CN111435823B - 一种电机的控制方法及控制系统 - Google Patents

一种电机的控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及电机控制技术领域，具体公开一种电机的控制方法及控制系统，包括：电机励磁之后，检测并获取所述电机的直轴电感和交轴电感；根据电流环传递函数建立所述电机的电流环传递函数模型；根据预设公式计算所述电机的定子电感；根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述电机输出的PWM频率；根据所述频率对所述电机进行矢量控制。这一过程中可根据电感值的不同对PWM输出频率进行动态的调整，以对电机电流纹波进行抑制，达到提高控制电机的效果及降低电机电流纹波的目的。

Description

一种电机的控制方法及控制系统
技术领域
本申请涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机的控制方法及控制系统。
背景技术
最年来，在无人车、无人机、协作机器人、服务型机器人等技术的发展下，伺服驱动技术的应用范围也越来越广泛，其中，低压伺服电机的应用领域也越发的广阔。不同领域中对电机自身的特性也会有不同的要求，例如协作机器人、无人机等中安装的电机一般要求体积小、功率密度高、低速高扭矩或者高转速等性能。在这种应用需求下空心杯电机以其高功率密度、高转速、低惯量的特点应用越发的广泛。
现有的低压伺服电机，特别是电感较小的空心杯电机驱动技术PWM频率为10KHZ-20KHZ，一些可以达到40KHZ，由于驱动器对电机电感电机缺乏自动辨识功能，导致驱动器只能以用户设定的固定参数运行，由于空心杯电机相比永磁式转子的无刷直流电机电感电机小很多，以同样PWM频率控制空心杯电机就会导致电机电流纹波过大，直接导致电机负载能力不足以及影响电机寿命。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种电机的控制方法及控制系统空，以解决现有技术中PWM频率控制空心杯电机时电机电流纹波过大，导致电机负载能力不足以及影响电机寿命的问题。
本申请实施例第一方面提供了一种电机的控制方法，所述电机的控制方法包括：
电机励磁之后，检测并获取所述电机的直轴电感和交轴电感；
根据电流环传递函数建立所述电机的电流环传递函数模型；
根据预设公式计算所述电机的定子电感；
根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述电机输出的PWM频率；
根据所述频率对所述电机进行矢量控制。
可选地，所述检测并获取所述电机的直轴电感，包括：
通过逆变器向电机施加一个固定的空间矢量电压；
待所述电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态，记录所述电流达到稳定状态的时间td；
根据永磁同步电机电压方程以及预设的所述电流与时间td的关系计算所述电机的直轴电感Ld。
可选地，所述检测并获取所述电机的交轴电感，包括：
通过逆变器向电机施加固定的空间矢量电压；
待所述电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态时，记录所述电流达到稳定状态的时间tq；
根据所述交流电感与所述空间矢量电压所述以及预设的所述电流与时间tq的关系计算所述电机的交轴电感Lq。
可选地，所述根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述电机输出的PWM频率，包括：
获取所述电机运行时的相电势；
由所述相电势、所述定子电感和所述电流环传递函数模型计算所述电机输出的PWM频率。
可选地，在所述检测并获取所述电机的直轴电感和交轴电感之后还包括：
根据所述直轴电感和所述交轴电感判断所述电机是否为预设类型的电机。
本申请实施例第二方面提供了一种电机的控制系统，所述电机的控制系统包括：
电感获取模块，用于在电机励磁之后，检测并获取所述电机的直轴电感和交轴电感。
模型建立模块，用于根据电流环传递函数建立所述电机的电流环传递函数模型。
计算模块，用于根据预设公式计算所述电机的定子电感，并根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述电机输出的PWM频率。
控制模块，用于根据所述频率对所述电机进行矢量控制。
可选地，所述电感获取模块具体用于：
通过逆变器向电机施加一个固定的空间矢量电压；
待所述电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态，记录所述电流达到稳定状态的时间td；
根据永磁同步电机电压方程以及预设的所述电流与时间td的关系计算所述电机的直轴电感Ld。
可选地，所述电感获取模块还用于：
通过逆变器向电机施加固定的空间矢量电压；
