CN113595462A - 一种电机控制系统控制参数自整定装置及其整定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种电机控制系统控制参数自整定装置及其整定方法，属于电机控制技术领域，电机控制系统控制参数自整定装置，包括主控芯片TMS570LS1227，RS232串口通信模块，CAN通信模块，以太网通信模块和触摸显示屏，RS232串口通信模块、CAN通信模块和以太网通信模块集成在整定装置的内部，触摸显示屏集成在整定装置的外部；三种通信模块互相独立，且CAN总线和以太网模块具有多节点通信能力。电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法包括：超调量、调节时间指标设置；位置传感器调零；d轴电流环参数整定：q轴电流环参数整定：速度环参数自整定：至此，完成永磁同步电机的控制参数自整定，解决了现有技术不能同时实现多台永磁同步电机控制系统参数自整定的问题。

Description

一种电机控制系统控制参数自整定装置及其整定方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种电机控制系统控制参数自整定装置及其整定方法。
背景技术
永磁同步电机以其功率密度大、效率高、可控性好等优点，被广泛应用于航空航天和海洋领域中。永磁同步电机系统具有多变量、强耦合、高阶非线性的特点，在同步电机的矢量控制中，可选择不同的磁链矢量作为定向的坐标轴，通常存在转子磁链定向、气隙磁链定向、定子磁链定向三种方式。一般采用的是转子磁链定向的矢量控制。转子磁链定向矢量控制的基本原理是通过采用各种坐标变换，根据转子磁链定向，把电机的定子电流分为励磁电流和转矩电流两个分量，两分量间彼此独立且互相垂直，从而实现定子电流矢量的解耦，然后对各电流分量进行调节从而分别控制电机的电磁转矩和磁链，进而控制电机。
由电磁转矩方程的表达式可知，当PMSM的永磁体ψm以及交直轴电感Ld和Lq确定后，通过控制定子电流，就可以控制电机的电机转矩。一般永磁同步电机速度伺服控制系统中采用如图1所示的速度电流双闭环矢量控制方法。
要实现永磁同步电机的磁场定向控制，需要获得电机的转子位置信息和转速信息。常用的位置传感器有光电编码器，磁编码器，旋转变压器，霍尔位置传感器等，通过相应的硬件电路对传感器输出信号进行处理并转化为数字量送入主控单元，用于矢量控制中的PARK和反PARK变换。
由图1可知，永磁同步电机矢量控制系统中的控制参数主要包括速度环参数，dq轴电流环参数以及转子初始位置值。
现有的参数调节方法大多以手动调节为主，需要反复修改参数和程序，相当费时费力，而且当电机数目较多时，手动调电机的方式更加低效。另外对于dq轴参数不对称的内置式永磁同步电机，q轴的参数调节是个难题，因为在q轴施加电流时电机会产生电磁力矩让电机转起来，此时q轴电流调节无法完成，有必要对q轴电流环参数调节方法进行改进。
发明内容
本发明提供一种电机控制系统控制参数自整定装置及其整定方法，在其内部集成了一种新型q轴电流调节方法，可以方便安全高效的完成q轴电流环参数的自整定，同时集成的多种总线形式可以满足不同接口类型控制驱动器的需求，目的是解决现有技术不能同时实现多台永磁同步电机控制系统参数自整定问题。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种电机控制系统控制参数自整定装置，包括主控芯片TMS570LS1227，RS232串口通信模块，CAN通信模块，以太网通信模块和触摸显示屏，RS232串口通信模块、CAN通信模块和以太网通信模块集成在整定装置的内部，触摸显示屏集成在整定装置的外部；
RS232串口通信模块，CAN通信模块，以太网通信模块三者互相独立，且CAN总线和以太网模块具有多节点通信能力。
本发明同时还提出一种电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法，采用上述电机控制系统控制参数自整定装置，包括如下步骤：
S1、超调量、调节时间指标设置；
S2、位置传感器调零；
S3、d轴电流环参数整定：
S4、q轴电流环参数整定：
S5、速度环参数自整定：
