CN1941605B - 不需要电流传感器的交流伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

一种不需要电流传感器的交流伺服驱动器，包括：比例积分(PI)控制器、两个一阶控制器(含极点和零点)、坐标转换器、脉宽调制控制器、解耦补偿器、计数器及速度估测器。所述交流伺服驱动器与伺服马达连接组成交流伺服模块，利用伺服马达的编码器，将接受的伺服模块的电流指令信号，作为d、q轴的比例积分(PI)控制器及解耦补偿的输入电流指令信号，该d、q轴比例积分(PI)控制器产生的输出电压指令信号与解耦补偿产生的信号，形成经解耦补偿的控制信号并输入坐标转换器，再经脉宽调制控制器进行信号调制后控制伺服马达，藉以改善电流感应器温飘恶化伺服马达控制及成本问题。

Description

不需要电流传感器的交流伺服驱动器

技术领域

本发明涉及一种不需要电流传感器的交流伺服驱动器，尤涉及一种直接以开回路控制，通过由伺服马达的编码器接受的电流指令信号作为解耦合所需的反馈电流信号的、不需要电流传感器的交流伺服驱动器。

背景技术

参照图1所示，现有技术的交流伺服模块包括：交流伺服驱动器1，和与交流伺服驱动器1连接的伺服马达2，伺服马达2内含一个编码器(图中未绘示)。交流伺服驱动器1通过速度模式来控制，包含：第一比例积分(PI)控制器11，d、q轴的第二、三比例积分(PI)控制器12、13，第一坐标转换器14，脉宽调制器15，三相连结的多个电流传感器16，第二坐标变换器17，解耦补偿器18，计数器19及速度估侧器20。其中，伺服马达2的线圈转移函数T₁(s)＝1/(Ls+R)，Ls代表绕组电感值，R代表绕组电阻值，在上述公知的交流伺服驱动器1的电流回路中，解耦补偿只与激磁电流Id、转矩电流Iq及角速度w有关，解耦补偿器18随时保持作用，该回路系统可简化为如图2所示。在图2中，显示了d轴或q轴的第二或第三比例积分(PI)控制器12、13与伺服马达2的线圈转移函数T₁(s)＝1/(Ls+R)之间的关系结构，其中，伺服马达2取得定子电流，激磁电流Id和转矩电流Iq被反馈，以解耦合补偿电流指令信号Id^*与Iq^*。并将经过补偿的电流指令信号作为d轴或q轴的第二或第三比例积分(PI)控制器12、13的输入电流指令信号。

图3所示为图1所示的公知交流伺服模块的模块系统响应曲线示意图，其中，所述曲线是以3KW，2000rpm的马达传动5倍惯量负载为例所获得的响应曲线。其中，图3上部曲线图中的A线为速度命令，B线为实际的输出速度，图3下部曲线图中的C线为对应的Iq命令，D线为反馈的电流。由于有电流传感器感测反馈电流，所以图3下部曲线图中的C、D两线重合为一。

在上述公知的交流伺服模块中，伺服马达2利用编码器接受电流指令信号，提供转子初始角度以便交流伺服驱动器1产生与转子磁场垂直的定子电流，但因永磁式伺服马达2的输入电压、电流及转速间的关系是线性的，所以必需利用电流传感器18取得伺服马达2的三相定子电流并将其反馈至电流回路以进行解耦合(Decoupling)，从而使得电流回路呈线线性关系。这种以反馈电流来进行解耦合的结构在高性能的交流伺服驱动控制结构中是非常重要。又，在已知一般电流传感器应用于大功率的交流伺服驱动控制结构时，只能采用霍尔效应(Hall-effect)感测组件(下简称霍尔组件)配置以测取定子电流反馈，但是霍尔组件具有对温度产生温飘现象的特性，即，容易因高温而产生感测值升高的问题，并无法解决或改善该问题。此外，为了获得上述测取的三相定子电流作为反馈，在公知的结构下必需配置多个电流传感器，所测取得的反馈电流信号还需通过第二坐标转换器17进行转换以与反馈信号匹配。因此，在组件成本及将来维修等都需较高的成本时，该现有技术的交流伺服模块的成本是无法降低的(cost down)。

