CN113258849A - 一种永磁同步电机控制系统及控制参数智能辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机控制系统及控制参数智能辨识方法。永磁同步电机控制系统包括一个励磁控制模块、一个主控模块、一个数据处理模块、一个电机监测采集模块、一个励磁驱动模块，电机监测采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端相连，数据处理模块的信号输出端与主控模块的信号输入端相连，主控模块的信号输出端既与励磁控制模块的信号输入端相连，又与励磁驱动模块的信号输入端相连，励磁控制模块的信号输出端与励磁驱动模块的信号输入端相连，励磁驱动模块的信号输出端与永磁同步电机相连。该系统保证负载精准的到达指定的位置以及输出精准的扭矩，实现永磁同步电机精准的位置控制及准确的力矩控制。

Description

一种永磁同步电机控制系统及控制参数智能辨识方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机控制系统及控制参数智能辨识方法。

背景技术

随着电力电子技术以及人工智能技术的发展，电机成为了各个运动机构必须参与的执行机构。永磁同步电机，由于其良好的性能，广泛应用于包装机械、数控机床，航空航天，机器人等领域。现有技术对电机的控制除了位置闭环控制外，其力矩的输出及控制已经成为了一个更重要的指标。由于现在精细化作业越来越受推崇，精准的位置控制及准确的力矩控制已经成为了同步电机控制的核心技术。

目前，公知的现有技术中的控制器，如应用广泛的PID(比例积分微分)控制器，是直接采用试凑法或经验法调整控制器比例控制参数、积分控制参数和微分控制参数。因此，控制器参数的调整比较盲目，永磁同步电机伺服控制系统的调试十分困难，同时也达不到想要的效果及力矩输出。同时，现有的技术中，其参数的辨识，都是在电机静止状态下的动作，一旦辨识成功，其控制系统的PID就确定下来，这样的辨识存在着不精确性，不能实时的检测当前电机的状态，不能随时的修改PID，使控制更加不准确。

因此针对这一现状，迫切需要设计和生产一种永磁同步电机控制参数智能辨识方法，以解决现有技术中不能实时的检测电机的状态，控制器参数的调整比较盲目，辨识存在着不精确性，不能按照要求精准的到达指定的位置以及输出精准的扭矩的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种永磁同步电机控制系统，保证负载可以按照要求精准的到达指定的位置以及输出精准的扭矩，实现了对永磁同步电机精准的位置控制及准确的力矩控制。

本发明的目的之二在于提供一种永磁同步电机控制参数智能辨识方法，该电机控制方法应用于以上所述的永磁同步电机控制系统中，该方法保证电机可以按照要求精准的到达指定的位置以及输出精准的扭矩，实现了对永磁同步电机精准的位置控制及准确的力矩控制。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种永磁同步电机控制系统，包括一个励磁控制模块、一个主控模块、一个数据处理模块、一个电机监测采集模块、一个励磁驱动模块及一个所述永磁同步电机。

所述电机监测采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端相连，所述数据处理模块的信号输出端与主控模块的信号输入端相连，所述主控模块的信号输出端既与励磁控制模块的信号输入端相连，又与励磁驱动模块的信号输入端相连，所述励磁控制模块的信号输出端与励磁驱动模块的信号输入端相连，所述励磁驱动模块的信号输出端与所述永磁同步电机相连；

所述电机监测采集模块用于采集永磁同步电机的状态信息，并传给数据处理模块；所述数据处理模块用于对状态信息进行处理，并将处理后的状态信息发送给主控模块；所述主控模块用于对数据处理模块发送的信息进行处理，并通过发送信号控制励磁控制模块及励磁驱动模块；所述励磁驱动模块用于通过信号控制永磁同步电机。

作为优选，所述永磁同步电机控制系统还包括一个数据记录模块，所述电机监测采集模块的信号输出端还与数据记录模块相连，所述主控模块的信号输出端还与数据记录模块相连；

所述电机监测采集模块将状态信息同时记录在数据记录模块里；所述主控模块同时还将信号记录到数据记录模块。

作为优选，所述电机监测采集模块包括转子磁场传感器、温度传感器、定子励磁传感器、位置传感器、力矩传感器；所述转子磁场传感器与电机的转子相连，用于对电机转子的磁场信息进行采集；温度传感器与电机外壳相连，用于对电机的温度信息进行采集；定子励磁传感器与电机的定子相连，用于对电机定子的励磁信息进行采集；位置传感器与电机的转子相连，用于对电机转子的位置信息进行采集；力矩传感器与电机的输出相连，用于对电机的力矩信息进行采集。