待所述电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态时，记录所述电流达到稳定状态的时间tq；
根据所述交流电感与所述空间矢量电压以及预设的所述电流与时间tq的关系计算所述电机的交轴电感Lq。
可选地，所述计算模块具体用于：
获取所述电机运行时的相电势；
由所述相电势、所述定子电感和所述电流环传递函数模型计算所述电机输出的PWM频率。
可选地，所述电机的控制系统还包括：
判断模块，用于根据所述直轴电感和所述交轴电感判断所述电机是否为预设类型的电机。
本申请提供的实施例中在电机励磁之后，获取电机的直轴电感和交轴电感，并建立电机的电流环传递函数模型，然后根据预设的公式计算出电机的定子电感，由定子电感和建立的电流环传递函数确定电机输出的PWM频率，从而实现根据PWM频率对电机进行矢量控制的目的。这一过程中可根据电感值的不同对PWM输出频率进行动态的调整，以对电机电流纹波进行抑制，达到提高控制电机的效果及降低电机电流纹波的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本申请实施例提供的一种电机的控制方法的实现流程示意图；
图2是本申请提供的实施例中所创建的电流环传递函数模型的示意图；
图3是本申请实施例提供的直轴电流和交轴电流随时间变化的示意图；
图4是本申请实施例提供的一种电机的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请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用以解释本申请，而不构成对本申请的限制。
本申请提供的实施例中在电机励磁之后，获取电机的直轴电感和交轴电感，并建立电机的电流环传递函数模型，然后根据预设的公式计算出电机的定子电感，由定子电感和建立的电流环传递函数确定电机输出的PWM频率，从而实现根据PWM频率对电机进行矢量控制的目的。
为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
图1示出了本申请实施例提供的一种回环闭合方法的实现流程示意图，包括步骤S11-步骤S15，其中：
步骤S11，电机励磁之后，检测并获取所述电机的直轴电感和交轴电感。
本申请提供的实施例中驱动器驱动一台电机，控制电机励磁之后，首先辨识出电机定子的直轴电感和定子的交轴电感。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述检测并获取所述电机的直轴电感，包括：
通过逆变器向电机施加一个固定的空间矢量电压；
待所述电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态，记录所述电流达到稳定状态的时间td；
根据永磁同步电机电压方程以及预设的所述电流与时间td的关系计算所述电机的直轴电感Ld。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述检测并获取所述电机的交轴电感，包括：
通过逆变器向电机施加固定的空间矢量电压；
待所述电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态时，记录所述电流达到稳定状态的时间tq；
根据所述交流电感与所述空间矢量电压以及预设的所述电流与时间tq的关系计算所述电机的交轴电感Lq。
具体地，在电机定子的直轴电感Ld的检测辨识中，通过给逆变器对电机施加一个固定空间矢量电压和一个零矢量，电机电流在所施加的电压下可以很快机会达到一个稳态，如图2所示。
根据永磁同步电机电压方程：
Figure GDA0003597548070000051
可以得到：
Figure GDA0003597548070000052
式中：ud为所施加的空间矢量电压，Rs为定子电阻。如图3所示，通过id与时间t之间的关系可以计算得到直轴电感L，也就是说通过施加空间矢量电压ud后记录电流达到稳定的时间td，便可根据td计算出直轴电感Ld。同理根据上述永磁同步电机电压方程可得到：
Figure GDA0003597548070000053
采用上述计算直轴电感的方法，向电机施加一个空间矢量电压，从而可根据上述公式计算出交轴电感Lq。
可选地，在所述检测并获取所述电机的直轴电感和交轴电感之后还包括：根据所述直轴电感和所述交轴电感判断所述电机是否为预设类型的电机。上述预设类型的电机包括空心杯电机，可以在获取交轴电感和直轴电感之后，根据交轴电感和直轴电感的大小判断电机是否为空心杯电机。若是再进行后续步骤。
步骤S12，根据电流环传递函数建立所述电机的电流环传递函数模型。
该步骤中根据电机控制理论，电机定子电感参数作为电机控制环路中的变量对电机的电流环调节有着重要的作用及影响，所以建立电机的电流环模型以量化电机定子参数和电流控制器参数之间的关系。
根据永磁同步电机电压方程：
