CN110707972B - 一种永磁游标直线电机的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁游标直线电机的控制方法及系统，方法包括根据电机的反电势特性以及速度控制器的输出信号，计算dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量；将所述dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量进行Park反变换到两相静止αβ坐标系下；所述αβ坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量与电机电流作差产生的电流误差信号，经过VPI控制器输出，通过SVPWM产生逆变器开关的开关信号。系统包括速度控制器、电流正负序分量参考值计算模块、第一Park反变换模块、第二Park反变换模块、电流VPI控制器和SVPWM模块。本发明能够有效地降低电机输出电磁推力的波动，提高电流控制精度，从而获得更为理想的控制性能。

Description

一种永磁游标直线电机的控制方法及系统

技术领域

本发明属于电机伺服及控制领域，更具体地，涉及一种永磁游标直线电机的控制方法及系统。

背景技术

随着超高速切削、超精密加工、多轴联动等一系列先进加工制造技术的快速发展，机械加工对机床的性能要求越来越高。相比于传统的“旋转电机+滚珠丝杠”传动方式，直线电动机取消了电动机与工作台的机械机构，从而可以实现直接驱动的高速响应，减小了机械摩擦，提高了机床的精度。高性能机床采用直线电机驱动已经成为趋势。

为了确保控制精度要求和性能要求，直线电机的控制系统中普遍采用双环控制系统，包括电流内环和速度外环，可以实现励磁和推力的解耦，进行矢量控制，既可以抑制电流的波动又可以实现速度的快速跟踪。

永磁游标直线电机具有高推力密度的特点，但是由于存在直线电机两端开断的特殊结构导致端部效应、电机三相不对称，采用传统的三相电流对称的控制方法将会造成电机电磁推力的波动，控制器很难达到精准的控制要求。由于三相不对称问题的存在，为了实现输出平稳推力，需要在电机的三相电流中注入正序电流和负序电流，从而实现消除电机电磁推力波动的效果。现有正负序电流控制技术广泛应用于电网，在dq坐标系下提取正负序电流需要加入滤波器，导致电流控制带宽降低的问题，由于电网运行于固定频率，其电流控制方法无法直接应用于电机不同速度运行的控制，需要对现有的控制方法进行改进。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种永磁游标直线电机的控制方法及系统，旨在解决传统三相对称控制方法应用于直线电机绕组三相不对称系统输出电磁推力存在波动，控制系统精度低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种永磁游标直线电机的控制方法，包括：

根据电机的反电势特性以及速度控制器的输出信号，计算dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量；

将dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量进行Park反变换到两相静止αβ坐标系下；

所述αβ坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量与电机电流作差产生的电流误差信号，经过VPI控制器输出，通过SVPWM产生逆变器开关的开关信号。

优选地，dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量利用速度控制器的输出信号，根据电机三相反电势计算分别得到参考电流正负序分量参考值i_q ^p、i_d ^p、i_q ^p、i_d ^p，用公式表示为：

i_q ^P＝i_q ^*

其中，i_q ^*为速度控制器的输出电流，E_q ^p、E_q ⁿ、E_d ^p、E_d ⁿ为dq坐标系下的参考电流正负序分量幅值，p代表正序，n代表负序。

优选地，参考电流正负序分量的Park反变换用公式表示为：

其中，i_q ^p、i_d ^p、i_q ^p、i_d ^p为dq坐标系下的参考电流正负序分量参考值，i_α ^p、i_β ^p、i_α ⁿ、i_β ⁿ为两相静止αβ坐标系下的参考电流正负序分量参考值，θ为电机的电角度。

优选地，VPI电流控制器的传递函数为：

其中K_p、K_i、K_pr、K_ir、ω_c、ω₀为预设的VPI控制器参数。

按照本发明的另一方面，提供了一种永磁游标直线电机的控制系统，包括速度控制器、电流正负序分量参考值计算模块、第一Park反变换模块、第二Park反变换模块、电流VPI控制器和SVPWM模块；速度控制器的输出作为电流正负序分量参考值计算模块的输入，电流正负序分量参考值计算模块的输出分别输入到第一Park反变换模块和第二Park反变换模块，第一Park反变换模块和第二Park反变换模块的输出作为VPI控制器的输入，VPI控制器根据第一Park反变换模块和第二Park反变换模块的输出和电流检测单元获取的电机的电流信号的差值，计算参考电压信号，输入SVPWM模块，由SVPWM模块产生逆变器开关的开关信号；

第一Park反变换模块和所述第二Park反变换模块用于将dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量进行Park反变换到两相静止αβ坐标系下；