作为优选，所述数据处理模块包括运算放大器及电阻电容器件，所述数据处理模块用于将接收到的状态信息按时间顺序划分成若干的区间，并将这些状态信息模式化后传给主控模块。

一种永磁同步电机控制参数智能辨识方法，该方法应用在以上所述的永磁同步电机控制系统中，永磁同步电机控制参数智能辨识方法包括以下步骤：

S1.电机监测采集模块监测采集永磁同步电机的状态信息并传到数据记录模块及数据处理模块中；

S2.数据处理模块将接收到的状态信息按时间顺序划分成若干的区间，并将这些状态信息模式化后传给主控模块；

S3.主控模块对不同种类的状态信息进行分组，建立对应的电机响应参数公式(1)以及电机的伺服惯量参数公式(2)；

其中，K代表电机的响应参数，T代表电机的温度系数，G代表电机的力矩，B_s代表电机的磁场，L代表电机的位置；

其中，A_i代表了伺服惯量，B_i代表了励磁强度；

S4.通过公式(1)和(2)得到某一温度区间下，不同力矩对应的伺服惯量参数及电机响应参数；

S5.在第j个所述温度区间进行等效伺服惯量参数Ai的测量，直至将各个所述温度区间对应的不同力矩下的等效伺服惯量参数Ai全部测量完毕。其中，j为正整数，具体数值等于温度区间的数量；

S6.根据各个温度区间下，不同力矩对应的伺服惯量参数及电机响应参数，设定若干个转子位置及力矩输出控制器；根据每个温度区间下，不同力矩对应的等效伺服惯量参数Ai，来确定用于控制所述永磁同步电机运行状态的控制参数。

作为优选，在步骤S1中，永磁同步电机的状态信息包括转子的磁场信息、电机的温度信息、定子的励磁信息、转子的位置信息、电机的力矩信息、电机的运行时间。

作为优选，在步骤S1中，电机监测采集模块还将状态信息传到数据记录模块中。

作为优选，在步骤S3中，分组后的每组信息对应转子的磁场信息、电机的温度信息、定子的励磁信息、转子的位置信息、电机的力矩信息、电机的运行时间中的一种。

作为优选，在步骤S5中，所述等效伺服惯量参数Ai的测量，是在确定一个温度区间内，改变力矩的输出，来确定等效伺服惯量参数Ai。

作为优选，在步骤S6中，根据永磁同步电机所处的温度区间，选择在该温度区间下不同力矩输出时对应的等效伺服惯量参数Ai，根据等效伺服惯量参数Ai确定用于控制永磁同步电机的位置及力矩控制。

本发明的有益效果是：

本方案公开了一种永磁同步电机控制系统及永磁同步电机控制参数智能辨识方法，在电机运行的不同状态下，对永磁同步电机的参数进行识别，获得对电机转子控制时的机电响应参数和等效伺服惯量参数，为永磁同步电机的控制设计和调试节省了精力和时间，提高了对永磁同步电机在不同运行状态下的控制性能，而且使得永磁同步电机获得了良好的静态性能和动态性能，保证其可以按照要求精准的到达指定的位置以及输出精准的扭矩，实现了对永磁同步电机精准的位置控制及准确的力矩控制，更加智能化，能够提高的电机的稳定性，安全性，可靠性。

附图说明

图1是本实施例提供的永磁同步电机控制系统的结构示意图；

图2是本实施例提供的电机监测采集模块的结构示意图；

图3是本实施例提供的永磁同步电机控制参数智能辨识方法流程图。

图中：

1、永磁同步电机；2、电机监测采集模块；3、数据处理模块；4、主控模块；5、励磁控制模块；6、励磁驱动模块；7、数据记录模块；

21、转子磁场传感器；22、温度传感器；23、定子励磁传感器；24、位置传感器；25、力矩传感器。

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，以下结合附图和具体实施例，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。