发明内容

本发明的主要目的在于解决上述传统缺失。本发明以开回路控制架构设计通过将伺服马达的编码器所接受的电流指令信号，直接作为解耦合所需的反馈电流信号，使得在传统的电流回路系统中除去电流传感器后，依然具有解耦合功能，从而改善电流感应器温飘恶化伺服马达控制及成本问题，以提供低廉但高实用性的免电流传感器的交流伺服驱动器。

为了实现上述目的，本发明的不需电流传感器的交流伺服驱动器，所述交流伺服驱动器与伺服马达连接，以组成交流伺服模块，所述驱动器包括有：

伺服马达，其内具有编码器；

两个一阶控制器，其中，由速度命令与编码器所产生的反馈速度相减后而产生q轴的电流命令，而d轴电流在永磁马达应用是设为零，但在其它应用中可设为其它值，所述q轴的电流命令和d轴电流经由所述两个一阶控制器可得到输出至马达的d、q轴的未含解耦合的输出电压；

解耦补偿器，其利用所述伺服模块的电流指令信号作为解耦合所需的反馈电流，并与上述输出电压指令信号形成经过解耦补偿的控制信号；

坐标转换器，将所述控制信号进行d、q轴坐标转换并输出；

脉宽调制控制器，将所述述经坐标转换后的控制信号调制产生脉宽调制信号，并输出至所述伺服马达，使其产生旋转转矩；

计数器，连接于所述伺服马达的编码器，以输出角速度感测信号作为所述坐标转换器、脉宽调制控制器的触发时序信号，及所述速度估测器的输入信号；

速度估测器，根据所述计数器输出的角速度感测信号估测伺服马达转速，并输出角速度反馈信号至所述解耦补偿器，或同时与所述伺服模块的角速度指令信号w形成输入于比例积分控制器的指令信号。

附图说明

图1是公知的电流回路方块示意图；

图2是公知的简化电流回路方块示意图；

图3是公知的模块系统响应曲线示意图；

图4是本发明的以速度模式控制的电流回路方块示意图；

图5是本发明的以电流模式控制的电流回路方块示意图；

图6是本发明的在开回路要求下、由公知的简化电流回路的方块示意图；

图7是本发明图6的等效简化电流回路的方块示意图；

图8是本发明的模块系统响应曲线示意图。

本发明主要组件符号说明

伺服马达            3  交流伺服驱动器 4

比例积分(PI)控制器  41 第一一阶控制器 42

解耦补偿器          44 坐标转换器     45

脉宽调制控制器      46 计数器         48

速度估测器          47 第二一阶控制器 43

现有技术的主要组件符号说明

交流伺服驱动器        1  伺服马达       2

第一比例积分(PI)控制器11

第二比例积分(PI)控制器12

第三比例积分(PI)控制器13

第一坐标转换器           14  脉宽调制器    15

电流传感器               16  第二坐标变换器  17

解耦补偿器               18  计数器          19

速度估侧器               20

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的之技术内容。

图4所示为本发明的无需电流传感器的交流伺服驱动器在速度模式控制结构下的方块示意图。如图所示，本发明的交流伺服模块包括有伺服马达3及连接于伺服马达3的交流伺服驱动器4。交流伺服驱动器4具有比例积分(PI)控制器41，第一、二一阶控制器42、43，解耦补偿器44，坐标转换器45，脉宽调制控制器46，计数器48及速度估测器47，以构成开回路控制的驱动器电流回路。在该电流回路中，利用速度命令与伺服马达3内含的编码器(图中未示)产生反馈速度而生成速度误差，所产生的速度误差经由比例积分(PI)控制器41而产生电流指令信号，并直接作为进行解耦合所需的反馈电流信号，从而使得电流回路系统在除去电流传感器后，依然具有解耦合功能，因此，改善了电流感应器温飘恶化伺服马达控制及成本问题，从而提供低廉但非常实用性的免电流传感器的交流伺服驱动器。

上述伺服马达3内含的编码器为角度编码器，如分解器(resolver)、光电编码器(photo commutation)等，以测量转子的绝对位置或转子旋转的相对位置，并产生角速度感测信号以及将所产生的角速度感测信号反馈至驱动器速度回路。

上述比例积分(PI)控制器41具有电流变换器功能，其接收伺服模块的角速度指令信号W与上述速度估测器47反馈的转速反馈信号，并在对所接收的信号进行变换后输出由伺服马达3的编码器反馈于q轴的转矩电流指令信号Iq*。