VPI控制器用于根据第一Park反变换模块和第二Park反变换模块的输出和电流检测单元获取的电机的电流信号的差值，计算参考电压信号，输入SVPWM模块；

SVPWM模块用于产生逆变器开关的开关信号。

优选地，电流正负序分量参考值计算模块输入为速度控制器的输出i_q ^*，根据电机三相反电势特性，输出dq坐标系下正序电流参考值i_q ^p、i_d ^p和负序电流参考值i_q ⁿ、i_d ⁿ。电机三相反电势特性即在电机空载(三相电流等于0)的情况下测量电机三相电压，将所测得的三相反电势变换到正序和负序的dq坐标系下，得到反电势的dq正负序幅值E_q ^p、E_q ⁿ、E_d ^p、E_d ⁿ。i_q ^p、i_d ^p、i_q ⁿ、i_d ⁿ根据E_q ^p、E_q ⁿ、E_d ^p、E_d ⁿ和速度控制器的输出i_q ^*计算得到。

优选地，第一Park反变换模块的输入为正序dq坐标系下的电流参考值i_q ^p、i_d ^p，输出为两相静止αβ坐标系下正序电流的参考值i_α ^p、i_β ^p；第二Park反变换模块的输入为负序dq坐标系下的电流参考值i_q ⁿ、i_d ⁿ，输出为两相静止αβ坐标系下正序电流的参考值i_α ⁿ、i_β ⁿ。

优选地，电流VPI控制器根据闭环稳定判断依据，开环传递函数的幅值响应应足够大，即大于35dB、相位裕度约为45°、在具有不同谐振带宽的谐振频率ω₀下保持恒定增益，选定电流VPI控制器的参数，实现控制器对两相静止αβ坐标系下交流电流的高性能控制。

针对电机的正负序电流给定问题提出基于电机反电势特性的电流正负序分量参考值计算模块；针对在dq坐标系采样正负序电流引入滤波器带来的电流控制带宽降低的问题，提出第一Park反变换模块和第二Park反变换模块，将电流变换到两相静止αβ坐标系下进行控制；针对在两相静止αβ坐标系下电流呈现的交变特性，引入电流VPI控制器。基于电流正负序分量参考值计算模块、第一Park反变换模块、第二Park反变换模块、电流VPI控制器和SVPWM模块组成的控制系统，能够有效地降低电机输出电磁推力的波动，提高电流控制精度，从而获得更为理想的控制性能。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、相比于传统三相电流对称控制方法，通过在具有端部效应的直线电机三相绕组中注入正序电流和负序电流，实现降低电机输出电磁推力的波动，提高永磁游标直线电机推力输出的控制精度；

2、Park反变换模块的引入，实现在两相静止αβ坐标系下对电流进行控制，取消了在dq坐标系下控制电流需要加入的滤波器，不会影响电流控制的带宽，也就不会影响到控制系统的稳定性；

3、针对两相静止αβ坐标系下电流呈现的交流特性，采用电流VPI控制器，提高电流控制器对谐波电流的控制能力。

附图说明

图1是本发明实施例的永磁游标直线电机驱动的结构框图；

图2是本发明实施例的电机的控制系统的结构框图；

图3是电流正负序分量参考值计算模块61的结构示意图；

图4是VPI电流控制器62的结构示意图；

图5是针对特定频率优化的电流VPI控制器62与电流PI控制器Bode图对比；

附图标注：

10、主电路功率电路，11、直流电源，12、逆变器，13、直流滤波电容，20、控制单元，22、位置检测单元，24、电流检测单元，26、主控制器，28、驱动单元，30、永磁游标直线电机，50、第一Park反变换模块，52、SVPWM模块，55、第二Park反变换模块，60、速度控制器，61、电流正负序分量参考值计算模块，62、VPI控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参考图1，图1示出本发明实施永磁游标直线电机驱动系统的结构框图。所述电永磁游标直线电机驱动系统主要包括主电路功率电路10、控制电路20和永磁游标直线电机30。其中，所述主电路功率电路10包括为所述永磁游标直线电机30提供电源的直流电源11、逆变器12和直流滤波电容13。所述控制电路20包括位置检测单元22、电流检测单元24、驱动电路28和主控制器26，所述主控制器26对永磁游标直线电机30的运行进行控制。所述位置检测单元22包括直线光栅。所述电流检测单元24包括电流传感器以及Clark变换算法。所述电流检测单元24及位置检测单元22输出的信号输出至所述主控制器26。所述主控制器26根据接收的电流信号、电机动子位置信号以及预设速度输出驱动永磁游标直线电机30的驱动信号，所述驱动信号通过驱动单元28输出至所述逆变器12，以控制逆变器12中的开关器件，驱动永磁游标直线电机30运行。下面对各个控制器的设计过程加以具体说明。

