CN111682826A - 一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，包括分别通过直流电压传感器和直流电流传感器采集与电机相连的三相整流‑逆变系统直流母线上的电压信号和电流信号，通过电动机的矢量控制产生PWM信号来控制逆变器三相桥臂的开关状态，跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流‑逆变系统输出端三相交流电压信号和电流信号，根据重构出的三相交流电压信号和电流信号，进行三相逆变系统的有功功率计算，再通过重构出的有功功率和电动机的转速来进行电动机扭矩的计算。本发明通过交流侧重构来得到三相电压电流，避免了使用多个交流传感器，降低了系统复杂度，减小了系统误差，且适合集成化,简单易行，可以应用到工业现场。

Description

一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法
技术领域
本发明涉及一种电机输出扭矩。特别是涉及一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法。
背景技术
负载模拟试验系统，是对实际负载进行动力学模拟的系统，其中电动式负载模拟试验系统其具有能量体积比大、可能量回馈、动态响应快及可靠性高等优点，且该试验平台具有通用性，其控制策略可以应用于任何目标的负载模拟，是国内外的研究热点。
电动式负载模拟试验系统利用电动机作为机械能与电能间能量交换的器件。以扭矩的表现形式对目标设备进行加载，继而实现对实际负载的模拟，其实质是一种扭矩伺服控制系统。在负载模拟试验系统中，对电动机扭矩的处理与控制是其中的重要部分。目前，电机扭矩的控制方式主要有两种，一种是直接转矩控制方式，另一种是传统矢量控制方式。在直接转矩控制中，由于扭矩计算值与扭矩指令的差值将直接参与指令的形成，可见，准确计算扭矩值是实现其良好控制的基本要求。在传统矢量控制中，虽然扭矩的计算值不参与控制算法，但为了改善扭矩脉动现象，可以将扭矩的计算值反馈回来，根据其与扭矩指令的差值对后续的电流指令进行补偿，从而形成扭矩的闭环控制，因此，对电机扭矩的实时估计是十分重要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够降低系统复杂度，减小系统误差的基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，包括分别通过直流电压传感器和直流电流传感器采集与电机相连的三相整流-逆变系统直流母线上的电压信号和电流信号，通过电动机的矢量控制产生PWM信号来控制逆变器三相桥臂的开关状态，跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电压信号和电流信号，根据重构出的三相交流电压信号和电流信号，进行三相逆变系统的有功功率计算，再通过重构出的有功功率和电动机的转速来进行电动机扭矩的计算。
所述的跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电压信号，是根据如下公式：
Figure BDA0002500976780000011
其中，T1、T2、T3分别表示一个周期Ts内上半桥三个功率管给定的瞬时相电压占空比；Vd表示直流母线上的电压；Uan、Ubn、Ucn分别表示重构出的A相、B相、C相电压。
所述的跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电流信号，是根据在逆变器三相桥臂的不同开关状态下，逆变器直流侧电流与交流侧电流的对应关系得到：
(1)桥臂开关状态为100时，直流母线电流对应+A相电流+ia；桥臂开关状态为101时，直流母线电流对应-B相电流(-ib)；桥臂开关状态为001时，直流母线电流对应+C相电流(+ic)；桥臂开关状态为011时，直流母线电流对应-A相电流(-ia)；桥臂开关状态为010时，直流母线电流对应+B相电流(+ib)；桥臂开关状态为110时，直流母线电流对应-C相电流(-ic)；桥臂开关状态为000和111时，直流母线电流不对应任何相电流；
(2)首先得到任意两相电流，根据ia+ib+ic＝0得到第三相电流，即重构出三相交流电流信号。
所述的进行三相逆变系统的有功功率计算，是根据重构出的三相交流电压信号和电流信号以及二者之间的相位差，计算得到输出至电动机的有功功率P，公式如下：
Figure BDA0002500976780000021
其中，
Figure BDA0002500976780000022
为重构出的输出端的三相电压电流相位差，In和Un分别为重构出的三相交流电流信号和电压信号。
所述的进行电动机扭矩的计算，包括：
(1)通过设置在电机轴上的编码器的编码数量m，以及检测编码器每秒输出的脉冲数N，得到电机转速n的计算公式如下：
