CN111342721A - 一种永磁同步电机的控制方法、装置及相关组件 - Google Patents

一种永磁同步电机的控制方法、装置及相关组件 Download PDF

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CN111342721A CN202010244687.9A CN202010244687A CN111342721A CN 111342721 A CN111342721 A CN 111342721A CN 202010244687 A CN202010244687 A CN 202010244687A CN 111342721 A CN111342721 A CN 111342721A
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万汉亮
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Abstract

本申请公开了一种永磁同步电机的控制方法，包括：获取实际母线电压，当实际母线电压满足控制条件，根据实际母线电压获取初始电角度调整量；计算当前电角度调整梯度，利用当前电角度调整梯度和初始电角度调整量得到实际电角度调整量；通过电流环控制器根据实际电角度调整量和实际角度控制电机运行，以抑制母线电压上升。本申请通过软件控制的方案即可有效抑制电机制动时母线电压上升，保证母线电压稳定，同时可以避免转动惯量太大时影响制动控制效果的问题，保证在任何条件下都能实现快速制动，提升了系统的稳定性和鲁棒性。本申请还公开了一种控制装置、电子设备及计算机可读存储介质，具有以上有益效果。

Description

一种永磁同步电机的控制方法、装置及相关组件
技术领域
本申请涉及永磁同步电机领域，特别涉及一种永磁同步电机的控制方法、装置及相关组件。
背景技术
目前工业缝纫机市场客户的要求越来越高，作为驱动缝纫机的主要部件电机，目前市场上直驱机大多采用永磁同步电机作为主轴驱动电机，控制算法也由原来的直流无刷电机的三相六拍控制，逐步升级为FOC(Field-Oriented Control，磁场定向矢量控制)，使得电机运行时输出转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有更高速的动态响应。其控制思路是对控制对象永磁同步电机实施速度环、电流环的双闭环控制，其中电流环作为内环，将定子电流分解为交轴电流与直轴电流，直轴与电机转子磁通方向一致，用于控制电机磁通；交轴超前直轴90度电角度，用于控制电机的输出力矩。
随着FOC控制方式的逐步普及，其弊端也逐步显现出来，那就是在采用FOC控制方式进行电机的刹车制动时，会产生反电动势形成反电流，进而形成Boost方式的能量再生，再生的能量通过逆变器电路反冲回母线电容，使得母线电压持续升高，以致超出硬件承受范围，导致硬件损坏。目前对于该问题的解决办法有以下三种，分别为能耗制动、磁通制动、回馈制动。能耗制动是目前使用最多的一种方法，即采用外接刹车电阻将多余的母线能量释放掉，此方法应用简单，但是额外地增加了硬件成本，且在连续刹车时有烧刹车电阻的风险；磁通制动是指在刹车时将部分能量通过直轴消耗在电机内部，常用的是对母线电压的闭环PI控制，此方法相对于能耗制动节省了硬件成本，但是仍未解决连续刹车的问题，当转动惯量较大时需要进行空滑保护，不能实现尽快制动；回馈制动是指通过对变频器的控制，将母线能量回馈至电网，该方法硬件成本太高，不适用于低功率电机。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种永磁同步电机的控制方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，通过软件控制的方案即可有效抑制电机制动时母线电压上升，保证母线电压稳定，同时可以避免转动惯量太大时影响制动控制效果的问题，保证在任何条件下都能实现快速制动，提升了系统的稳定性和鲁棒性。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种永磁同步电机的控制方法，包括：
获取实际母线电压，当所述实际母线电压满足控制条件，根据所述实际母线电压获取初始电角度调整量；
计算当前电角度调整梯度，利用当前电角度调整梯度和所述初始电角度调整量得到实际电角度调整量；
通过电流环控制器根据所述实际电角度调整量和实际角度控制电机运行，以抑制母线电压上升。