图2是本发明电机的控制系统的结构框图。所述电机控制系统包括位置检测单元22、电流VPI控制器62、第一Park反变换器50、第二Park变换器55、SVPWM模块52、逆变器12、速度控制器60、电流正负序分量参考值计算模块61、电流检测单元24、直流电源11、直流滤波电容13。所述电机控制框图包含转速环和电流环，转速环为外环，电流环为内环，实现变频调速等功能。给定转速通过速度控制器计算得到给定的q轴电流i_q ^*，通过电流正负序分量参考值计算模块61进行计算得到dq坐标系下正负序电流参考值i_q ^p、i_d ^p、i_q ⁿ、i_d ⁿ。i_q ^p、i_d ^p、i_q ⁿ、i_d ⁿ通过第一Park反变换器50、第二Park变换器55变换到两相静止αβ坐标系下i_α ^p、i_β ^p、i_α ⁿ、i_β ⁿ。i_α ^p、i_β ^p、i_α ⁿ、i_β ⁿ通过电流VPI控制器62进行计算得到两相静止αβ坐标系下αβ参考电压U_α ^*、U_β ^*。参考电压U_α ^*、U_β ^*通过SVPWM模块52，得到驱动信号。驱动信号通过驱动单元28控制逆变器12开关管的动作，对永磁游标直线电机30进行控制。本领域技术人员可以理解，所述电流检测单元24中的Clark变换部分、位置检测单元22、电流VPI控制器62、第一Park反变换器50、第二Park变换器55、SVPWM模块52、速度控制器60、电流正负序分量参考值计算模块61等可以是能够被主控制器26所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段。

如图3所示，所述电流正负序分量参考值计算模块61，输入为速度控制器的输出i_q ^*，根据测量所得电机的反电势特性，得到dq坐标系的正负序分量幅值E_q ^p、E_q ⁿ、E_d ^p、E_d ⁿ：

I_q ^P＝i_q ^*

计算并输出电流正负序分量参考值i_q ^p、i_d ^p、i_q ⁿ、i_d ⁿ。

第一Park反变换器50的数学模型为：

第二Park反变换器55的数学模型为：

如图4所示，所述电流控制器采用电流VPI控制器62，输入为给定αβ轴正负序电流i_q ^p、i_d ^p、i_q ⁿ、i_d ⁿ和实际αβ轴电流i_α、i_β，输出为控制量U_α、U_β。电流VPI控制器62的传递函数为：

其中K_p、K_i、K_pr、K_ir、ω_c、ω₀为待设计控制器参数。

如图5所示，针对两相静止αβ坐标系下αβ电流参考值的交流特性，在ω₀＝电角速度ω频率处设置谐振点，提高控制器在ω₀的幅值响应。相比PI控制器，电流VPI控制同时提高了控制器的相位裕度。根据开环传递函数的幅值响应应足够大，即大于35dB、相位裕度约为45°、在具有不同谐振带宽的谐振频率ω_c下保持恒定增益，选定电流VPI控制器62的参数，保持控制系统闭环稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种永磁游标直线电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据电机的反电势特性以及速度控制器的输出信号，计算dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量i_q ^p、i_d ^p、i_q ⁿ、i_d ⁿ，用公式表示为：

i_q ^P＝i_q ^*

其中，i_q ^*为速度控制器的输出信号，E_q ^p、E_q ⁿ、E_d ^p、E_d ⁿ为dq坐标系下的反电势正负序分量幅值，p代表正序，n代表负序；

将所述dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量进行Park反变换到两相静止αβ坐标系下，用公式表示为：

其中，i_α ^p、i_β ^p、i_α ⁿ、i_β ⁿ为αβ坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量，θ为电机的电角度；

所述αβ坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量与电机电流作差产生的电流误差信号，经过VPI控制器输出，通过SVPWM产生逆变器开关的开关信号。

2.根据权利要求1所述的永磁游标直线电机的控制方法，其特征在于，所述VPI控制器的传递函数为：

其中K_p、K_i、K_pr、K_ir、ω_c、ω₀为预设的VPI控制器参数。

3.一种永磁游标直线电机的控制系统，其特征在于，包括速度控制器、电流正负序分量参考值计算模块、第一Park反变换模块、第二Park反变换模块、VPI控制器和SVPWM模块；所述速度控制器的输出作为电流正负序分量参考值计算模块的输入，所述电流正负序分量参考值计算模块的输出分别输入到第一Park反变换模块和第二Park反变换模块，所述第一Park反变换模块和所述第二Park反变换模块的输出作为VPI控制器的输入，所述VPI控制器根据第一Park反变换模块和第二Park反变换模块的输出和电流检测单元获取的电机的电流信号的差值，计算参考电压信号，输入SVPWM模块，由SVPWM模块产生逆变器开关的开关信号；

所述第一Park反变换模块和所述第二Park反变换模块用于将dq坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量进行Park反变换到两相静止αβ坐标系下；

其中参考电流正序分量和参考电流负序分量i_q ^p、i_d ^p、i_q ⁿ、i_d ⁿ用公式表示为：

i_q ^P＝i_q ^*

其中，i_q ^*为速度控制器的输出信号，E_q ^p、E_q ⁿ、E_d ^p、E_d ⁿ为dq坐标系下的反电势正负序分量幅值，p代表正序，n代表负序；

两相静止αβ坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量用公式表示为：

其中，i_α ^p、i_β ^p、i_α ⁿ、i_β ⁿ为αβ坐标系下的参考电流正序分量和参考电流负序分量，θ为电角度。

4.根据权利要求3所述的永磁游标直线电机的控制系统，其特征在于，所述VPI控制器的传递函数为：

其中K_p、K_i、K_pr、K_ir、ω_c、ω₀为预设的VPI控制器参数。

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