如图1至图2所示，永磁同步电机控制系统包括一个励磁控制模块5、一个主控模块4、一个数据处理模块3、一个电机监测采集模块2、一个数据记录模块7、一个励磁驱动模块6及一个所述永磁同步电机1。

所述电机监测采集模块2的信号输出端既与数据处理模块3的信号输入端相连，又与数据记录模块7相连。所述数据处理模块3的信号输出端与主控模块4的信号输入端相连。所述主控模块4的信号输出端既与励磁控制模块5的信号输入端相连，又与励磁驱动模块6的信号输入端相连，同时还与数据记录模块7相连。所述励磁控制模块5的信号输出端与励磁驱动模块6的信号输入端相连。所述励磁驱动模块6的信号输出端与所述永磁同步电机1相连。

当然，数据记录模块7并不是必须要设置的模块，永磁同步电机控制系统也可以不包括该模块。当不包括数据记录模块7时，所述电机监测采集模块2的信号输出端不再与数据记录模块7相连，同时所述主控模块4的信号输出端也不再与数据记录模块7相连。

所述电机监测采集模块2用于采集永磁同步电机1的状态信息，并传给数据处理模块3，同时记录在数据记录模块7里，当然，如果该系统不包括数据记录模块7时，则不用记录在数据记录模块7里。所述数据处理模块3用于对状态信息进行处理，并将处理后的状态信息发送给主控模块4。所述主控模块4用于对数据处理模块3发送的信息进行处理，并通过发送信号给控制励磁控制模块5及励磁驱动模块6来实现对励磁控制模块5及励磁驱动模块6的控制，同时将信号记录到数据记录模块7。当然，如果该系统不包括数据记录模块7时，则不用记录在数据记录模块7里。所述励磁驱动模块6用于通过信号控制永磁同步电机1。

于本实施例中，作为优选方案，所述电机监测采集模块2主要包括转子磁场传感器21、温度传感器22、定子励磁传感器23、位置传感器24、力矩传感器25。所述转子磁场传感器21与电机的转子相连，对电机转子的磁场信息进行采集。温度传感器22与电机外壳相连，对电机的温度信息进行采集。定子励磁传感器23与电机的定子相连，对电机定子的励磁信息进行采集。位置传感器24与电机的转子相连，对电机转子的位置信息进行采集。力矩传感器25与电机的输出相连，对电机的力矩信息进行采集。电机监测采集模块2分别对以上信息进行采集，为信号的处理及控制的输出提供对比数据。

所述数据处理模块3用于将接收到的状态信息按时间顺序划分成若干的区间，并将这些状态信息模式化后传给主控模块4，使这些状态信息能够被主控模块4接受，提高了系统的工作效率。且数据处理模块3把各种信息模式化，提高了主控模块4的调用效率，增加了控制效果。于本实施例中，作为优选方案，所述数据处理模块3包括运算放大器，电阻电容等器件。

所述主控模块4包含了电机参数的识别算法及控制方法，其主要是由高性能处理器组成，主要是用于分析数据处理模块3发送的数据信息，判断电机的状态信息及各个参数，控制励磁控制模块5及励磁驱动模块6，保证电机能够实时的对参数进行监测，并随时对电机参数识别，对伺服惯量进行辨识，增加了电机的可靠性、稳定性，安全性，提高了电机伺服控制的便捷性。

所述数据记录模块7主要是用于存储电机监测采集模块2的数据与对应时间的关系，为主控模块4的控制提供了数据支撑，增加了控制的可读性。同时记录了主控模块4的控制方法及算法，提高了控制的效率。数据记录模块7是数据存储的有效单元，能够更好的为主控单元提供各种数据，降低了每次运行的时间。

所述励磁控制模块5主要包括可变电压源，励磁控制模块5用于接收主控模块4的控制命令，对电机的励磁信号进行控制，保证了对电机定子的有效控制，增加了电机参数识别的可靠性，提高了识别的精度，保证励磁电压符合电机的运行要求。