该第一、二一阶控制器42、43具有垂直相交的d、q轴的电压变换器功能，其中，d轴的第一一阶控制器42将来自伺服模块的电流指令信号，和由伺服马达3所内含的编码器产生的电流反馈信号，作为输入的激磁电流指令信号Id*，并产生输出电压指令信号Vd；q轴的第二一阶控制器43则接受上述比例积分(PI)控制器41输出的转矩电流指令Iq*。

该解耦补偿器44，其将伺服模块的电流指令信号与伺服马达3所内含的编码器产生解耦电流信号反馈，作为解耦合所需的反馈电流。包括激磁电流Id与转矩电流Iq的反馈电流在经过解耦补偿器44后，与上述由d、q轴的第一、二一阶控制器42、43分别输出的电压指令信号一起形成经过解耦补偿的控制信号输出；

坐标转换器45将上述经解耦补偿的d、q轴控制信号，通过d、q轴坐标转换为三相电压指令，并输出至脉宽调制控制器46，脉宽调制控制器46将上述经坐标转换后的三相电压指令控制信号调制产生脉宽调制信号并输出至伺服马达3，使其产生旋转转矩。

计数器48连接于伺服马达3的编码器以输出角速度感测信号，作为上述坐标转换器45、脉宽调制控制器46的触发时序信号，及速度估测器48的输入信号；

速度估测器47根据计数器48输出的角速度感测信号估测伺服马达速度，并输出角速度反馈信号至上述解耦补偿器44，同时速度估测器47估测到的伺服马达速度与该伺服模块的角速度指令信号w形成输入于PI控制器41的指令信号。

图5所示为本发明的不需电流传感器的交流伺服驱动器于电流模式控制架构下的方块示意图。如图所示，本发明的交流伺服模块包括有伺服马达3及连接于伺服马达3的交流伺服驱动器4。交流伺服驱动器4具有第一、二一阶控制器42、43，解耦补偿器44，坐标转换器45，脉宽调制控制器46，计数器48及速度估测器47，以构成开回路控制的驱动器电流回路，同样直接利用了伺服模块的电流指令信号和伺服马达3所内含的编码器产生的解耦电流信号。具体地说，激磁电流Id与转矩电流Iq与速度估测器48反馈的角速度反馈信号一起产生的解耦合电流信号经过解耦补偿后，同第一、二一阶控制器42、43产生的输出电压指令信号Vd、Vq共同形成控制信号，并输出至坐标转换器45，通过坐标转换器45转换为三相电压指令后经脉宽调制控制器46调制产生脉宽调制信号，输出至伺服马达3使其产生旋转转矩。

由于上述图4、5所示的交流伺服驱动器的电流回路不需电流传感器来反馈定子电流信号，而以开回路架构直接控制，并由伺服马达3内含的编码器经程控产生反馈电流。当图1的电流回路被要求BW(Hz)的开回路频宽(open loop bandwidth)时，则上述d、q轴的第二、三比例积分(PI)控制器12、13可设为2π*BW*(Ls+R)/s，则可将图2所示公知架构的简化方块图等效于图6所示的架构。在图6中显示了表示为2π*BW*(Ls+R)/s的d轴与q轴的第二、三比例积分(PI)控制器12、13，与伺服马达3的线圈转移函数(s)＝1/(Ls+R)之间的关系；同时，因已不具有电流传感器配置，而永磁式伺服马达3定子的电感L与电阻R随着温度升高的增加的比例不大，所以该d、q轴的第一、二一阶控制器42、43可等效于2π*BW*(Ls+R)/(s+2π*BW)，因此，可将图6所示的架构简化为图7所示架构，即，图7显示了由等效设为2π*BW*(Ls+R)/(s+2π*BW)的d轴与q轴的第一、二一阶控制器42、43，与伺服马达3的线圈转移函数(s)＝1/(Ls+R)之间在没有定子电流反馈时的关系。

图8所示为第4、5图所示的本发明的交流伺服模块的模块系统响应曲线示意图，所述曲线同样是以在3KW，2000rpm的马达传动5倍惯量负载为例的情况下所获得的响应曲线。其中，在图8下部曲线图中的曲线中，G线为对应的Iq命令，H线为反馈的电流，从图中可以看出，产生的Iq命令与实际的电流输出有少许差异。但是在图8上部曲线图中，E线为速度命令，F线为实际的输出速度，从该曲线的速度响应显示中可以看出，其与图3所示的、公知的由电流传感器反馈定子电流的架构几乎完全相同。尽管各伺服马达定子电阻及电感会存在一些少许差异，但是速度回路环是可以轻易补偿。