优选的，所述控制条件包括所述实际母线电压大于预设介入电压。
优选的，所述根据所述实际母线电压获取初始电角度调整量的过程包括：
获取所述实际母线电压和所述预设介入电压的压差；
根据所述压差确定初始电角度调整量。
优选的，所述获取实际母线电压的过程具体为：
通过电阻分压装置获取实际母线电压。
优选的，所述计算当前电角度调整梯度的过程具体为：
根据当前电机转速计算当前电角度调整梯度。
优选的，所述获取实际母线电压的过程具体为：
按获取周期获取母线电压AD采样值；
根据电阻分压装置对应的电阻分压比例及所述母线电压AD采样值计算实际母线电压。
优选的，所述利用当前电角度调整梯度和所述初始电角度调整量得到实际电角度调整量的过程具体为：
根据当前获取周期获取到的实际母线电压计算当前初始电角度调整量；
判断当前初始电角度调整量是否大于当前目标电角度调整量，其中，当前目标电角度调整量为上一获取周期对应的实际电角度调整量和当前电角度调整梯度的和；
若是，则将当前目标电角度调整量作为所述实际电角度调整量；
若否，则将当前初始电角度调整量作为所述实际电角度调整量。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种永磁同步电机的控制装置，包括：
获取模块，用于获取实际母线电压，当所述实际母线电压满足控制条件，根据所述实际母线电压获取初始电角度调整量；
计算模块，用于计算当前电角度调整梯度，利用当前电角度调整梯度和所述初始电角度调整量得到实际电角度调整量；
控制模块，用于通过电流环控制器根据所述实际电角度调整量和实际角度控制电机运行，以抑制母线电压上升。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任意一项所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任意一项所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
本申请提供了一种永磁同步电机的控制方法，当实际母线电压满足控制条件，则计算电角度调整量，以便电流控制器根据电角度调整量与实际角度控制电机运行，从而将全部用于产生力矩的电流，分出与电角度调整量对应的一部分产生励磁的电流，即存在转子磁通方向上的电流消耗，进而降低母线电压。本申请不需要设置外部泄能电路，通过软件控制的方案即可有效抑制电机制动时母线电压上升，保证母线电压稳定。同时在生成电角度调整量时通过当前电角度调整梯度进行限制，以避免电角度调整量变化太快，即转动惯量太大时影响制动控制效果的问题，保证在任何条件下都能实现快速制动，提升了系统的稳定性和鲁棒性。本申请还提供了一种永磁同步电机的控制装置、电子设备及计算机可读存储介质，具有和上述永磁同步电机的控制方法相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所提供的一种永磁同步电机双闭环控制系统的结构示意；
图2为本申请所提供的一种逆变电路结构示意图；
图3为本申请所提供的一种永磁同步电机双闭环控制系统的控制框图；
图4为本申请所提供的一种永磁同步电机的控制方法的步骤流程图；
图5为本申请所提供的一种母线电压控制器的结构示意图；
图6为本申请所提供的永磁同步电机的控制装置的步骤流程图。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种永磁同步电机的控制方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，通过软件控制的方案即可有效抑制电机制动时母线电压上升，保证母线电压稳定，同时可以避免转动惯量太大时影响制动控制效果的问题，保证在任何条件下都能实现快速制动，提升了系统的稳定性和鲁棒性。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于理解本申请的永磁同步电机的控制方法，下面对本申请的控制方法所适用的永磁同步电机双闭环控制系统进行介绍，请参照图1，图1为本申请所提供的一种永磁同步电机双闭环控制系统的结构示意图。
