CN112928954A - 一种无位置传感器的电机控制方法及系统 - Google Patents

一种无位置传感器的电机控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无位置传感器的电机控制方法及系统，所述方法包括：检测电机的三相电流，经过坐标变换得到α,β轴的电流和电压；计算α,β轴的反电动势；根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值；将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差，将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差，通过PID控制实现对电机的转速和转角的控制。本发明的无位置传感器的电机控制方法，能够在没有位置传感器的情况下实现电机速度和位置的控制。

Description

一种无位置传感器的电机控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机电控制领域，具体涉及一种无位置传感器的电机控制方法及系统。
背景技术
电机在航空领域的应用包括：
1)卫星上天线展开机构、位姿控制系统；
2)飞船上空调系统、仪表随动系统、机械臂系统；
3)月球车上的驱动系统、展开机构；
4)各种生命保障系统、转化泵系统、冷却系统、推进系统、布署/回收系统、空间机器人系统等等。
航天领域常用电机转动机构组合形式包括：步进电机和机械式传感器，同步电机和机械式传感器；其中电机提供转动力矩，机械式传感器提供位置信号。
而机械式位置传感器存在以下问题：
1)加大了电机空间尺寸和重量，增加电机转子轴上的转动惯量，某些高精度传感器的重量甚至超过电机本身。
2)增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，增加了控制电路的复杂度，降低了可靠性。
3)受机械传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速系统不能广泛适应各种场合。
4)机械传感器及其辅助电路增加了调速系统的成本，某些高精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。
无刷直流电机的控制往往需要在电机轴上安装位置传感器。由此带来体积和重量的增加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种无需位置传感器的电机控制方法，可以实现无位置传感器的电机控制。
为实现上述目的，本发明提出了一种无位置传感器的电机控制方法，所述方法包括：
检测电机的三相电流，经过坐标变换得到α,β轴的电流和电压；
计算α,β轴的反电动势；
根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；
对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值；
将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差，将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差，通过PID控制实现对电机的转速和转角的控制。
作为上述方法的一种改进，所述计算α,β轴的反电动势；具体为：
计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ：
Figure BDA0002306695350000021
Figure BDA0002306695350000022
其中，iα,iβ为α,β轴的电流，uα,uβ为α,β轴的电压；Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感；
Figure BDA0002306695350000023
为α,β轴的电流误差；ωe为计算出的电机角速度；R为电阻；
Figure BDA0002306695350000024
分别为α,β轴的定子电流；K为滑模观测器正增益系数；sat(s)为正弦型饱和函数；s为滑模面；Δ为边界层。
作为上述方法的一种改进，所述根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；具体包括：
根据α,β轴的反电动势Eα,Eβ，以及电机角速度ωe，根据下述电机估计转速方程：
Figure BDA0002306695350000025
得到α,β轴的反电动势估计值
Figure BDA0002306695350000026
以及电机转速的估计值
Figure BDA0002306695350000027
其中l为电感。
本发明还提供了一种无位置传感器的电机控制系统，所述系统包括：单片机、检测模块、计算模块和PID控制器；
所述单片机中存储设定的电机转速与电机转角；
检测模块，用于检测电机的三相电流；
计算模块，用于过坐标变换得到α,β轴的电流和电压；计算α,β轴的反电动势；根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值；将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差，将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差；
PID控制器，用于基于转速偏差和转角偏差实现对电机的转速和转角的控制。
作为上述系统的一种改进，所述计算α,β轴的反电动势；具体为：
计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ：
Figure BDA0002306695350000031
Figure BDA0002306695350000032
其中，iα,iβ为α,β轴的电流，uα,uβ为α,β轴的电压；Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感；
Figure BDA0002306695350000033
为α,β轴的电流误差；ωe为计算出的电机角速度；R为电阻；
Figure BDA0002306695350000034
分别为α,β轴的定子电流；K为滑模观测器正增益系数；sat(s)为正弦型饱和函数；s为滑模面；Δ为边界层。
作为上述系统的一种改进，所述根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；具体包括：
根据α,β轴的反电动势Eα,Eβ，以及电机角速度ωe，根据下述电机估计转速方程：
Figure BDA0002306695350000041
得到α,β轴的反电动势估计值
Figure BDA0002306695350000042
以及电机转速的估计值
Figure BDA0002306695350000043
其中l为电感。
本发明的优势在于：
1、本发明的无位置传感器的电机控制方法，能够在没有位置传感器的情况下实现电机速度和位置的控制；
2、本发明的方法适用于对位置精度要求不高、但对体积重量要求较高的场合；
3、本发明实现了一种无位置传感器的电机控制系统，该系统减少电机的体积和重量，具有轻便和小巧的优点。
附图说明
图1为本发明的无位置传感器的电机控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
在常见的直流无刷电机控制中，往往在电机轴上加装位置传感器，通过检测转子位置并传给计算机，计算出转子角度、转速等信息。本发明采用不同于传统电机的控制方式，不使用位置传感器，就可以实现对电机转子位置和速度的控制，实现了无位置传感器的电机控制方法。
无位置传感器电机控制系统的原理为：电机反电动势中包含了转子的位置和速度信息，通过采集三相电机的相电流，估算转子位置，对位置进行微分，得出速度。估算转子位置采用卡尔曼滤波法。
如图1所示，本发明提出了一种无位置传感器的电机控制方法，包括：
步骤1)检测电机的三相电流ia,ib,ic，经过坐标变换得到α,β轴的电流iα,iβ，并得到α,β轴的电压uα,uβ；
三相电流ia,ib,ic涉及abc三轴坐标系，轴之间的夹角120°；使用复数坐标系表示，相位相隔120°；通过坐标变换，变成直角坐标系αβ下的夹角90°的电流iα,iβ；相位相隔90°。