上述仅为本发明优选实施例而已，并非用来限定本发明实施范围。即凡根据本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (4)

1.一种不需电流传感器的交流伺服驱动器，包括伺服马达及连接于所述伺服马达的交流伺服驱动器，所述交流伺服驱动器包括比例积分控制器、至少两个一阶控制器、解耦补偿器、坐标转换器、脉宽调制控制器、计数器及速度估测器，从而构成开回路控制的交流伺服驱动器电流回路，

其中，利用所述伺服马达内含的编码器所接受的伺服模块的电流指令信号，直接程控形成解耦合所需的电流反馈信号，所述电流反馈信号配合所述速度估测器对所述伺服马达输出进行估测而得到的角速度反馈信号，产生解耦合电流信号，所述解耦合电流信号与d、q轴的所述一阶控制器产生的输出电压指令信号一起形成经过解耦补偿的控制信号，并输出至所述坐标转换器，所述坐标转换器将所述经过解耦补偿的控制信号转换为三相电压指令后经脉宽调制控制器调制产生脉宽调制信号，输出至伺服马达使其产生旋转转矩。

2.一种不需电流传感器的交流伺服驱动器，用于交流伺服模块中，进行解耦合功能的伺服马达向量控制，包括：

伺服马达，内含编码器；

比例积分控制器，接受由所述伺服模块的角速度指令信号与速度估测器反馈的角速度反馈信号形成的指令信号，并将其变换输出；

两个一阶控制器，分别为d轴的第一一阶控制器以及q轴的第二一阶控制器，其中，d轴的第一一阶控制器将来自伺服模块的激磁电流指令信号作为其输入，而q轴的第二一阶控制器则接受比例积分控制器输出的指令信号即转矩电流指令信号作为其输入，进而两个一阶控制器各自输出电压指令信号；

计数器，连接所述伺服马达的所述编码器，以输出角速度感测信号；

速度估测器，根据所述计数器输出的所述角速度感测信号估测伺服马达转速，并输出角速度反馈信号，同时，所述角速度反馈信号与所述伺服模块的角速度指令信号形成输入于所述比例积分控制器的指令信号；

解耦补偿器，其是利用激磁电流指令信号、比例积分控制器的输出信号即转矩电流指令信号以及速度估测器输出的角速度反馈信号来共同生成解耦合电流信号，进而解耦合电流信号与第一、二阶控制器产生的输出电压指令信号形成经过解耦合补偿的控制信号；

坐标转换器，将所述控制信号进行d、q轴坐标转换并输出；

脉宽调制控制器，将所述经过坐标转换后的控制信号调制产生脉宽调制信号，并输出至所述伺服马达使其产生旋转转矩；

其中所述计数器输出的所述角速度感测信号，作为所述坐标转换器、所述脉宽调制控制器的触发时序信号。

3.如权利要求2所述的交流伺服驱动器，其中，所述编码器为角度编码器，所述编码器为分解器、光电编码器中的一个，以产生角速度感测信号，并将其反馈至驱动器电流回路。

4.一种不需电流传感器的交流伺服驱动器，应用于交流伺服模块中，进行解耦合功能的伺服马达向量控制，包括：

伺服马达，内含编码器；

两个一阶控制器，分别为第一、二一阶控制器，所述一阶控制器利用所述伺服模块的电流指令信号作为其输入电流指令信号，进而产生各自的输出电压指令信号，所述两个一阶控制器分别为d、q轴的两个一阶控制器；

计数器，连接所述伺服马达的所述编码器，以输出角速度感测信号；

速度估测器，根据所述计数器输出的所述角速度感测信号估测伺服马达转速，并输出角速度反馈信号至所述解耦补偿器；

解耦补偿器，其利用所述伺服模块的电流指令信号与所述速度估测器产生的角速度反馈信号作为解耦合所需的反馈电流，并使得所述反馈电流与所述输出电压指令信号形成经过解耦补偿的控制信号；

坐标转换器，将所述控制信号进行d、q轴坐标转换并输出；

脉宽调制控制器，将所述经过坐标转换后的控制信号调制产生脉宽调制信号，并输出至所述伺服马达使其产生旋转转矩；

其中所述计数器输出的所述角速度感测信号，作为所述坐标转换器、脉宽调制控制器的触发时序信号。

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