至此，完成永磁同步电机的控制参数自整定。
进一步地，控制参数自整定装置通过显示屏上的触摸按钮向控制驱动器发送参数自整定指令，控制驱动器根据接收到的自整定指令执行预设整定程序，然后自整定装置根据控制驱动器的返回变量值自动整定出满足用户需求的参数，经用户确认后，参数自行装订到控制驱动器中。
进一步地，步骤S1中，超调量、调节时间指标设置通过选择对应功能按钮K1实现，在其中可以设置d轴电流环参数整定的超调量和调节时间、q轴电流环参数整定的超调量和调节时间、速度环参数整定的超调量、调节时间指标。
进一步地，步骤S2中，位置传感器调零通过选择对应功能按钮K2实现，在整定程序中，给定
Figure BDA0003153038940000031
A从0以步长0.005逐步增大，直到读取到的位置传感器码值不变，则将该值作为补偿值装订到控制驱动器中。
进一步地，步骤S3中，d轴电流环参数整定通过选择对应功能按钮K3实现，在整定程序中，在电机位置传感器调零的基础上，针对d轴电流环参数调节，首先将d轴PID参数KP_id和KI_id预置为0，d轴电流环给定幅值0.2，频率1Hz的方波，然后给定PARK/IPARK变换的角度值为0，同时给定
Figure BDA0003153038940000032
上母线电，KP_id从0以步长0.001逐步增大，直到d轴电流达到无超调快速上升状态，上升时间t≤0.2s，此时以步长0.001逐渐增加KI_id，直到d轴电流满足预设的超调量和调节时间，此时d轴电流环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
进一步地，步骤S4中，q轴电流环参数整定通过选择对应功能按钮K4实现，在整定程序中，在电机位置传感器调零、d轴电流环参数整定并装订完成的基础上，在电流环矢量控制算法原本状态的基础上做以下修改：
利用采样得到的AB相电流IA、IB，计算出C相电流IC＝-(IA+IB)，clark变换采用下式进行：
Figure BDA0003153038940000041
然后在SVPWM生成模块中将Tb、Tc互换，即将Tb计算得到的值作为C相PWM波的比较值，Tc计算得到的值作为B相PWM波的比较值；
将q轴PID参数KP_iq和KI_iq预置为0，d轴电流环给定值为0，q轴电流环给定值为幅值0.2，频率1Hz的方波，上母线电，KP_iq以步长0.001从0逐步增大，直到d轴电流达到无超调快速上升状态，上升时间t≤0.2s，此时以步长0.001逐渐增加KI_iq，直到q轴电流满足预设的超调量和调节时间，此时q轴电流环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
进一步地，步骤S5中，速度环参数自整定通过选择对应功能按钮K5实现，在电机位置传感器调零、dq轴电流环参数整定并装订完成的基础上，速度电流双闭环矢量控制算法保持原状态不变；
将速度环PID参数KP_speed和KI_speed预置为0，速度环参考值给定为幅值0.2，频率0.1Hz的方波，上母线电，KP_speed从0以步长0.001逐步增大，直到速度反馈达到无超调快速上升状态，上升时间≤0.2s，此时以步长0.001逐渐增加KI_speed，直到速度反馈满足预设的超调量和调节时间，此时速度环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
本发明所取得的有益技术效果是：
可以实现位置传感器自动调零，d轴和q轴参数自整定，速度环参数自整定，并且可实现多台不同接口类型的永磁同步电机系统的控制参数同步自整定功能。解决了内置式电机q轴电流环参数调节困难的问题以及现有技术不能同时实现多台永磁同步电机控制系统参数自整定问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。
附图说明
图1是永磁同步电机速度电流双闭环矢量控制算法示意图；
图2是本发明其中一种具体实施例的整定装置和被控系统连接示意图；
图3是本发明其中一种具体实施例的触摸显示屏界面；
图4是本发明其中一种具体实施例的控制流程框图；
图5是本发明其中一种具体实施例的整定装置和多台控制驱动器的连接图；