步骤2)计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ：
Figure BDA0002306695350000051
Figure BDA0002306695350000052
其中，Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感；
Figure BDA0002306695350000053
为α,β轴的电流误差；ωe为计算出的电机角速度；R为电阻；
Figure BDA0002306695350000054
分别为α,β轴的定子电流；K为滑模观测器正增益系数；sat(s)为正弦型饱和函数；s为滑模面；Δ为边界层；
步骤3)根据反电动势Eα,Eβ，根据以下电机估计转速方程
Figure BDA0002306695350000055
得到α,β轴的反电动势估计值
Figure BDA0002306695350000056
以及电机转速的估计值
Figure BDA0002306695350000057
其中l为电感。
步骤4)根据估计的转速计算估计的转角
Figure BDA0002306695350000058
Figure BDA0002306695350000059
步骤5)将设定的转速与转角与当前估计的转速与转角分别相减，得到偏差，通过PID控制可以实现对电机的转速和转角的控制，构成转速、位置的闭环，实现无位置控制。
本发明还提供了一种无位置传感器的电机控制系统，所述系统包括：单片机、检测模块、计算模块和PID控制器；
单片机中存储设定的电机转速与电机转角；
检测模块，用于检测电机的三相电流；
计算模块，用于过坐标变换得到α,β轴的电流和电压；计算α,β轴的反电动势；根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值；将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差，将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差；
所述计算α,β轴的反电动势；具体为：
计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ：
Figure BDA0002306695350000061
Figure BDA0002306695350000062
其中，iα,iβ为α,β轴的电流，uα,uβ为α,β轴的电压；Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感；
Figure BDA0002306695350000063
为α,β轴的电流误差；ωe为计算出的电机角速度；R为电阻；
Figure BDA0002306695350000064
分别为α,β轴的定子电流；K为滑模观测器正增益系数；sat(s)为正弦型饱和函数；s为滑模面；Δ为边界层。
所述根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；具体包括：
根据α,β轴的反电动势Eα,Eβ，以及电机角速度ωe，根据下述电机估计转速方程：
Figure BDA0002306695350000065
得到α,β轴的反电动势估计值
Figure BDA0002306695350000066
以及电机转速的估计值
Figure BDA0002306695350000067
其中l为电感。
所述PID控制器，用于基于转速偏差和转角偏差实现对电机的转速和转角的控制。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种无位置传感器的电机控制方法，所述方法包括：
检测电机的三相电流，经过坐标变换得到α,β轴的电流和电压；
计算α,β轴的反电动势；
根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；
对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值；
将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差，将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差，通过PID控制实现对电机的转速和转角的控制。
2.根据权利要求1所述的无位置传感器的电机控制方法，其特征在于，所述计算α,β轴的反电动势；具体为：
计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ：
Figure FDA0002306695340000011
Figure FDA0002306695340000012
其中，iα,iβ为α,β轴的电流，uα,uβ为α,β轴的电压；Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感；
Figure FDA0002306695340000013
为α,β轴的电流误差；ωe为计算出的电机角速度；R为电阻；
Figure FDA0002306695340000014
分别为α,β轴的定子电流；K为滑模观测器正增益系数；sat(s)为正弦型饱和函数；s为滑模面；Δ为边界层。
3.根据权利要求2所述的无位置传感器的电机控制方法，其特征在于，所述根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；具体包括：
根据α,β轴的反电动势Eα,Eβ，以及电机角速度ωe，根据下述电机估计转速方程：
Figure FDA0002306695340000021
得到α,β轴的反电动势估计值
Figure FDA0002306695340000022
以及电机转速的估计值
Figure FDA0002306695340000023
其中l为电感。
4.一种无位置传感器的电机控制系统，其特征在于，所述系统包括：单片机、检测模块、计算模块和PID控制器；
所述单片机中存储设定的电机转速与电机转角；
所述检测模块，用于检测电机的三相电流；
所述计算模块，用于过坐标变换得到α,β轴的电流和电压；计算α,β轴的反电动势；根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值；将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差，将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差；
所述PID控制器，用于基于转速偏差和转角偏差实现对电机的转速和转角的控制。
5.根据权利要求4所述的无位置传感器的电机控制系统，其特征在于，所述计算α,β轴的反电动势；具体为：
计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ：
Figure FDA0002306695340000024
Figure FDA0002306695340000025
其中，iα,iβ为α,β轴的电流，uα,uβ为α,β轴的电压；Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感；
Figure FDA0002306695340000026
为α,β轴的电流误差；ωe为计算出的电机角速度；R为电阻；
Figure FDA0002306695340000027
分别为α,β轴的定子电流；K为滑模观测器正增益系数；sat(s)为正弦型饱和函数；s为滑模面；Δ为边界层。
6.根据权利要求5所述的无位置传感器的电机控制系统，其特征在于，所述根据α,β轴的反电动势，基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值；具体包括：
根据α,β轴的反电动势Eα,Eβ，以及电机角速度ωe，根据下述电机估计转速方程：
Figure FDA0002306695340000031
得到α,β轴的反电动势估计值
Figure FDA0002306695340000032
以及电机转速的估计值
Figure FDA0002306695340000033
其中l为电感。
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