所述励磁驱动模块6是励磁信号的执行模块及电机动作的驱动模块。

本方案提供的永磁同步电机控制系统能够提高的电机的稳定性，安全性，可靠性，保证其可以按照要求精准的到达指定的位置以及输出精准的扭矩，对负载，控制精度更高，更加智能化。在电机运行的不同状态下，对永磁同步电机的参数进行识别，获得对电机转子控制时的机电响应参数和等效伺服惯量参数，为永磁同步电机的控制设计和调试节省了精力和时间，提高了对永磁同步电机在不同运行状态下的控制性能，而且使得永磁同步电机获得了良好的静态性能和动态性能，实现了对永磁同步电机的精确控制。

本方案还提供了一种永磁同步电机控制参数智能辨识方法，该方法应用在以上所述的永磁同步电机控制系统中，如图3所示，永磁同步电机控制参数智能辨识方法包括以下步骤：

S1.电机监测采集模块2监测采集永磁同步电机1的状态信息并传到数据处理模块3中。于本实施例中，作为优选方案，电机监测采集模块2还可以将状态信息传到数据记录模块7中。

S2.数据处理模块3将接收到的状态信息按时间顺序划分成若干的区间，并将这些状态信息模式化后传给主控模块4。

S3.主控模块4对不同种类的状态信息进行分组，建立对应的电机响应参数公式(1)以及电机的伺服惯量参数公式(2)。

其中，K代表电机的响应参数，T代表电机的温度系数，G代表电机的力矩，B_s代表电机的磁场，L代表电机的位置。

其中，A_i代表了伺服惯量，B_i代表了励磁强度。

S4.通过公式(1)(2)得到某一温度区间下，不同力矩对应的伺服惯量参数及电机响应参数。

S5.在第j个所述温度区间进行等效伺服惯量参数Ai的测量，直至将各个所述温度区间对应的不同力矩下的等效伺服惯量参数Ai全部测量完毕。其中，j为正整数，具体数值等于温度区间的数量。

S6.根据各个温度区间下，不同力矩对应的伺服惯量参数及电机响应参数，设定若干个转子位置及力矩输出控制器。根据每个温度区间下，不同力矩对应的等效伺服惯量参数Ai，来确定用于控制所述永磁同步电机运行状态的控制参数。具体的，根据永磁同步电机所处的温度区间，选择在该温度区间下不同力矩输出时对应的等效伺服惯量参数Ai，根据等效伺服惯量参数Ai确定用于控制永磁同步电机的位置及力矩控制。

于本实施例中，作为有优选方案，在步骤S1中，永磁同步电机的状态信息包括转子的磁场信息、电机的温度信息、定子的励磁信息、转子的位置信息、电机的力矩信息、电机的运行时间。

于本实施例中，作为有优选方案，在步骤S3中，分组后的每组信息对应转子的磁场信息、电机的温度信息、定子的励磁信息、转子的位置信息、电机的力矩信息、电机的运行时间中的一种。

于本实施例中，作为有优选方案，在步骤S5中，所述等效伺服惯量参数Ai的测量，是在确定一个温度区间内，改变力矩的输出，来确定等效伺服惯量参数Ai。

本方案采用多种传感器，对电机的状态进行监测，保证了电机的稳定性，提高了电机的位置及力矩精度，保证了电机的运动性能。加入了力矩及电磁信号的辨识，提高了永磁同步电机良好的静态性能和动态性能。

采用了高可靠的辨识方法，以及自主的控制策略，提高了电机控制的智能化。采用了分段式控制方式，集成了电磁，温度，位置，励磁等多个信号的影响因子，保证其可以按照要求精准的到达指定的位置以及输出精准的扭矩，对负载，控制精度更高。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机控制系统，其特征在于，包括一个励磁控制模块、一个主控模块、一个数据处理模块、一个电机监测采集模块、一个励磁驱动模块及一个所述永磁同步电机。

所述电机监测采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端相连，所述数据处理模块的信号输出端与主控模块的信号输入端相连，所述主控模块的信号输出端既与励磁控制模块的信号输入端相连，又与励磁驱动模块的信号输入端相连，所述励磁控制模块的信号输出端与励磁驱动模块的信号输入端相连，所述励磁驱动模块的信号输出端与所述永磁同步电机相连；