图6是本发明中q轴参数整定方法有效性说明框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明要求保护的范围。
如图2所示，一种永磁同步电机的控制参数自整定装置的具体实施例，包括主控芯片TMS570LS1227，RS232串口通信模块，CAN通信模块，以太网通信模块以及触摸显示屏。RS232串口通信模块、CAN通信模块和以太网通信模块集成在整定装置的内部，触摸显示屏集成在整定装置的外部。
本具体实施例中RS232串口通信模块，CAN通信模块，以太网通信模块三者互相独立，且CAN总线和以太网模块具有多节点通信能力，整定装置可以实现多台套永磁同步电机系统控制参数的同时自整定，更加方便高效。
如图3所示，一种具体实施例的触摸显示屏界面，包括控制器台数输入文本框，整定指标设置按钮K1，位置传感器调零功能按钮K2，d轴电流环参数整定功能按钮K3，q轴电流环参数整定功能按钮K4，速度环参数整定功能按钮K5以及曲线显示窗口。
永磁同步电机的控制参数自整定装置通过显示屏上的触摸按钮向控制驱动器发送参数自整定指令，控制驱动器根据接收到的自整定指令执行预设整定程序，然后自整定装置根据控制驱动器的返回变量值自动整定出满足用户需求的参数，经用户确认后，参数可自行装订到控制驱动器中，如图4所示，控制参数自整定按如下步骤进行：
S1、超调量、调节时间指标设置；
超调量、调节时间指标设置通过选择对应功能按钮K1实现，在其中可以设置d轴电流环参数整定的超调量和调节时间、q轴电流环参数整定的超调量和调节时间、速度环参数整定的超调量、调节时间等指标。
S2、位置传感器调零：
通过选择对应功能按钮实现。在整定程序中，给定
Figure BDA0003153038940000061
A从0以步长0.005逐步增大，直到读取到的位置传感器码值不变，则将该值作为补偿值装订到控制驱动器中。
S3、d轴电流环参数整定：
通过选择对应功能按钮实现。在电机位置传感器调零的基础上，在整定程序中，针对d轴电流环参数调节，首先将d轴PID参数KP_id和KI_id预置为0，d轴电流环给定幅值0.2，频率1Hz的方波，然后给定PARK/IPARK变换的角度值为0，同时给定
Figure BDA0003153038940000062
上母线电，KP_id从0以步长0.001逐步增大，直到d轴电流达到无超调快速上升状态，上升时间t≤0.2s，此时逐渐以步长0.001增加KI_id，直到d轴电流满足预设的超调量和调节时间，此时d轴电流环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
S4、q轴电流环参数整定：
通过选择对应功能按钮实现。在整定程序中，在电机位置传感器调零、d轴电流环参数整定并装订完成的基础上，在电流环矢量控制算法原本状态的基础上做以下修改：
利用采样得到的AB相电流IA、IB，计算出C相电流IC＝-(IA+IB)，clark变换采用式(1)进行，即将B相和C相电流位置互换，然后在SVPWM生成模块中将Tb、Tc互换，即将Tb计算得到的值作为C相PWM波的比较值，Tc计算得到的值作为B相PWM波的比较值。
Figure BDA0003153038940000071
将q轴PID参数KP_iq和KI_iq预置为0，d轴电流环给定值为0，q轴电流环给定为幅值0.2，频率1Hz的方波，上母线电，KP_iq从0以步长0.001逐步增大，直到q轴电流达到无超调快速上升状态，上升时间t≤0.2s，此时逐渐以步长0.001增加KI_iq，直到q轴电流满足预设的超调量和调节时间，此时q轴电流环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
S5、速度环参数自整定：
通过选择对应功能按钮实现。在整定程序中，在电机位置传感器调零、dq轴电流环参数整定并装订完成的基础上，速度电流双闭环矢量控制算法保持图1中原状态不变。
将速度环PID参数KP_speed和KI_speed预置为0，速度环参考值给定为幅值0.2，频率0.1Hz的方波，上母线电，KP_speed从0以步长0.001逐步增大，直到速度反馈达到无超调快速上升状态，上升时间≤0.2s，此时逐渐以步长0.001增加KI_speed，直到速度反馈满足预设的超调量和调节时间，此时速度环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