如图1所示，本申请实施例提供的永磁同步电机双闭环控制系统包括主控模块01、电机驱动模块02、电机模块03三个基本模块，其中主控模块01用于控制电机驱动模块02，给出特定的大小与方向的电压矢量对应的控制信号，同时接收电机模块03反馈的位置增量信息，用于进行电压矢量方向切换，电机驱动模块02用于接收主控模块01的控制信号，给出电压矢量驱动信号控制电机定子三相绕组，电机模块03主要包括永磁同步电机以及位置传感器，永磁同步电机根据电压矢量驱动信号在定子产生特定磁场，电机转子在磁场的作用下发生运动，通过位置传感器将运动信息反馈给主控模块01，进行下一步控制。该永磁同步电机双闭环控制系统主要逆变电路如图2所示，其中，C为母线电容，G1为U相上桥IGBT，G2为V相上桥IGBT，G3为W相上桥IGBT，G4为U相下桥IGBT，G5为V相下桥IGBT，G6为W相下桥IGBT，以及UVW三相采样电阻，M为永磁同步电机。进一步的，该永磁同步电机双闭环控制系统的控制框图参照图3所示，通过母线电压控制器辅助对永磁同步电机的控制。
下面对于本申请所提供的一种永磁同步电机的控制方法进行详细说明。
请参照图4，图4为本申请所提供的一种永磁同步电机的控制方法的步骤流程图，该控制方法包括：
S101：获取实际母线电压；
首先需要说明的是，本实施例中所提供的永磁同步电机的控制方法主要应用在永磁同步电机的刹车制动过程中。
具体的，本步骤中的目的在于获取实际母线电压。作为一种优选的实施例，可以通过电阻分压装置获取实际母线电压。电阻分压装置可以包括分压电阻，将母线电压通过电阻分压到0-3.3V电压范围，然后利用ADC转换及预设的电阻分压比例识别当前母线电压值。在本实施例中，可以根据预设的获取周期来获取实际母线电压，也可以在接收到获取指令后，再获取实际母线电压，本实施例对获取实际母线电压的触发条件不做具体的限定。以按预设的获取周期来获取实际母线电压为例，获取周期即为AD转换触发周期可设置为100us，对母线电压的处理在1ms中进行，所以可以认为母线电压值刷新周期为1ms，使其与母线电压控制器处理周期一致。
当然，获取周期可以根据实际工程需要确定，本实施例在此不作具体地限定。
S102：当所述实际母线电压满足控制条件，根据所述实际母线电压获取初始电角度调整量；
具体的，这里的控制条件用于判断母线电压是否需要被调整，即确定母线电压是否升高到超出硬件承受范围的一定值，也即当前工况下，母线能量是否需要被释放。满足控制条件具体可以为实际母线电压大于预设介入电压。当实际母线电压大于预设介入电压，说明当前需要抑制母线电压的上升，此时，根据所述实际母线电压获取初始电角度调整量。
具体的，可通过母线电压控制器实现初始电角度调整量的获取，本实施例所提供的母线电压控制器的结构参照图5所示，包括PI控制器，预设介入电压及实际母线电压作为PI控制器的输入，初始电角度调整量作为PI控制器的输出。获取实际母线电压Udc后，将其与预设介入电压Udc′做差，得到实时误差Uerr，上述PI控制器的表达式如下：
Figure BDA0002433681750000061
其中，Kp为PI调节器的增益，Ti为积分时间常数，θerr为初始电角度调整量。
本实施例中，预设介入电压可根据实际工况进行调整，在此对其具体数值不做具体的限定。
S103：计算当前电角度调整梯度，利用当前电角度调整梯度和所述初始电角度调整量得到实际电角度调整量；
可以理解的是，为避免实际电角度调整量变化太快导致电机控制不稳，需要在电流控制器中对母线电压控制器输出的电角度调整量进行梯度处理，即为每次调整的电角度调整量设置一个限制值，这个限制值可以看作是两次电角度调整量的变化量的最大值，即本步骤中的电角度调整梯度，从而避免电角度调整量变化太快，即转动惯量太大时，影响制动控制效果的问题，保证在任何条件下都能实现快速制动，提升系统的稳定性和鲁棒性。
作为一种优选的实施例，计算当前电角度调整梯度的过程具体为：
根据当前电机转速计算当前电角度调整梯度。
具体的，可通过第一计算关系式计算当前电角度调整梯度，其中，第一计算关系式为
Figure BDA0002433681750000071
ρ为永磁同步电机极对数，T程序电流环执行时间，Vspd当前电机转速。
本实施例中，通过当前电机转速计算当前电角度调整梯度，从而保证将该梯度作为调整量变化值的最大限制，其中，实际电角度调整量为期望调整的目标角度，当前电角度调整梯度为每次限制的调整量，避免角度偏移量每次变化太大。