所述电机监测采集模块用于采集永磁同步电机的状态信息，并传给数据处理模块；所述数据处理模块用于对状态信息进行处理，并将处理后的状态信息发送给主控模块；所述主控模块用于对数据处理模块发送的信息进行处理，并通过发送信号控制励磁控制模块及励磁驱动模块；所述励磁驱动模块用于通过信号控制永磁同步电机。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，还包括一个数据记录模块，所述电机监测采集模块的信号输出端还与数据记录模块相连，所述主控模块的信号输出端还与数据记录模块相连；

所述电机监测采集模块将状态信息同时记录在数据记录模块里；所述主控模块同时还将信号记录到数据记录模块。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述电机监测采集模块包括转子磁场传感器、温度传感器、定子励磁传感器、位置传感器、力矩传感器；所述转子磁场传感器与电机的转子相连，用于对电机转子的磁场信息进行采集；温度传感器与电机外壳相连，用于对电机的温度信息进行采集；定子励磁传感器与电机的定子相连，用于对电机定子的励磁信息进行采集；位置传感器与电机的转子相连，用于对电机转子的位置信息进行采集；力矩传感器与电机的输出相连，用于对电机的力矩信息进行采集。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述数据处理模块包括运算放大器及电阻电容器件，所述数据处理模块用于将接收到的状态信息按时间顺序划分成若干的区间，并将这些状态信息模式化后传给主控模块。

5.一种永磁同步电机控制参数智能辨识方法，其特征在于，该方法应用在以上所述的永磁同步电机控制系统中，永磁同步电机控制参数智能辨识方法包括以下步骤：

S1.电机监测采集模块监测采集永磁同步电机的状态信息并传到数据处理模块中；

S2.数据处理模块将接收到的状态信息按时间顺序划分成若干的区间，并将这些状态信息模式化后传给主控模块；

S3.主控模块对不同种类的状态信息进行分组，建立对应的电机响应参数公式(1)以及电机的伺服惯量参数公式(2)；

其中，K代表电机的响应参数，T代表电机的温度系数，G代表电机的力矩，B_s代表电机的磁场，L代表电机的位置；

其中，A_i代表了伺服惯量，B_i代表了励磁强度；

S4.通过公式(1)和(2)得到某一温度区间下，不同力矩对应的伺服惯量参数及电机响应参数；

S5.在第j个所述温度区间进行等效伺服惯量参数Ai的测量，直至将各个所述温度区间对应的不同力矩下的等效伺服惯量参数Ai全部测量完毕。其中，j为正整数，具体数值等于温度区间的数量；

S6.根据各个温度区间下，不同力矩对应的伺服惯量参数及电机响应参数，设定若干个转子位置及力矩输出控制器；根据每个温度区间下，不同力矩对应的等效伺服惯量参数Ai，来确定用于控制所述永磁同步电机运行状态的控制参数。

6.如权利要求5所述的永磁同步电机控制参数智能辨识方法，其特征在于，在步骤S1中，永磁同步电机的状态信息包括转子的磁场信息、电机的温度信息、定子的励磁信息、转子的位置信息、电机的力矩信息、电机的运行时间。

7.如权利要求5所述的永磁同步电机控制参数智能辨识方法，其特征在于，在步骤S1中，电机监测采集模块还将状态信息传到数据记录模块中。

8.如权利要求6所述的永磁同步电机控制参数智能辨识方法，其特征在于，在步骤S3中，分组后的每组信息对应转子的磁场信息、电机的温度信息、定子的励磁信息、转子的位置信息、电机的力矩信息、电机的运行时间中的一种。

9.如权利要求5所述的永磁同步电机控制参数智能辨识方法，其特征在于，在步骤S5中，所述等效伺服惯量参数Ai的测量，是在确定一个温度区间内，改变力矩的输出，来确定等效伺服惯量参数Ai。

10.如权利要求5所述的永磁同步电机控制参数智能辨识方法，其特征在于，在步骤S6中，根据永磁同步电机所处的温度区间，选择在该温度区间下不同力矩输出时对应的等效伺服惯量参数Ai，根据等效伺服惯量参数Ai确定用于控制永磁同步电机的位置及力矩控制。

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