Figure BDA0002500976780000023
(2)根据电机转速n、重构出的有功功率P，采用如下公式得到电动机扭矩T：
Figure BDA0002500976780000024
本发明的一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，通过采用逆变器交流侧电压电流的重构来进行有功功率计算的基础上，实现对电动机机械扭矩的计算。本发明采用直流传感器对直流母线电压电流进行测量，通过交流侧重构来得到三相电压电流，避免了使用多个交流传感器，降低了系统复杂度，减小了系统误差，且适合集成化。以重构为基础来完成电动机扭矩的估算，避免了输出动力轴串联扭矩传感器的问题，可以应用到工业现场，简单易行，具有非常高的现实意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电机扭矩估算方法的功能框图；
图2是本发明实施例提供的系统硬件电路结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法做出详细说明。
本发明的一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，包括分别通过直流电压传感器和直流电流传感器采集与电机相连的三相整流-逆变系统(AC-DC-AC系统)直流母线上的电压信号和电流信号，通过电动机的矢量控制产生PWM信号来控制逆变器三相桥臂的开关状态，跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电压信号和电流信号，根据重构出的三相交流电压信号和电流信号，进行三相逆变系统的有功功率计算，再通过重构出的有功功率和电动机的转速来进行电动机扭矩的计算。
如图1所示，接通交流电源为系统供电，通过整流模块实现信号的AC-DC变换，通过逆变器模块实现信号的DC-AC变换为电机供电；在直流母线上利用直流电流传感器和直流电压传感器完成逆变器直流侧电压电流信号的采集，并通过重构得到逆变器交流出的电压电流信号，进一步可以计算逆变器输出至电动机的有功功率；电动机带动负载转动，通过编码器测得电动机转速，结合计算出的有功功率便可以估算出电动机输出的机械扭矩。其中：
所述的跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电压信号，是根据如下公式：
Figure BDA0002500976780000031
其中，T1、T2、T3分别表示一个周期Ts内上半桥三个功率管给定的瞬时相电压占空比；Vd表示直流母线上的电压；Uan、Ubn、Ucn分别表示重构出的A相、B相、C相电压。
所述的跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电流信号，是根据在逆变器三相桥臂的不同开关状态下，逆变器直流侧电流与交流侧电流的对应关系得到：
(1)桥臂开关状态为100时，直流母线电流对应+A相电流+ia；桥臂开关状态为101时，直流母线电流对应-B相电流(-ib)；桥臂开关状态为001时，直流母线电流对应+C相电流(+ic)；桥臂开关状态为011时，直流母线电流对应-A相电流(-ia)；桥臂开关状态为010时，直流母线电流对应+B相电流(+ib)；桥臂开关状态为110时，直流母线电流对应-C相电流(-ic)；桥臂开关状态为000和111时，直流母线电流不对应任何相电流；如表1所示：
表1
开关状态(100)(101)(001)(011)(010)(110)(000)(111)
对应相电流+ia-ib+ic-ia+ib-ic00
(2)首先得到任意两相电流，根据ia+ib+ic＝0得到第三相电流，即重构出三相交流电流信号。
所述的进行三相逆变系统的有功功率计算，是根据重构出的三相交流电压信号和电流信号以及二者之间的相位差，计算得到输出至电动机的有功功率P，公式如下：
Figure BDA0002500976780000032
其中，
Figure BDA0002500976780000041
为重构出的输出端的三相电压电流相位差，In和Un分别为重构出的三相交流电流信号和电压信号。
所述的进行电动机扭矩的计算，包括：
(1)通过设置在电机轴上的编码器的编码数量m，以及检测编码器每秒输出的脉冲数N，得到电机转速n的计算公式如下：
Figure BDA0002500976780000042
(2)根据电机转速n、重构出的有功功率P，采用如下公式得到电动机扭矩T：
Figure BDA0002500976780000043