至此，完成永磁同步电机的控制参数自整定。
本具体实施例可实现多台不同接口类型的永磁同步电机系统的控制参数同步自整定功能，具体连接方案如图5所示。
本具体实施例中的自整定装置还具有如下特征：
1、自整定装置集成多种通信接口，包括RS232、以太网口、CAN总线等，可适配于不同控制器进行参数整定。
2、自整定装置上配有触摸显示屏，一方面可以实时显示电机转子位置、电机转速、d轴电流指令、d轴电流反馈、q轴电流指令、q轴电流反馈，另一方面上设触摸按钮来完成电机位置调零、d轴电流环参数整定、q轴电流环参数整定、速度环参数整定等功能指令的下发和参数确认，人机交互性良好。
3、选择对应功能按钮，自整定装置可以根据用户要求完成在满足超调量、调节时间等性能指标下参数的整定，并给予显示。
4、每组参数自适应整定完成并得到使用方确认后，自整定装置可以实现参数装订功能，然后继续后续参数的调节；
5、在以太网口、CAN总线模式下，自整定装置可以实现多设备参数同时自整定，方便高效。
6、位置传感器调零功能依据用户选择可以实现多台电机的位置传感器码值补偿整定或码值的调零对准。
为便于更好地理解本具体实施例所取得的有益技术效果，此处对通过BC相互换来实现q轴电流环参数整定的有效性推导如下：
正常电机三相静止坐标系、两相静止坐标系、三相旋转坐标系如图6所示。
设此时电机转子位置为θe。在正常情况下，q轴电流iq在αβ轴的分量分别为iα、iβ，即
Figure BDA0003153038940000081
此时Clark变换按照式(2)进行。若交换B、C相，则Clark变换按照式(1)进行。新的αβ轴的分量iα1、iβ1满足
Figure BDA0003153038940000082
合成的q轴电流
Figure BDA0003153038940000083
iq1和iq关于α轴对称，且幅值相等。
Figure BDA0003153038940000091
在iq1的作用下，电机快速吸合到d轴上，此时iq1和磁场方向平行，电机实现了定位。
满足
Figure BDA0003153038940000092
则转子位置
Figure BDA0003153038940000093
因为iq1和iq幅值相等，同样可以用来实现q轴电流调节，与传统的q轴电流调节方法对比，这种方法避免了电机失速，更加安全。
电机最终吸合位置与电机初始位置有关，满足就近吸合，吸合位置有
Figure BDA0003153038940000094
推导方法与前类似，在此不再赘述。
综上，本具体实施例所取得的有益技术效果是：
可以实现位置传感器自动调零，d轴和q轴参数自整定，速度环参数自整定，并且可实现多台不同接口类型的永磁同步电机系统的控制参数同步自整定功能。在其内部集成的新型q轴电流调节方法，可以方便安全高效的完成q轴电流环参数的自整定，同时解决了现有技术不能同时实现多台永磁同步电机控制系统参数自整定问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Claims (8)

1.一种电机控制系统控制参数自整定装置，其特征在于，包括主控芯片TMS570LS1227，RS232串口通信模块，CAN通信模块，以太网通信模块和触摸显示屏，所述RS232串口通信模块、CAN通信模块和以太网通信模块集成在整定装置的内部，所述触摸显示屏集成在整定装置的外部；
所述RS232串口通信模块，CAN通信模块，以太网通信模块三者互相独立，且CAN总线和以太网模块具有多节点通信能力。
2.一种电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种电机控制系统控制参数自整定装置，包括如下步骤：
S1、超调量、调节时间指标设置；
S2、位置传感器调零；
S3、d轴电流环参数整定：
S4、q轴电流环参数整定：
S5、速度环参数自整定：
至此，完成永磁同步电机的控制参数自整定。