Figure GDA0003597548070000054
其中：ud，uq分别为电机直轴电压分量和交轴电压分量；Rs为定子电阻；L为定子电感；id，iq分别为电机直轴电流和交轴电流；ωs为电源角频率；ωe为机械角速度；
Figure GDA0003597548070000061
为转子磁链。
由于电机转速的变化比电流慢很多，所以电机电流环控制对象可以等效为一个一阶惯性环节，即
Figure GDA0003597548070000062
从而得到电压电流的传递函数
Figure GDA0003597548070000063
PI调节器的传递函数为
Figure GDA0003597548070000064
进而得到电流环传递函数模型，如图3所示：取
Figure GDA0003597548070000065
则闭环系统传递函数为：
Figure GDA0003597548070000066
其中，Kp为电流环比例系数；Ki为电流环积分系数；Rs为定子电阻；L为定子电感。可以看出电机定子电感对电流环控制的优劣有着直接的影响。该步骤中建立电流环传递函数模型，以便后续计算电机的PWM频率。
步骤S13，根据预设公式计算所述电机的定子电感。
该步骤中根据预设公式计算出电机的电子电感，上述预设公式可由用户根据电机类型进行选择，在选定预设公式后结合上述直轴电感和交轴电感计算出电机的定子电感。
步骤S14，根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述电机输出的PWM频率。
可选地，所述根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述电机输出的PWM频率，包括：
获取所述电机运行时的相电势；
由所述相电势、所述定子电感和所述电流环传递函数模型计算所述电机输出的PWM频率。
步骤S15，根据所述频率对所述电机进行矢量控制。
该步骤中根据自动辨识得到的电机定子电感值对矢量控制的PWM输出频率在8KHZ-60KHZ之间进行动态设置，进而实现动态匹配电机电感的控制方法对电机进行矢量控制。
本申请提供的实施例中在电机励磁之后，获取电机的直轴电感和交轴电感，并建立电机的电流环传递函数模型，然后根据预设的公式计算出电机的定子电感，由定子电感和建立的电流环传递函数确定电机输出的PWM频率，从而实现根据PWM频率对电机进行矢量控制的目的。这一过程中可根据电感值的不同对PWM输出频率进行动态的调整，以对电机电流纹波进行抑制，达到提高控制电机的效果及降低电机电流纹波的目的。
实施例二：
图4示出了本申请另一实施例提供的一种电机的控制系统的结构示意图，该电机的控制系统包括：
电感获取模块41，用于在电机励磁之后，检测并获取所述电机的直轴电感和交轴电感；
模型建立模块42，用于根据电流环传递函数建立所述电机的电流环传递函数模型；
计算模块43，用于根据预设公式计算所述电机的定子电感，并根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述电机输出的PWM频率；
控制模块44，用于根据所述频率对所述电机进行矢量控制。
可选地，所述电感获取模块41具体用于：
通过逆变器向电机施加一个固定的空间矢量电压；
待所述电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态，记录所述电流达到稳定状态的时间td；
根据永磁同步电机电压方程以及预设的所述电流与时间td的关系计算所述电机的直轴电感Ld。
可选地，所述电感获取模块41还用于：
通过逆变器向电机施加固定的空间矢量电压；
待所述电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态时，记录所述电流达到稳定状态的时间tq；
根据所述交流电感与所述空间矢量电压以及预设的所述电流与时间tq的关系计算所述电机的交轴电感Lq。
可选地，所述计算模块43具体用于：
获取所述电机运行时的相电势；
由所述相电势、所述定子电感和所述电流环传递函数模型计算所述电机输出的PWM频率。
可选地，所述电机的控制系统还包括：
判断模块，用于根据所述直轴电感和所述交轴电感判断所述电机是否为预设类型的电机。
本申请提供的实施例中在电机励磁之后，获取电机的直轴电感和交轴电感，并建立电机的电流环传递函数模型，然后根据预设的公式计算出电机的定子电感，由定子电感和建立的电流环传递函数确定电机输出的PWM频率，从而实现根据PWM频率对电机进行矢量控制的目的。这一过程中可根据电感值的不同对PWM输出频率进行动态的调整，以对电机电流纹波进行抑制，达到提高控制电机的效果及降低电机电流纹波的目的。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种空心杯电机的控制方法，其特征在于，所述空心杯电机的控制方法包括：
空心杯电机励磁之后，检测并获取所述空心杯电机的直轴电感和交轴电感；