作为一种优选的实施例，可根据当前电角度调整梯度及实际母线电压确定电角度调整量的过程具体包括：根据当前获取周期获取到的实际母线电压计算当前第一电角度调整量；判断当前第一电角度调整量是否大于当前目标电角度调整量，其中，当前目标电角度调整量为上一获取周期获取到的实际母线电压对应的第一电角度调整量和当前电角度调整梯度的和；若是，则将当前目标电角度调整量作为电角度调整量；若否，则将当前第一电角度调整量作为电角度调整量。举例说明，假设上一获取周期对应的实际电角度调整量为45°，当前电机转速对应的当前电角度梯度为5°，若根据实际母线电压计算得到的当前初始电角度调整量为52°，则本获取周期内，实际电角度调整量为50°，若根据实际母线电压计算得到的当前初始电角度调整量为48°，则本获取周期内，实际电角度调整量为48°。
具体的，实际电角度调整量的范围为0°～90°。下面分析两种极限情况，当母线电压较低时，假设电角度调整量为0°，此时Boost泵生电压能力最强，同样制动情况下，母线电压上升最快，当母线电压较高时，假设此时电角度调整量为90°，此时电机力矩电流q轴与转子磁通方向重合，电机类似空滑，无泵生电压能力，相反的有转子磁通方向上的电流消耗，此时母线电压下降最快。
采用本实施例的方案可以避免角度调整量太大时出现转矩波动的问题，由于当实际电角度调整量为90°时，母线电压一定会下降，这里就避免了转动惯量的影响。
S104：通过电流环控制器根据所述实际电角度调整量和实际角度控制电机运行，以抑制母线电压上升。
可以理解的是，本步骤的目的在于将实际电角度调整量应用到电流环控制器中，以便电流环控制器根据实际电角度调整量和实际角度来控制电压型PWM逆变器，其中，电流控制器的位置信息可由磁极位置及电角度调整量确定。优选的，上述利用当前电角度调整梯度和所述初始电角度调整量得到实际电角度调整量的过程也可以在电流环控制器内部实现。
具体的，本实施例可将原有全部用于产生力矩的电流，分出与电角度调整量对应的一部分以产生励磁的电流，由于该部分电流的力矩方向与转动轴转动方向垂直，两两相互抵消，同时有很少一部分用于发热消耗在电机内部，从而可以使母线电压下降。执行完上述方案，母线电压先是会迅速减缓上升趋势，然后下降，如果电机长时间减速状态下，目前电压会在介入电压上下波动，直到电机结束减速或速度降到不足以提供足够的泵生电压为止。
本实施例在实际母线电压满足控制条件，计算电角度调整量，以便电流控制器根据电角度调整量与实际角度控制电机运行，从而将全部用于产生力矩的电流，分出与电角度调整量对应的一部分产生励磁的电流，即存在转子磁通方向上的电流消耗，进而降低母线电压。本申请不需要设置外部泄能电路，通过软件控制的方案即可有效抑制电机制动时母线电压上升，保证母线电压稳定。同时在生成电角度调整量时通过当前电角度调整梯度进行限制，以避免电角度调整量变化太快，即转动惯量太大时影响制动控制效果的问题，保证在任何条件下都能实现快速制动，提升了系统的稳定性和鲁棒性。
请参照图6，图6为本申请所提供的一种永磁同步电机的控制装置的结构示意图，该控制装置包括：
获取模块11，用于获取实际母线电压，当实际母线电压满足控制条件，根据实际母线电压获取初始电角度调整量；
计算模块12，用于计算当前电角度调整梯度，利用当前电角度调整梯度和初始电角度调整量得到实际电角度调整量；
控制模块13，用于通过电流环控制器根据实际电角度调整量和实际角度控制电机运行，以抑制母线电压上升。
本实施例在实际母线电压满足控制条件，计算电角度调整量，以便电流控制器根据电角度调整量与实际角度控制电机运行，从而将全部用于产生力矩的电流，分出与电角度调整量对应的一部分产生励磁的电流，即存在转子磁通方向上的电流消耗，进而降低母线电压。本申请不需要设置外部泄能电路，通过软件控制的方案即可有效抑制电机制动时母线电压上升，保证母线电压稳定。同时在生成电角度调整量时通过当前电角度调整梯度进行限制，以避免电角度调整量变化太快，即转动惯量太大时影响制动控制效果的问题，保证在任何条件下都能实现快速制动，提升了系统的稳定性和鲁棒性。
作为一种优选的实施例，控制条件包括实际母线电压大于预设介入电压。
作为一种优选的实施例，获取模块11具体包括：
获取单元，用于获取实际母线电压；
第一计算单元，用于当实际母线电压满足控制条件，获取实际母线电压和预设介入电压的压差；
第二计算单元，用于根据压差确定初始电角度调整量。
作为一种优选的实施例，获取单元具体用于：
通过电阻分压装置获取实际母线电压。
作为一种优选的实施例，计算当前电角度调整梯度的过程具体为：
根据当前电机转速计算当前电角度调整梯度。
作为一种优选的实施例，获取单元具体用于：
按获取周期获取母线电压AD采样值；
根据电阻分压装置对应的电阻分压比例及所述母线电压AD采样值计算实际母线电压。
作为一种优选的实施例，利用当前电角度调整梯度和初始电角度调整量得到实际电角度调整量的过程具体为：