3.根据权利要求2所述的一种电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法，其特征在于：所述控制参数自整定装置通过显示屏上的触摸按钮向控制驱动器发送参数自整定指令，控制驱动器根据接收到的自整定指令执行预设整定程序，然后自整定装置根据控制驱动器的返回变量值自动整定出满足用户需求的参数，经用户确认后，参数自行装订到控制驱动器中。
4.根据权利要求3所述的一种电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法，其特征在于：所述步骤S1中，超调量、调节时间指标设置通过选择对应功能按钮K1实现，在其中可以设置d轴电流环参数整定的超调量和调节时间、q轴电流环参数整定的超调量和调节时间、速度环参数整定的超调量、调节时间指标。
5.根据权利要求4所述的一种电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法，其特征在于：所述步骤S2中，位置传感器调零通过选择对应功能按钮K2实现，在整定程序中，给定
Figure FDA0003153038930000021
A从0以步长0.005逐步增大，直到读取到的位置传感器码值不变，则将该值作为补偿值装订到控制驱动器中。
6.根据权利要求5所述的一种电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法，其特征在于：所述步骤S3中，d轴电流环参数整定通过选择对应功能按钮K3实现，在整定程序中，在电机位置传感器调零的基础上，针对d轴电流环参数调节，首先将d轴PID参数KP_id和KI_id预置为0，d轴电流环给定幅值0.2，频率1Hz的方波，然后给定PARK/IPARK变换的角度值为0，同时给定
Figure FDA0003153038930000022
上母线电，KP_id从0以步长0.001逐步增大，直到d轴电流达到无超调快速上升状态，上升时间t≤0.2s，此时以步长0.001逐渐增加KI_id，直到d轴电流满足预设的超调量和调节时间，此时d轴电流环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
7.根据权利要求6所述的一种电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法，其特征在于：所述步骤S4中，q轴电流环参数整定通过选择对应功能按钮K4实现，在整定程序中，在电机位置传感器调零、d轴电流环参数整定并装订完成的基础上，在电流环矢量控制算法原本状态的基础上做以下修改：
利用采样得到的AB相电流IA、IB，计算出C相电流IC＝-(IA+IB)，clark变换采用下式进行：
Figure FDA0003153038930000023
然后在SVPWM生成模块中将Tb、Tc互换，即将Tb计算得到的值作为C相PWM波的比较值，Tc计算得到的值作为B相PWM波的比较值；
将q轴PID参数KP_iq和KI_iq预置为0，d轴电流环给定值为0，q轴电流环给定值为幅值0.2，频率1Hz的方波，上母线电，KP_iq以步长0.001从0逐步增大，直到d轴电流达到无超调快速上升状态，上升时间t≤0.2s，此时以步长0.001逐渐增加KI_iq，直到q轴电流满足预设的超调量和调节时间，此时q轴电流环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
8.根据权利要求7所述的一种电机控制系统控制参数自整定装置的整定方法，其特征在于：所述步骤S5中，速度环参数自整定通过选择对应功能按钮K5实现，在电机位置传感器调零、dq轴电流环参数整定并装订完成的基础上，速度电流双闭环矢量控制算法保持原状态不变；
将速度环PID参数KP_speed和KI_speed预置为0，速度环参考值给定为幅值0.2，频率0.1Hz的方波，上母线电，KP_speed从0以步长0.001逐步增大，直到速度反馈达到无超调快速上升状态，上升时间≤0.2s，此时以步长0.001逐渐增加KI_speed，直到速度反馈满足预设的超调量和调节时间，此时速度环参数调节完成，弹出对话框和绘制最终的阶跃跟踪曲线由用户确认并将参数装订到控制驱动器中。
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