图2是本发明实施例系统硬件电路结构图，具体地，实验时采用220V交流电源供电，其中交流输入的一部分经过整流模块实现AC-DC变换，输出平滑的直流电，再通过逆变器模块实现AC-DC变换输出三相交流为电动机供电带动负载转动。交流输入的另一部分经过开关电源，其中一部分通过隔离电源分别为DSP和逆变器中的IPM模块供电。在直流母线上通过直流电压、电流传感器得到直流母线的电压和电流信号，经过反馈信号接口将以上信号传输至DSP，在DSP内部进行计算，即可得到重新构造的交流侧电压电流波形。使用编码器来测量电机的转速，对于编码器输出的六对差分信号，通过差分接收器，将转速位置的差分信号转成单端信号，输入至DSP中。经过DSP内部正交解码模块，将其中ABZ三路差分信号转换成对应的转速信号。由上述DSP重构得到的三相电压电流波形计算可得出有功功率，再结合上述DSP采集到的电机转速信号，采用DSP内部设置的扭矩计算模型进行计算，实现对电机实时扭矩的估算。DSP通过串口通讯将计算得到的电机扭矩等数据在屏幕上进行实时显示。同时，DSP产生PWM信号送至逆变器功率管的驱动电路，来实现电动机的闭环控制。
本发明实施例以以下选型为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
选择整流电路使用不可控硅整流模块，逆变器选型方面选用FSBB30CH60，直流电流传感器选择CHB-25NP/SP9闭环霍尔电流传感器，直流电压传感器选用了HV300GB霍尔电压传感器，DSP芯片选用TMS320F28335，选用的电机为森创公司的系列的交流伺服电机80CB075C-500000，此电机自带光电增量式编码器。
显然，以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，其特征在于，包括分别通过直流电压传感器和直流电流传感器采集与电机相连的三相整流-逆变系统直流母线上的电压信号和电流信号，通过电动机的矢量控制产生PWM信号来控制逆变器三相桥臂的开关状态，跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电压信号和电流信号，根据重构出的三相交流电压信号和电流信号，进行三相逆变系统的有功功率计算，再通过重构出的有功功率和电动机的转速来进行电动机扭矩的计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，其特征在于，所述的跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电压信号，是根据如下公式：
Figure FDA0002500976770000011
其中，T1、T2、T3分别表示一个周期Ts内上半桥三个功率管给定的瞬时相电压占空比；Vd表示直流母线上的电压；Uan、Ubn、Ucn分别表示重构出的A相、B相、C相电压。
3.根据权利要求1所述的一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，其特征在于，所述的跟据三相桥臂开关状态重构出三相整流-逆变系统输出端三相交流电流信号，是根据在逆变器三相桥臂的不同开关状态下，逆变器直流侧电流与交流侧电流的对应关系得到：
(1)桥臂开关状态为100时，直流母线电流对应+A相电流+ia；桥臂开关状态为101时，直流母线电流对应-B相电流(-ib)；桥臂开关状态为001时，直流母线电流对应+C相电流(+ic)；桥臂开关状态为011时，直流母线电流对应-A相电流(-ia)；桥臂开关状态为010时，直流母线电流对应+B相电流(+ib)；桥臂开关状态为110时，直流母线电流对应-C相电流(-ic)；桥臂开关状态为000和111时，直流母线电流不对应任何相电流；
(2)首先得到任意两相电流，根据ia+ib+ic＝0得到第三相电流，即重构出三相交流电流信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，其特征在于，所述的进行三相逆变系统的有功功率计算，是根据重构出的三相交流电压信号和电流信号以及二者之间的相位差，计算得到输出至电动机的有功功率P，公式如下：
Figure FDA0002500976770000012
其中，
Figure FDA0002500976770000013
为重构出的输出端的三相电压电流相位差，In和Un分别为重构出的三相交流电流信号和电压信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于电参量重构的电机输出扭矩估算方法，其特征在于，所述的进行电动机扭矩的计算，包括：
(1)通过设置在电机轴上的编码器的编码数量m，以及检测编码器每秒输出的脉冲数N，得到电机转速n的计算公式如下：
Figure FDA0002500976770000021
(2)根据电机转速n、重构出的有功功率P，采用如下公式得到电动机扭矩T：
Figure FDA0002500976770000022
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