨迹确定的合成电压空间矢量的合成电压空间矢量计算方法的公式④，即
其中，
Us：合成电压空间矢量
RsIs：电机绕组压降，忽略；
磁链圆，表示合成电压空间矢量的运动轨迹；
定子磁链矢量的空间角度；
磁链Ψs的幅值；
ω1：旋转角速度。
合成电压空间矢量Us与磁链矢量正交，其方向沿磁链圆的切线方向；当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2π弧度，这样电机的控制问题就可以转化为合成电压空间矢量运动轨迹的问题。
进一步地，磁链圆通过采用基本电压空间矢量的组合得到：
在每一个TPWM期间内，改变相邻基本电压空间矢量的作用时间，并保证合成的合成电压空间矢量的幅值都相等，这样当TPWM足够小时，合成电压空间矢量的运动轨迹就是一个类圆形的正多边形。
根据步骤S1可知，对电机本质的控制是控制基本电压空间矢量的作用时间以及由基本电压空间矢量合成的合成电压空间矢量，而基本电压矢量与母线有关，若母线电压发生波动则会影响到电机电流的控制，最终表现为电机波动较大，影响加工质量，所以需要采用电压补偿技术可以消除母线电压波动带来的影响，本实施例采用步骤S2的电压补偿技术，S2：采用母线电压采样电路对母线电压进行采样检测，并对输出电压进行电压补偿，以确保输出电压的准确性，具体表现为通过调整晶闸管的导通角以改变绕组的磁饱和度来进行电压补偿。
实施例二
本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例的电压补偿技术采用具有中央控制芯片，能够自动根据对应的标幺值进行电压补偿的智能补偿集成设备进行电压补偿：
220V的交流电源对应直流母线电压Vdc为310V，但是实际工况下Vdc会随着电源电压的波动而变化，因此中央控制芯片所对应的电压的标幺值也需要进行调整。
例：需要输出100V的电压，则标幺值在中央控制芯片内用100/310＝0.323来表示，如果电源电压波动，采集到的母线电压变成290V，此时的0.323就不能代表100V了，只有93.67V，需要对电压输出值进行调整。
解决方法：母线电压改变的系数为310/290＝1.069，标幺值需为0.323×1.069＝0.345的时候，输出电压才能符合规定，所以智能补偿集成设备根据标幺值的改变需要，通过智能补偿集成设备中的补偿控制器和智能投切开关等切换模式直到输出电压/母线电压的标幺值满足条件。
通过上述技术方案，先采用SVPWM控制对电机进行控制，同时在电机工作的过程中对母线电压进行采样检测和电压补偿，从两个方面保证电压输出稳定，提高电压的输出质量。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了基本电压空间矢量、合成电压空间矢量、磁链圆等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种力矩电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用SVPWM控制对电机进行控制以减小力矩波动；
S2：采用母线电压采样电路对母线电压进行采样检测，并对输出电压进行电压补偿，以确保输出电压的准确性。
2.根据权利要求1述的力矩电机的控制方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的SVPWM控制采用的是SVPWM闭环伺服控制。
3.根据权利要求1所述的力矩电机的控制方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的SVPWM控制对电机进行控制过程还包括以下步骤：
S2-1：将静止坐标系变换为旋转坐标系来将两相进行完全解耦；
S2-2：将经电流调节器输出的旋转坐标系下的直流量进行坐标逆变换得到静止坐标系下的交流量。
4.根据权利要求3述的力矩电机的控制方法，其特征在于，在步骤S1中，SVPWM控制通过控制基本电压空间矢量的作用时间，以及由基本电压空间矢量合成的合成电压空间矢量对电机进行控制。
5.根据权利要求4述的力矩电机的控制方法，其特征在于，所述的基本电压空间矢量的作用时间和合成电压空间矢量通过以下步骤进行控制：
S2-3；通过基本电压空间矢量的作用时间计算方法得到基本电压空间矢量的作用时间；
S2-4：通过合成电压空间矢量计算方法得到由合成电压空间矢量的运动轨迹确定的合成电压空间矢量。
6.根据权利要求5述的力矩电机的控制方法，其特征在于，在步骤S2-3中，在作用时间计算以前，先将原坐标系进行逆时针旋转45度的坐标变换以得到新坐标系。
7.根据权利要求6所述的力矩电机的控制方法，其特征在于，在步骤S2-3中，所述的基本电压空间矢量的作用时间计算方法包括公式①,公式②，以及由公式①和②得出的包含基本电压空间矢量的作用时间的函数公式③，即
其中，t1：A相基本电压空间矢量V1的作用时间；
t2：B相基本电压空间矢量V2的作用时间；
Ts：换相周期；
uα：A相基本电压；
uβ：B相基本电压；
ud：对应的输出电压。
8.根据权利要求5述的力矩电机的控制方法，其特征在于，在步骤S2-4中，所述的合成电压空间矢量计算方法为公式④，即
其中，
Us：合成电压空间矢量
RsIs：电机绕组压降，忽略；
磁链圆，表示合成电压空间矢量的运动轨迹；
定子磁链矢量的空间角度；
磁链Ψs的幅值；
ω1：旋转角速度。
9.根据权利要求8所述的力矩电机的控制方法，其特征在于，所述的磁链圆通过采用基本电压空间矢量的组合得到：
在每一个TPWM期间内，改变相邻基本电压空间矢量的作用时间，并保证合成的合成电压空间矢量的幅值都相等，这样当TPWM足够小时，合成电压空间矢量的运动轨迹就是一个类圆形的正多边形。
10.根据权利要求1所述的力矩电机的控制方法，其特征在于，步骤S2中，通过调整晶闸管的导通角以改变绕组的磁饱和度来进行电压补偿。
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