根据电流环传递函数建立所述空心杯电机的电流环传递函数模型；
根据预设公式计算所述空心杯电机的定子电感；
根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述空心杯电机输出的PWM频率；
根据所述频率对所述空心杯电机进行矢量控制；
其中：所述根据电流环传递函数建立所述空心杯电机的电流环传递函数模型，包括：
根据永磁同步电机电压方程：
Figure FDA0003597548060000011
其中：ud，uq分别为电机直轴电压分量和交轴电压分量；Rs为定子电阻；L为定子电感；id，iq分别为电机直轴电流和交轴电流；ωs为电源角频率；ωe为机械角速度；
Figure FDA0003597548060000012
为转子磁链；
由于电机转速的变化比电流慢很多，所以电机电流环控制对象可以等效为一个一阶惯性环节，即
Figure FDA0003597548060000013
从而得到电压电流的传递函数
Figure FDA0003597548060000014
PI调节器的传递函数为
Figure FDA0003597548060000015
进而得到电流环传递函数模型，取
Figure FDA0003597548060000016
则闭环系统传递函数为：
Figure FDA0003597548060000017
其中，Kp为电流环比例系数；Ki为电流环积分系数；Rs为定子电阻；L为定子电感；
所述根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述空心杯电机输出的PWM频率，包括：
获取所述空心杯电机运行时的相电势；
由所述相电势、所述定子电感和所述电流环传递函数模型计算所述空心杯电机输出的PWM频率。
2.如权利要求1所述的空心杯电机的控制方法，其特征在于，所述检测并获取所述空心杯电机的直轴电感，包括：
通过逆变器向空心杯电机施加一个固定的空间矢量电压；
待所述空心杯电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态，记录所述电流达到稳定状态的时间td；
根据永磁同步空心杯电机电压方程以及预设的所述电流与时间td的关系计算所述空心杯电机的直轴电感Ld。
3.如权利要求1所述的空心杯电机的控制方法，其特征在于，所述检测并获取所述空心杯电机的交轴电感，包括：
通过逆变器向空心杯电机施加固定的空间矢量电压；
待所述空心杯电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态时，记录所述电流达到稳定状态的时间tq；
根据交流电感与所述空间矢量电压以及预设的所述电流与时间tq的关系计算所述空心杯电机的交轴电感Lq。
4.如权利要求1-3任一项所述的空心杯电机的控制方法，其特征在于，在所述检测并获取所述空心杯电机的直轴电感和交轴电感之后还包括：
根据所述直轴电感和所述交轴电感判断所述空心杯电机是否为预设类型的空心杯电机。
5.一种利用权利要求1所述空心杯电机的控制方法的空心杯电机的控制系统，其特征在于，所述空心杯电机的控制系统包括：
电感获取模块，用于在空心杯电机励磁之后，检测并获取所述空心杯电机的直轴电感和交轴电感；
模型建立模块，用于根据电流环传递函数建立所述空心杯电机的电流环传递函数模型；
计算模块，用于根据预设公式计算所述空心杯电机的定子电感，并根据所述定子电感和所述电流环传递函数模型确定所述空心杯电机输出的PWM频率；
控制模块，用于根据所述频率对所述空心杯电机进行矢量控制；
其中：所述计算模块具体用于：
获取所述空心杯电机运行时的相电势；
由所述相电势、所述定子电感和所述电流环传递函数模型计算所述空心杯电机输出的PWM频率。
6.如权利要求5所述的空心杯电机的控制系统，其特征在于，所述电感获取模块具体用于：
通过逆变器向空心杯电机施加一个固定的空间矢量电压；
待所述空心杯电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态，记录所述电流达到稳定状态的时间td；
根据永磁同步空心杯电机电压方程以及预设的所述电流与时间td的关系计算所述空心杯电机的直轴电感Ld。
7.如权利要求5所述的空心杯电机的控制系统，其特征在于，所述电感获取模块还用于：
通过逆变器向空心杯电机施加固定的空间矢量电压；
待所述空心杯电机的电流在所述空间矢量电压下达到稳定状态时，记录所述电流达到稳定状态的时间tq；
根据交流电感与所述空间矢量电压以及预设的所述电流与时间tq的关系计算所述空心杯电机的交轴电感Lq。
8.如权利要求5-7任一项所述的空心杯电机的控制系统，其特征在于，所述空心杯电机的控制系统还包括：
判断模块，用于根据所述直轴电感和所述交轴电感判断所述空心杯电机是否为预设类型的空心杯电机。
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