根据当前获取周期获取到的实际母线电压计算当前初始电角度调整量；
判断当前初始电角度调整量是否大于当前目标电角度调整量，其中，当前目标电角度调整量为上一获取周期对应的实际电角度调整量和当前电角度调整梯度的和；
若是，则将当前目标电角度调整量作为实际电角度调整量；
若否，则将当前初始电角度调整量作为实际电角度调整量。
另一方面，本申请还提供了一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上文任意一个实施例所描述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
本申请所提供的一种电子设备，具有和上述永磁同步电机的控制方法相同的有益效果。
对于本申请所提供的一种电子设备的介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。
另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上文任意一个实施例所描述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
本申请所提供的一种计算机可读存储介质，具有和上述永磁同步电机的控制方法相同的有益效果。
对于本申请所提供的一种计算机可读存储介质的介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的控制方法，其特征在于，包括：
获取实际母线电压，当所述实际母线电压满足控制条件，根据所述实际母线电压获取初始电角度调整量；
计算当前电角度调整梯度，利用当前电角度调整梯度和所述初始电角度调整量得到实际电角度调整量；
通过电流环控制器根据所述实际电角度调整量和实际角度控制电机运行，以抑制母线电压上升。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述控制条件包括所述实际母线电压大于预设介入电压。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述根据所述实际母线电压获取初始电角度调整量的过程包括：
获取所述实际母线电压和所述预设介入电压的压差；
根据所述压差确定初始电角度调整量。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述获取实际母线电压的过程具体为：
通过电阻分压装置获取实际母线电压。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述计算当前电角度调整梯度的过程具体为：
根据当前电机转速计算当前电角度调整梯度。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述获取实际母线电压的过程具体为：
按获取周期获取母线电压AD采样值；
根据电阻分压装置对应的电阻分压比例及所述母线电压AD采样值计算实际母线电压。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述利用当前电角度调整梯度和所述初始电角度调整量得到实际电角度调整量的过程具体为：
根据当前获取周期获取到的实际母线电压计算当前初始电角度调整量；
判断当前初始电角度调整量是否大于当前目标电角度调整量，其中，当前目标电角度调整量为上一获取周期对应的实际电角度调整量和当前电角度调整梯度的和；
若是，则将当前目标电角度调整量作为所述实际电角度调整量；
若否，则将当前初始电角度调整量作为所述实际电角度调整量。
8.一种永磁同步电机的控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取实际母线电压，当所述实际母线电压满足控制条件，根据所述实际母线电压获取初始电角度调整量；
计算模块，用于计算当前电角度调整梯度，利用当前电角度调整梯度和所述初始电角度调整量得到实际电角度调整量；
控制模块，用于通过电流环控制器根据所述实际电角度调整量和实际角度控制电机运行，以抑制母线电压上升。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任意一项所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
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